關(guān)鍵詞：S32205雙相不銹鋼；σ相；顯微組織；力學(xué)性能；耐蝕性

0 引言

鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼是含有鐵素體（α）和奧氏體（γ）兩相，結(jié)合了兩相特性的一種不銹鋼。含有大約等量α和γ相的雙相不銹鋼（DSS）可保證優(yōu)良的力學(xué)性能和耐蝕性，為管道運(yùn)輸、橋梁和造船行業(yè)提供了最佳的材料選擇。雙相不銹鋼的強(qiáng)度大于奧氏體不銹鋼，耐蝕性優(yōu)于鐵素體不銹鋼，在熱軋和退火過(guò)程中，微觀結(jié)構(gòu)保持在Fe-Cr-Ni相圖的兩相區(qū)內(nèi)，形成具有交替鐵素體和奧氏體片層的微觀結(jié)構(gòu)。雙相不銹鋼通過(guò)熱軋和冷軋進(jìn)行加工，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑俳Y(jié)晶退火和淬火，以均衡兩相的比例。當(dāng)DSS在高溫（600～1000℃）下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效處理后，可能形成多種金屬間相，如σ、Chi（χ）、γ2、M23C6、Cr2N等，其中σ相析出會(huì)顯著降低韌性，并且由于其富含合金元素（主要為Cr和Mo元素）而增加局部腐蝕的腐蝕敏感性。σ相作為富含Cr和M的硬金屬間相，具有復(fù)雜的四方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞有30個(gè)原子，含有約30%的Cr、4%的Ni和7%的Mo原子（Fe平衡）。σ相易在高能區(qū)域如位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、界面和化學(xué)異質(zhì)性中成核。Fonseca等和Melo等研究發(fā)現(xiàn)金屬間相優(yōu)先形核于γ/α界面，并且認(rèn)為σ相形核可能由擴(kuò)散過(guò)程控制，而在任何類(lèi)型界面沒(méi)有成核位點(diǎn)飽和。然而，最近有報(bào)道稱，一些σ相在γ/γ邊界形核，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，由于過(guò)飽和γ相的分解，一些σ相在γ/γ邊界形核。目前，關(guān)于雙相不銹鋼中σ相的研究主要集中于固溶溫度、保溫時(shí)間和冷速對(duì)σ相的析出與溶解等方面的影響。雖然對(duì)雙相不銹鋼σ相析出機(jī)理有較成熟的研究，但不同化學(xué)成分和制備工藝雙相不銹鋼σ相的析出溫度并不相同，σ相的析出階段對(duì)性能的影響尚待研究，且缺乏相關(guān)的模擬計(jì)算加以驗(yàn)證。因此，本文以S32205雙相不銹鋼為研究對(duì)象，通過(guò)模擬計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)合的方式研究σ相的

析出現(xiàn)象及其對(duì)力學(xué)性能和耐蝕性的影響，并闡明相關(guān)機(jī)理，可對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到一定的參考借鑒價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文選用的軋態(tài)S32205雙相不銹鋼，化學(xué)成分如表1所示，微觀組織形貌如圖1所示?；诟邼舛菴r和Mo的成分分別提高了耐晶間腐蝕和耐點(diǎn)蝕性能。此外，氮的添加可以通過(guò)間隙固溶機(jī)制促進(jìn)材料硬化，這在不損害韌性的情況下提高了屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度值。S32205雙相不銹鋼由條狀的奧氏體（γ）相和鐵素體（α）相組成，其中γ相呈亮色，α相呈灰色，α∶γ約為4.7∶5.3。S32205雙相不銹鋼的XRD圖譜如圖2所示，圖中僅出現(xiàn)了α相和γ相的特征衍射峰，其中2θ為43.36°和50.47°分別對(duì)應(yīng)于γ相的（111）和（200）晶面，2θ為44.38°對(duì)應(yīng)于α相的（110）晶面，無(wú)其他特征峰。

根據(jù)表1中化學(xué)成分，利用JMatPro軟件模擬得出試驗(yàn)用S32205雙相不銹鋼的平衡相圖，如圖3所示。通過(guò)觀察平衡相圖中各相的變化，當(dāng)溫度約為1000℃時(shí)，材料中僅有鐵素體和奧氏體相，無(wú)其他中間相的存在。因此，對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行1040℃的固溶處理40min，使其中間相全部回溶，得到僅存在α和γ相的兩相復(fù)合組織。

圖4為通過(guò)JMatPro計(jì)算的S31803雙相不銹鋼σ相析出的TTT曲線及σ相的析出量隨保溫時(shí)間變化的曲線。由圖4（a）可知，σ相的析出規(guī)律呈“C”型。隨著溫度下降，σ相孕育析出時(shí)間先減小后增加。當(dāng)溫度為870～880℃時(shí)，σ相析出時(shí)間最短，S31803雙相不銹鋼溫度在875℃時(shí)，σ相開(kāi)始析出時(shí)間僅0.8min。由圖4（b）可知，在875℃下，σ相析出量隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加，且增長(zhǎng)趨勢(shì)為先增加后減小。當(dāng)保溫時(shí)間為235min時(shí)，σ相析出量達(dá)到最大，約6.0%，再增加保溫時(shí)間，σ相含量將不再增加，即σ相達(dá)到析出飽和。因此，選擇保溫時(shí)間最長(zhǎng)為240min，具體熱處理參數(shù)如表2所示。

將經(jīng)過(guò)不同熱處理后的S32205不銹鋼制備成表面為20 mm×20 mm的金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后，采用王水（HCl∶HNO3=3∶1）進(jìn)行侵蝕后，用4XB型光學(xué)顯微鏡（OM）和PhenomXLG2型掃描電鏡（SEM）觀察S32205雙相不銹鋼的顯微組織形貌。通過(guò)腐蝕后的微觀組織觀察，分析在雙相組織中σ相的析出行為。在各個(gè)試樣上選取20個(gè)區(qū)域利用Image-Pro-Plus軟件統(tǒng)計(jì)析出相σ相含量，分析σ相含量的變化。采用AL-2700B型X射線衍射儀（XRD）對(duì)固溶處理和875℃保溫不同時(shí)間后的S32205雙相不銹鋼進(jìn)行物相分析，管電流為30mA，工作電壓為40kV，掃描范圍為10°～90°。通過(guò)衍射峰的變化分析其物相組成。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣，其標(biāo)距長(zhǎng)度和寬度分別為25和5 mm， 總長(zhǎng)為50 mm。使用CMT5205型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取其平均值作為最終結(jié)果。使用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，加載載荷為5 kg（49 N），加載時(shí)間為15 s， 對(duì)每個(gè)試樣測(cè)試3次，以3次測(cè)試的平均值作為試樣的硬度值。通過(guò)觀察不同熱處理后試樣的硬度值變化，分析σ相的析出對(duì)S2205雙相不銹鋼硬度的影響。

將熱處理后的試樣用AB膠樹(shù)脂（其比例為1∶1）進(jìn)行鑲嵌，在正方形模具中只露出一個(gè)10mm×10mm的金屬面。將制備好的電化學(xué)試樣用砂紙將表面打磨平整。試驗(yàn)過(guò)程中，電解池中的溶液為3.5%NaCl，試樣經(jīng)鑲嵌后在溶液中僅露出10mm×10mm的金屬面，另一端的銅導(dǎo)線與電化學(xué)工作站相連作為工作電極。另外，碳棒作為輔助電極，飽和甘汞電極用作參比電極。掃描速度為0.5 mV/s，試驗(yàn)溫度為25℃。將試樣放入溶液后靜置10 min再測(cè)量試樣的開(kāi)路電位，待開(kāi)路電位穩(wěn)定后，即開(kāi)始陽(yáng)極極化試驗(yàn)，每組試驗(yàn)采用3個(gè)平行試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同保溫時(shí)間處理后的顯微組織

S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間的OM和SEM顯微組織形貌分別如圖5和圖6所示。圖5（a）和圖6（a）為S32205雙相不銹鋼在1040℃固溶40min后的顯微組織形貌，其組成為α和γ相，比例約4.8∶5.2。隨著保溫時(shí)間從30min增加到240min，微觀組織中除了α和γ相外，逐漸開(kāi)始析出黑色σ相。圖5（b）和圖6（b）為S32205雙相不銹鋼固溶后在875℃保溫30min后的顯微組織形貌，主要由α和γ相組成，但在α/γ相界面處開(kāi)始析出σ相。隨著保溫時(shí)間增加至60和90min時(shí)，σ相析出位置仍在α/γ相界，而析出量逐漸增加，如圖5（c，d）和圖6（c，d）所示。當(dāng)保溫時(shí)間增加至120～240min時(shí)，α/γ相界處的σ不再增加，如圖5（e，f）和圖6（e，f）所示。σ相析出的位置基本是在兩相界面。σ相的析出需要較高的能量，在相界處能量高，為σ相形成提供了良好的條件。同時(shí)晶界處由于鐵素體和奧氏體之間的晶體點(diǎn)陣不同，兩相原子之間匹配度低，點(diǎn)陣畸變產(chǎn)生畸變能便于σ相的形核，因此σ相析出的位置基本是在兩相界面處。

σ相在兩相界面的析出過(guò)程中，鐵素體相的含量會(huì)因?yàn)棣蚁嗟戎虚g相的析出而降低。因?yàn)殍F素體相中合金元素的遷移更容易，相比于奧氏體相，M23C6和σ相等中間相更傾向于在鐵素體中α相的界面之間和α相與γ相之間析出。并且由于M23C6的形核速度較快，其會(huì)先于σ相形成，所以在中間相的析出過(guò)程中鐵素體相中會(huì)優(yōu)先析出M23C6等碳化物同時(shí)生成二次奧氏體，合金元素遷移生成的富Cr的M23C6碳化物使周?chē)a(chǎn)生了貧Cr區(qū)。由于鐵素體中合金元素的易遷移使M23C6碳化物優(yōu)先析出在鐵素體周?chē)?，使鐵素體奧氏體兩相界面向鐵素體推移，使鐵素體相含量減少。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵素體相不斷減少，在相界處不斷析出碳化物中間相，析出碳化物后鐵素體會(huì)反應(yīng)生成σ相和二次奧氏體。因?yàn)楦籆r的σ等中間相析出使中間相周?chē)霈F(xiàn)貧Cr區(qū)域，但較高的Ni含量將促使二次奧氏體的產(chǎn)生。

圖7為S32205雙相不銹鋼熱處理后的XRD圖譜。XRD圖譜中除了存在α和γ相特征衍射峰外，還出現(xiàn)了σ相的特征衍射峰，其中2θ為42.33°、45.88°、46.89°和48.06°分別對(duì)應(yīng)于σ相的（410）、（122）、（411）和（311）晶面。

圖8為S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間后的主要組成相的體積含量。當(dāng)S32205雙相不銹鋼在875℃保溫0～90 min，σ相體積含量快速上升，當(dāng)保溫時(shí)間增加至90～120 min時(shí)，σ相體積含量緩慢上升，在120～240 min時(shí)σ相體積含量基本不變，達(dá)到飽和，最大為6.1%，與模擬計(jì)算結(jié)果基本符合。根據(jù)圖8可知，隨著保溫時(shí)間增加，α相含量逐漸降低，而γ相含量逐漸增加。文獻(xiàn)研究表明雙相不銹鋼σ相析出是源于α相的共析分解。試驗(yàn)用S32205雙相不銹鋼中含有大量的Cr和Mo元素，作為σ相和α相的強(qiáng)穩(wěn)定元素，α相逐漸分解，其內(nèi)部的Cr和Mo含量逐漸增加，也將促使σ相的析出。因此，在875℃保溫初始階段，α相至γ相中的Cr和Mo元素原子濃度梯度較大，將在α相內(nèi)快速擴(kuò)散，且擴(kuò)散速度是在γ相中的幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)Cr和Mo原子擴(kuò)散至α/γ相界處時(shí)，將在此處偏析，結(jié)合晶界處的晶界畸變能，σ相將在α/γ相界處快速形核析出。當(dāng)保溫時(shí)間增加至90～120 min時(shí)，Cr和Mo原子擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，α相與γ相的濃度梯度降低，且伴隨晶粒長(zhǎng)大，α/γ相界減少，造成σ相形成速率降低。當(dāng)保溫時(shí)間增加至120～240 min時(shí)，Cr和Mo原子在α相與γ相的濃度梯度繼續(xù)降低，且大部分α相已共析分解，σ相開(kāi)始含有大量的Cr和Mo原子，使得σ相與γ相中出現(xiàn)Cr和Mo原子濃度梯度，導(dǎo)致σ相逐漸分解。

2.2 σ相對(duì)S32205雙相不銹鋼性能的影響

2.2.1 σ相對(duì)力學(xué)性能的影響

圖9為S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間后的力學(xué)性能。圖9（a）為S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間后的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率，圖9（b）為S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間后的硬度變化趨勢(shì)。由圖9可知，隨著保溫時(shí)間的增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及顯微硬度逐漸增加，而伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)保溫時(shí)間從0增加至

60 min時(shí)，屈服強(qiáng)度從610MPa快速增加至651MPa，抗拉強(qiáng)度從820MPa快速增加至852MPa。當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)60 min后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增幅較小。當(dāng)保溫時(shí)間由60 min增加至120 min時(shí)，屈服強(qiáng)度從651MPa增加至667MPa，抗拉強(qiáng)度從852MPa增加至860MPa。當(dāng)保溫時(shí)間為240 min后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為680和880MPa。顯微硬度表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。

強(qiáng)度和硬度與σ相體積含量成正比關(guān)系。σ相是晶體結(jié)構(gòu)為體心四方的富Cr非平衡金屬間相，其強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)高于基體相，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起著強(qiáng)烈阻礙作用，其強(qiáng)硬化機(jī)理主要為σ相的高彈性應(yīng)變能和位錯(cuò)釘軋。在σ相析出的開(kāi)始階段（0～30 min），σ相主要以點(diǎn)狀和塊狀分布于α/γ相界處，呈彌散分布。杜一鳴等指出σ相尺寸越小，彌散強(qiáng)化效果越明顯。當(dāng)σ相尺寸較小時(shí)，強(qiáng)化機(jī)理主要為位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)，即Orowan強(qiáng)化機(jī)制。隨著保溫時(shí)間增加，σ相含量增加，析出速率降低，但晶粒尺寸開(kāi)始緩慢增加。此階段因?yàn)榫Я３叽缭黾樱嘟缑鏀?shù)量減少，同時(shí)σ相占據(jù)部分的細(xì)條狀α相區(qū)域，共析形貌特征減弱，強(qiáng)化機(jī)理主要以σ相的高彈性應(yīng)變能強(qiáng)化為主，而位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)開(kāi)始減弱。當(dāng)保溫時(shí)間增加至240 min后，σ相達(dá)到飽和，且尺寸繼續(xù)增加，相界晶界對(duì)位錯(cuò)阻礙作用進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)進(jìn)一步減弱。

2.2.2 σ相對(duì)耐蝕性的影響

S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間后在3.5%NaCl溶液中的極化曲線及電化學(xué)腐蝕參數(shù)如圖10所示。由圖10（a）可知，不同保溫時(shí)間下試樣的極化曲線趨勢(shì)基本一致，都存在較明顯的鈍化平臺(tái)且鈍化區(qū)域較寬。腐蝕的過(guò)程中S32205雙相不銹鋼表面產(chǎn)生的鈍化膜抑制金屬陽(yáng)離子的溶解（Fe-2e-→Fe2+），當(dāng)電位處于鈍化區(qū)時(shí)Fe離子的溶解與氧化物鈍化膜生成同時(shí)發(fā)生，并且兩者溶解和生成的過(guò)程處于平衡狀態(tài)，所以使金屬的腐蝕電流并不出現(xiàn)明顯的變化。但當(dāng)電位增大到一定程度時(shí)鈍化膜不能起良好的阻斷作用，使金屬表面逐漸又開(kāi)始發(fā)生點(diǎn)蝕，通常將這時(shí)的電位叫擊破電位，即鈍化區(qū)后腐蝕電流隨腐蝕電位發(fā)生劇烈變化。當(dāng)S32205雙相不銹鋼由活態(tài)進(jìn)入鈍化態(tài)后，腐蝕速率將迅速降低。當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)120 min后，鈍化區(qū)存在電流波動(dòng)，這主要?dú)w因于亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕形核和再鈍化，而在保溫時(shí)間低于120 min的試樣中并未觀察到該現(xiàn)象，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間保溫后鈍化膜穩(wěn)定性變差，更易被破壞誘發(fā)點(diǎn)腐蝕。當(dāng)基體α和γ相的比例接近1∶1時(shí)，鈍化膜最穩(wěn)定，當(dāng)兩相比例分布不均勻，鈍化膜的穩(wěn)定性受到破壞，材料的耐蝕性也會(huì)降低。由圖10（b）可知，S32205雙相不銹鋼在875℃保溫不同時(shí)間后的自腐蝕電位（Ecorr）隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低。當(dāng)保溫時(shí)間為0 min時(shí)，微觀組織僅由α和γ相組成，S32205雙相不銹鋼具有最佳耐蝕性，Ecorr為-195mV。隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，Ecorr呈3個(gè)階段的變化規(guī)律。首先，當(dāng)保溫時(shí)間為0～90 min時(shí)，Ecorr急劇降低，90 min時(shí)Ecorr降至-258mV，說(shuō)明隨著σ相的快速析出，S32205雙相不銹鋼的耐蝕性顯著降低。其次，當(dāng)保溫時(shí)間增加至120 min時(shí)，Ecorr緩慢降低，為-261mV，說(shuō)明S32205雙相不銹鋼的耐蝕性緩慢降低。最后，當(dāng)保溫時(shí)間增加至240 min時(shí)，Ecorr再次降低，為-275mV。這與σ相析出造成部分區(qū)域貧Cr及保溫過(guò)程中元素重新分布、晶粒尺寸變化有關(guān)。σ相的析出伴隨著鐵素體相含量的降低和奧氏體相含量的升高，同時(shí)σ相破壞金屬氧化物形成的鈍化膜，導(dǎo)致產(chǎn)生局部區(qū)域的化學(xué)電池，降低耐蝕性。

3 結(jié)論

1）JMatPro軟件模擬計(jì)算得到S32205雙相不銹鋼σ相最快析出溫度為875℃，當(dāng)S32205雙相不銹鋼在875℃保溫0～90 min，σ相含量快速增加，當(dāng)保溫時(shí)間增加至90～120 min時(shí)，σ相含量緩慢上升，而當(dāng)保溫時(shí)間為120～240 min時(shí)σ相含量達(dá)到飽和，最大為6.1%，與模擬計(jì)算結(jié)果基本符合；

2）隨著保溫時(shí)間逐漸增加，S32205雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及顯微硬度先快速增加后逐漸保持穩(wěn)定，而伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)；

3）σ相對(duì)強(qiáng)度和硬度的影響由Orowan強(qiáng)化機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁嗟母邚椥詰?yīng)變能強(qiáng)化機(jī)制；

4）隨著保溫時(shí)間增加，σ相含量和晶粒尺寸逐漸增加，結(jié)合Cr元素偏析等作用，S32205雙相不銹鋼越容易產(chǎn)生腐蝕，耐蝕性逐漸降低。

本文摘自《材料熱處理學(xué)報(bào)》2024年第4期