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超純鐵素體不銹鋼脆性及形成特點(diǎn)對(duì)性能的影響

2022-03-11 15:31:56 作者：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 來(lái)源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 分享至：

鐵素體不銹鋼通常是指Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～30%的不銹鋼，依照Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，可以將其劃分為低Cr、中Cr及高Cr這3種類型。通常而言，鐵素體不銹鋼抗蝕能力的強(qiáng)弱與Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，耐蝕性能越強(qiáng)。

為了提高材料的綜合性能，避免Cr的碳化物和氮化物析出對(duì)鋼力學(xué)性能和耐腐蝕性能帶來(lái)的不利影響，現(xiàn)階段鐵素體不銹鋼向著低C、N的方向發(fā)展。超純鐵素體不銹鋼屬于鐵素體不銹鋼的一種，其C和N元素的含量極低（C和N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和一般不超過0.015%）且具有中高Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于其擁有較好的耐腐蝕性能、導(dǎo)熱性能、抗震性能和加工性能等，且與Cu、Cu合金和Ti材相比，價(jià)格相對(duì)較低，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、廚房用具和家用電器、建筑行業(yè)及石油化工等領(lǐng)域。

雖然超純鐵素體不銹鋼性能優(yōu)越，但在其生產(chǎn)過程中也存在諸多問題，由于Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，并且存在Mo和Mn元素等其他合金成分，很難避開σ相脆性、475℃脆性和高溫脆性等高Cr鐵素體不銹鋼固有的問題。因此，生產(chǎn)人員很重視這些脆性給超純鐵素體不銹鋼帶來(lái)的危害，發(fā)現(xiàn)σ相、χ相，α‘相，Laves相，碳、氮化物的析出及Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是導(dǎo)致脆性形成的主要原因。

本文詳細(xì)闡述了超純鐵素體不銹鋼σ相脆性、475℃脆性和高溫脆性等主要特征及影響因素，并就上述脆性對(duì)超純鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能和抗蝕性能等影響做了探討和分析，以便供生產(chǎn)和使用人員參考。

1 超純鐵素體不銹鋼脆性的主要特征

超純鐵素體不銹鋼含有多種合金元素，在熱加工期間極易析出不同類型的金屬間化合物，主要為Cr、Nb和Ti的碳、氮化物，以及σ相、χ相、Laves相和α’相等金屬間化合物。σ相、χ相、Laves相和α‘相的特性見表1。

表1 超純鐵素體不銹鋼中金屬間化合物的特性

一些典型的超純鐵素體不銹鋼的σ相、χ相和Laves相的析出“C”曲線如圖1和圖2所示。由于合金成分含量的不同，這些相析出的最敏感溫度為800～850℃。對(duì)于00Cr25Ni4Mo4NbTi（Monit）合金而言，σ相和χ相的析出相對(duì)較快，而Laves相在650 ℃最容易析出，且需要更多的時(shí)間來(lái)析出。不管是哪種脆性析出相，析出過量時(shí)均將使鋼有變脆的傾向，會(huì)導(dǎo)致其沖擊性能急劇下降。

圖1 26%Gr-（1%~4%）Mo-（0~4%）Ni鐵素體不銹鋼

圖2 00Cr25Ni4Mo4TiNb （Monit）鐵素體不銹鋼TTP圖（1000℃固溶后）

1.1 σ相脆性主要特征

σ相脆性的產(chǎn)生主要是由于σ相和χ相的析出，而Laves相與它們有著相近的析出溫度，所以在這里一并探討。

1.1.1 σ相

σ相是一種尺寸因素化合物，其構(gòu)型為AB型或AxBy型，結(jié)構(gòu)為體心四方。在鐵素體不銹鋼中，σ相主要為FeCr或FeCrMo兩種類型。一般情況，σ相易在w（Cr）=25%～30%、析出溫度為600～1050℃的條件下形成，形成后會(huì)使Cr元素向其富集，如圖3所示。σ相不具有磁性且硬度較高，洛氏硬度（HRC）可達(dá)到68HRC，析出過程中會(huì)伴有“體積效應(yīng)”，鋼的塑性會(huì)有所下降。

圖3 447鐵素體不銹鋼在EDX線性分析下o相的組織成分

σ相的析出會(huì)導(dǎo)致不銹鋼嚴(yán)重脆化，使其耐腐蝕性能、沖擊韌性及機(jī)械性能等綜合性能下降。

σ相的析出分為兩個(gè)階段，即形核與長(zhǎng)大。σ相開始形核的地點(diǎn)一般為α/α’的晶界處，并由晶界向基體內(nèi)部生長(zhǎng)和擴(kuò)張，當(dāng)σ相生長(zhǎng)到一定大小的時(shí)候，會(huì)從晶粒的內(nèi)部析出。

1.1.2 χ相

超純鐵素體不銹鋼不僅會(huì)析出σ相，當(dāng)含有一定量的Mo元素時(shí)，還會(huì)析出χ相。χ相的結(jié)構(gòu)為體心立方，該結(jié)構(gòu)是α-Mn類型。在鐵素體不銹鋼中，χ相主要為Fe36Cr12Mo10或（Fe，Ni）36Cr18Mo4兩種類型，一般情況會(huì)在w（Mo）為15%～25%、溫度為600～900℃的條件下形成，χ相析出時(shí)會(huì)使鋼的韌性明顯下降。研究發(fā)現(xiàn)，與σ相相比，Cr和Mo在χ相中富集更快，且使χ相析出速度比σ相析出要快。一般而言，χ相具有與鐵素體基體相同的結(jié)構(gòu)，由于其具有較低的形核勢(shì)壘，形核較為簡(jiǎn)單，因此χ相常常比σ相更早地析出，如圖4所示。

圖4 26Cr鐵素體不銹鋼800℃時(shí)效5min后析出的χ相

χ相開始產(chǎn)生時(shí)，會(huì)使大量的Cr和Mo富集在χ相中，從而導(dǎo)致Cr和Mo含量減少，不足以使σ相形核，所以σ相在初期形成比較困難。另外，χ相具有亞穩(wěn)定性，受時(shí)效時(shí)間影響，χ相會(huì)逐漸分解，提供足夠多的Cr和Mo讓σ相形核，最后逐漸轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的σ相。不管是χ相還是σ相，析出時(shí)都會(huì)使析出相周圍Cr含量減少，形成貧Cr區(qū)，導(dǎo)致其耐腐蝕性能下降。

1.1.3 Laves相

Laves相也是一種尺寸因素化合物，其構(gòu)型為AB2型，結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在鐵素體不銹鋼中，Laves相主要為Fe2Ti或Fe2Nb或者Fe2Mo3種類型。鐵素體不銹鋼中Si元素會(huì)富集在Laves相，對(duì)其穩(wěn)定有重要作用。根據(jù)合金成分含量的不同，Laves相的析出溫度一般為650～750℃。

圖5 27Gr-4Mo-2Ni鐵素體不銹鋼1050℃時(shí)效1h后析出的Laves相

Andrade T等研究發(fā)現(xiàn)，型號(hào)為DIN 1.4575的超純鐵素體不銹鋼在850℃時(shí)效30min后，可以觀察到有Laves相在晶界析出，其在時(shí)效過程中的尺寸大小基本不變，主要是由于在晶界析出的析出物中不僅含有Laves相同時(shí)還有σ相，且σ相的生長(zhǎng)速度比Laves相快，會(huì)阻止部分Laves相長(zhǎng)大。

研究發(fā)現(xiàn)，型號(hào)為11Cr-0.2Ti-0.4Nb的鐵素體不銹鋼在800℃時(shí)效24～28h時(shí)，觀察到有大量Laves相析出，且數(shù)量緩慢增加；當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到96h后，Laves相變粗，數(shù)量減少，無(wú)σ相析出。

1.2 475℃脆性主要特征

Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%的鐵素體不銹鋼在340～516℃的溫度區(qū)間內(nèi)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間保溫，會(huì)產(chǎn)生明顯的硬度和強(qiáng)度上升，并伴隨著塑性和沖擊韌性的急劇下降，這主要是由鐵素體不銹鋼475℃脆性引起的。致使這種性能變化的最敏感溫度是475℃，α‘相的析出是使鐵素體不銹鋼產(chǎn)生475℃脆性的主要原因。α’相是一種富Cr的脆性相，結(jié)構(gòu)為體心四方。在鐵素體不銹鋼中，α‘相易在w（Cr）大于15%、析出溫度為371～550℃的條件下形成，α’相為Fe-Cr合金，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為61%～83%，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%～37%。

文獻(xiàn)指出，當(dāng)鋼中Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%時(shí)，將不會(huì)有α‘相析出，這從根源上避免了475℃脆性的產(chǎn)生。另外，α’相在溶解過程中的析出行為是一個(gè)可以逆轉(zhuǎn)的過程，當(dāng)鋼的溫度再次加熱到516℃以上、快速冷卻直至溫度與室溫一致時(shí)，α‘相會(huì)溶解到基體中，475℃脆性也不會(huì)再發(fā)生。

1.3 高溫脆性主要特征

當(dāng)鐵素體不銹鋼中Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～30%時(shí)，將其加熱到950℃以上，再使其快速冷卻，易導(dǎo)致鋼的伸長(zhǎng)率、沖擊韌性及耐晶間腐蝕性能下降，這主要是由鐵素體的高溫脆性引起的。Cr的碳、氮化物析出是產(chǎn)生高溫脆性的主要原因。另外，在焊接過程中，焊接溫度達(dá)到950℃以上時(shí)，鐵素體不銹鋼中也會(huì)有Laves相的析出，影響其綜合性能。在超純鐵素體不銹鋼中同樣存在這種危害，并且因其含有較高的Cr和Mo元素，會(huì)使其對(duì)高溫脆性更加敏感，可通過采用降低C、N元素含量和加入穩(wěn)定元素的方法減輕高溫脆性的危害。

焊接時(shí)，高溫脆性會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，一方面，因?yàn)楹附舆^程中C和N元素在晶界析出并與Cr和Mo元素發(fā)生反應(yīng)，形成富含Cr和Mo的碳、氮化物，逐漸向晶界移動(dòng)；另一方面，當(dāng)焊接溫度達(dá)到950℃后，經(jīng)常會(huì)有Laves相析出。這些析出相會(huì)在位錯(cuò)、晶界或晶內(nèi)出現(xiàn)，阻止晶體位錯(cuò)和晶界移動(dòng)，使局部原子依然規(guī)則排列，鋼的強(qiáng)度得到提高，塑韌性會(huì)下降。

2 超純鐵素體不銹鋼脆性析出相的影響因素

2.1 合金元素

超純鐵素體不銹鋼中Cr、Mo、Ti、Nb、W和Cu等合金元素對(duì)其脆性析出相有一定的影響。

鐵素體不銹鋼中Cr元素含量越高，越容易鈍化，會(huì)使鐵素體不銹鋼表面不易被氧化，從而擁有更好的耐腐蝕性能，同時(shí)耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕和耐晶間腐蝕的能力也會(huì)得到提高；與此同時(shí)，當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí)，鐵素體不銹鋼中脆性相形成的速度會(huì)越快。另外，α’和σ相形成和析出的快慢也與Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，析出速度越快，且析出相會(huì)使鋼的韌性下降、脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著提高。

鐵素體不銹鋼中Mo元素是第二重要的元素，當(dāng)Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)一定比例時(shí)，鐵素體不銹鋼中σ相和χ相的析出量明顯增多；Moura L B等研究發(fā)現(xiàn)，在25Cr-7Mo的鐵素體不銹鋼中，Mo的加入降低了α′相的最高沉淀溫度，使溫度從475℃降低至400℃左右，并增加α′相的數(shù)量。

Kaneko M等發(fā)現(xiàn)，Mo元素會(huì)使Cr在鈍化膜中更快地富集，提高鈍化膜的穩(wěn)定性能，加強(qiáng)鋼中Cr的耐腐蝕作用；Ma L等研究發(fā)現(xiàn)，在1020℃退火后，30Cr鋼會(huì)析出Laves相，該相主要由Fe、Cr、Mo、Si和Nb組成。與基體金屬相比，Laves相中的Nb和Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，30Cr鋼1020℃退火后Laves相的X射線能譜分析如圖6所示。由此可見，在30Cr超純鐵素體不銹鋼中，Mo含量的提高會(huì)加速Laves相的析出。文獻(xiàn)指出，隨Mo含量的提高，時(shí)效后的26Cr不銹鋼中除了σ相和Laves相析出外，還會(huì)有富Mo的χ相析出，而隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，部分Laves相會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化成σ相。

圖6 30Cr鋼1020℃退火后Laves相的X射線能譜分析（EDS）

（a）基體金屬的EDS分析；（b）Laves相的EDS分析

鋼中加入的Nb和Ti等具有穩(wěn)定性質(zhì)的元素與C和N元素結(jié)合，會(huì)析出TiN、NbC和Fe2Nb等相，且分布在晶粒內(nèi)部和晶界上，使Cr的碳化物和氮化物的形成速度變慢，從而增強(qiáng)鐵素體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能；Anttila S等研究了添加Ti和Nb對(duì)430等鐵素體不銹鋼焊縫的影響，焊接溫度達(dá)到950 ℃時(shí)，易生成Laves相，導(dǎo)致焊接接頭變脆，接頭的沖擊韌性降低。另外，Naghavi S S等研究發(fā)現(xiàn)，高溫時(shí)效時(shí)，鐵素體不銹鋼中Nb元素在基體中溶解度隨著溫度的升高而降低，易導(dǎo)致Laves相粗化，使鐵素體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度降低。

研究發(fā)現(xiàn)，含有W元素的444鐵素體不銹鋼在1000℃高溫時(shí)效時(shí)，可顯著提高鋼的高溫抗拉強(qiáng)度，但隨著W質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，會(huì)導(dǎo)致Laves相嚴(yán)重粗化，沉淀強(qiáng)化效應(yīng)減弱，高溫抗拉強(qiáng)度降低。

當(dāng)鐵素體不銹鋼中含有Cu元素時(shí)，會(huì)析出富Cu相，可顯著提高430-Cu的耐腐蝕性能。含Cu元素的Fe-Cu二元合金和Fe-Cu-Ni三元合金可以提高鋼的強(qiáng)度和韌性。富Cu相主要在650℃和750℃時(shí)析出，在初始時(shí)效階段，富Cu相保持球形，隨著時(shí)效溫度及時(shí)間的增加，會(huì)逐漸變?yōu)闄E圓形和棒狀，如圖7所示。

圖7 17Cr-0.86Si-1.2Cu-0.5Nb鐵素體不銹鋼在750°℃時(shí)效1h后富Cu相的形貌

2.2 稀土元素

稀土元素（RE）極具化學(xué)活性，加入適量的RE可以有效優(yōu)化鋼的性能。

27Cr鐵素體不銹鋼析出相的透射電鏡檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。未添加RE時(shí)，鐵素體不銹鋼中的析出相較為復(fù)雜，如圖8（a）所示，二次相會(huì)在晶界析出，同時(shí)以鏈狀出現(xiàn)在鐵素體基體中，主要有σ相、M23C6、M6C，還存在少量M2N和χ相。添加RE后，鏈狀析出相逐漸減少，在基體中經(jīng)常以單個(gè)的形態(tài)呈現(xiàn)，主要為σ相，同時(shí)，碳、氮化物析出變少，如圖8（b）所示。當(dāng)超純鐵素體不銹鋼中RE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.106%時(shí)，會(huì)起到更好的強(qiáng)化作用，此時(shí)RE元素的添加會(huì)使晶粒細(xì)化，提高沖擊功，使沖擊斷裂機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性；另外，添加RE還能降低鋼中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，有效減少點(diǎn)蝕誘發(fā)源，提高耐點(diǎn)蝕性能。

圖8 27cr鐵素體不銹鋼析出相透射電鏡檢測(cè)結(jié)果

（ a ）0%RE樣品的明場(chǎng)圖像；（ b ） 0.106%RE樣品的明場(chǎng)圖像

2.3 時(shí)效處理

不同的時(shí)效處理對(duì)脆性析出相的影響是不同的。當(dāng)超純鐵素體不銹鋼產(chǎn)生脆性析出相時(shí)，其力學(xué)性能、沖擊性能和耐腐蝕性能等綜合性能都會(huì)惡化，而時(shí)效處理不僅能改善組織和提高塑性，還可有效地減少析出相的析出，降低其對(duì)鋼的危害。

LU H H等研究發(fā)現(xiàn)，27Cr-4Mo-2Ni鐵素體不銹鋼在600～800℃時(shí)效時(shí)，主要有χ相、Laves相和σ相等析出相，27Cr-4Mo-2Ni鐵素體不銹鋼不同溫度時(shí)效處理后各相的形態(tài)和分布如圖9所示。這些析出物會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性、抗拉強(qiáng)度和塑性的降低及硬度的增加。χ相主要在600～800 ℃時(shí)效后沿晶界析出，700 ℃時(shí)效時(shí)晶粒內(nèi)部會(huì)析出Laves相，而σ相一般在750℃以后在晶界析出，這時(shí)Laves相會(huì)有部分溶解到基質(zhì)中，為σ相的生長(zhǎng)提供了Cr和Mo原子，使晶粒粗化，導(dǎo)致鋼的脆性斷裂。

圖9 27Cr-4Mo-2Ni鐵素體不銹鋼不同溫度時(shí)效處理后x相、Laves相和o相的形態(tài)和分布

（ a ） 650℃時(shí)效4h；（ b ） 700℃時(shí)效4h；（ c ） 750℃時(shí)效2h；（ d ） 800℃時(shí)效4h。

張晶晶發(fā)現(xiàn)SUS444超純鐵素體不銹鋼在850℃時(shí)效10min后，TiN會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)門iN/NbC/貧Nb相的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)與基體的界面有較高的結(jié)合強(qiáng)度，會(huì)使沖擊韌性大幅提升。

駱毅等對(duì)446超純鐵素體不銹鋼進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)其在800℃時(shí)效，σ相會(huì)在0.5h后析出，且σ相析出會(huì)隨著時(shí)效時(shí)間增加而慢慢變多，并形成類似于網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，同時(shí)σ相中逐漸產(chǎn)生微裂紋，這些大量的網(wǎng)狀σ相會(huì)嚴(yán)重降低鋼的韌性。

馬力等對(duì)26%Cr超純鐵素體不銹鋼退火時(shí)發(fā)現(xiàn)，主要存在TiN、NbC和χ相等3種典型的析出相，有害相χ相會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致鋼的脆性產(chǎn)生，而隨退火溫度的升高，達(dá)到1020℃，χ相逐漸減少至微乎其微。因此，想要χ相消失，需要提供足夠高的退火溫度。

對(duì)于高Cr鐵素體不銹鋼27.4Cr-3.8Mo-2.1Ni，QU H P等發(fā)現(xiàn)在950℃時(shí)效0.5h后，會(huì)析出σ和 Laves相，它們提高了鋼的硬度，但卻降低了其延展性。這些有害相在1100℃固溶處理0.5h后可溶解到基質(zhì)中。

武敏等發(fā)現(xiàn)441熱軋板材在900～950℃退火時(shí)有大量Laves相析出，如圖10所示，析出相有兩種：一種是初生相，為（Ti, Nb）（C, N）的復(fù)合結(jié)構(gòu)，尺寸約5 μm；另一種是Laves相，呈細(xì)小的點(diǎn)狀，數(shù)量多而密集，均勻分布在晶界、亞晶界和晶內(nèi)。另外，將退火溫度提高到1000～1050℃后，可以有效地消除Laves相，但還會(huì)有少量Nb（C, N）相析出。

圖10 441鐵素體不銹鋼熱軋板材在不同退火溫度后的Laves相形貌

（ a ） 900℃退火后的Laves相形貌；（ b ） 950℃退火后的Laves相形貌。

3 脆性對(duì)超純鐵素體不銹鋼性能的影響

3.1 脆性對(duì)力學(xué)性能的影響

研究證明，由于Cr和Mo含量較高，再加上一定量的Nb，微觀結(jié)構(gòu)中容易形成幾種脆性金屬間化合物，如（Fe-Cr-Mo）型σ相，（Fe-Cr-Mo）型χ相和Fe2Nb型Laves相，這些脆性金屬間化合物會(huì)導(dǎo)致超純鐵素體不銹鋼塑韌性的顯著降低和硬度的上升。

德國(guó)學(xué)者Saha R等發(fā)現(xiàn)，由于C元素溶解度較低，鐵素體不銹鋼在高溫冷卻過程中，會(huì)析出高硬度的（Ti, Nb）C，而彌散分布的（Ti, Nb）C會(huì)使鐵素體不銹鋼的強(qiáng)度和硬度提高。另外，研究發(fā)現(xiàn)，合金中的二相粒子Cr23C6和Cr2N等對(duì)機(jī)械性能，特別是韌性和延展性有強(qiáng)烈的影響，會(huì)導(dǎo)致韌性和延展性降低，易使鋼產(chǎn)生斷裂。

Fe-Cr合金中典型的α′相沉淀會(huì)導(dǎo)致鐵素體基體中的Cr耗盡，從而使鋼的耐蝕性和韌性降低，硬度提高。研究發(fā)現(xiàn)，444鐵素體不銹鋼在400～475℃時(shí)效處理時(shí)，會(huì)析出α‘相，導(dǎo)致其硬度上升，并且在475℃時(shí)效時(shí)間超過500h后，韌性急劇下降，時(shí)效后441超純鐵素體不銹鋼的硬度及斷裂所吸收的能量如圖11所示。

圖11 400℃和450℃時(shí)效后441超純鐵素體不銹鋼的硬度及斷裂所吸收的能量隨時(shí)間變化

（a）硬度隨時(shí)效時(shí)間的變化；（b）斷裂吸收的能量隨時(shí)效時(shí)間的變化。

駱毅等研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)446超純鐵素體不銹鋼進(jìn)行時(shí)效處理，當(dāng)σ相中還未形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)得到一定程度的提高；而當(dāng)σ相的析出形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率會(huì)有較為明顯的下降，如圖12所示。另外，無(wú)論是否有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，σ相的析出都會(huì)對(duì)材料的沖擊性能造成嚴(yán)重地?fù)p害，導(dǎo)致其沖擊性能的下降，不能滿足用鋼的部分要求。

圖12 800℃時(shí)效后446超純鐵素體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨時(shí)間變化

Laves相的析出對(duì)超純鐵素體不銹鋼的影響既有利的一面又有不利的一面。文獻(xiàn)指出，隨時(shí)效時(shí)間的增加，F(xiàn)e2Nb相會(huì)在鋼中逐漸析出，從而導(dǎo)致鋼的韌性及高溫強(qiáng)度的降低。研究發(fā)現(xiàn)，若在Laves相沉淀物中加入Si和Nb元素，Laves相沉淀有助于增加鋼的抗蠕變性能和高溫強(qiáng)度。另外，Laves相中若含有W元素，有助于提高鋼的高溫抗拉強(qiáng)度，如圖13所示，與無(wú)W型444鐵素體不銹鋼相比，W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有明顯的提高。在900℃時(shí)效時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間的增加抗拉強(qiáng)度有較小幅度的降低，并逐漸趨于穩(wěn)定；而在1000℃時(shí)效時(shí)，抗拉強(qiáng)度會(huì)有較大幅度的降低，但是初始的抗拉強(qiáng)度依然比無(wú)W型鋼的高。

圖13 444鐵素體不銹鋼900C和1 000°C下高溫抗拉強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的變化（a）900℃；（b）1000 ℃。

441鐵素體不銹鋼在850℃時(shí)效過程中會(huì)析出Laves相，且快速生長(zhǎng)，當(dāng)其沿晶界連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致塑性和沖擊韌性降低，且由于晶界數(shù)量減少，晶粒尺寸變大，析出速率會(huì)降低。

19Cr-2Mo-Nb-Ti鐵素體不銹鋼不同時(shí)效溫度下的力學(xué)性能如圖14所示，該鋼在850～1050℃時(shí)效過程中，（FeCrSi）2（MoNb）和（Fe, Cr）2（Nb, Ti）型Laves相會(huì)轉(zhuǎn)變成（Nb, Ti）（C, N）沉淀，同時(shí)溶液中Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)因沉淀的溶解和粗化而增加，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度降低；但在950℃時(shí)效處理后，可以改善再結(jié)晶晶粒的均勻性，伸長(zhǎng)率會(huì)急劇升高，最高達(dá)到37.3%，最后逐漸穩(wěn)定在32.6%。

圖14 19Cr-2Mo-Nb-Ti鐵素體不銹鋼不同時(shí)效溫度下的力學(xué)性能

3.2 脆性對(duì)耐蝕性能的影響

研究發(fā)現(xiàn)，脆性相的析出會(huì)全面惡化鋼的耐腐蝕性能。另外，文獻(xiàn)表明，由于27.4Cr-3.8Mo超純鐵素體不銹鋼Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在950℃時(shí)效0.5h易產(chǎn)生σ相和χ相，導(dǎo)致耐點(diǎn)蝕性降低，而在1100℃時(shí)效0.5h后，σ相和χ相會(huì)逐漸消失，耐點(diǎn)蝕性能恢復(fù)，其點(diǎn)蝕電位如圖15所示。

圖15 24.7Cr-3.4Mo和27.4cr-3.8Mo不銹鋼的點(diǎn)蝕電位

不銹鋼的Cr和Mo含量對(duì)其耐腐蝕性能有決定性的影響，當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%以上、溫度700～800 ℃時(shí)會(huì)析出σ相和χ相，導(dǎo)致鋼的耐腐蝕性能降低。另外，Cr元素極易與C和N元素結(jié)合，并在晶界或晶粒內(nèi)部析出，一方面，會(huì)形成富Cr的碳、氮化物，使Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅度地減少，耐腐蝕性能下降；另一方面，這些析出物顆粒對(duì)鈍化膜有危害，會(huì)破壞其均勻性，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降，影響鋼的耐腐蝕性能。在腐蝕性介質(zhì)中時(shí)，焊接接頭極易產(chǎn)生晶間腐蝕或者點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕。

黃志濤等認(rèn)為，在氯離子環(huán)境中，增加高純鐵素體不銹鋼Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可延遲M23C6（M為Fe、Cr和Mo）析出，提高其耐點(diǎn)蝕性；張恒華等研究發(fā)現(xiàn)，若在26Cr超純鐵素體不銹鋼中添加一定量的Mo元素，能使鈍化膜中Cr元素富集，使鈍化膜的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，從而提高材料的耐點(diǎn)蝕性能；童麗華等發(fā)現(xiàn)，超純鐵素體不銹鋼中加入Nb和Ti元素，可有效阻止不銹鋼中Cr的碳、氮化物析出，使其耐晶間腐蝕性增強(qiáng)；但其他的研究發(fā)現(xiàn)，15Cr超純鐵素體不銹鋼中，若Ti和N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)足夠高，易形成TiN，會(huì)加速點(diǎn)蝕的擴(kuò)展，反而對(duì)其耐腐蝕性能不利。

溫國(guó)軍等發(fā)現(xiàn)，430Ti鐵素體不銹鋼在475℃時(shí)效0～100h時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度會(huì)逐漸增加，α’相和α相增多，使耐腐蝕性能嚴(yán)重下降，其耐腐蝕性能如圖16所示。

圖16 430Ti鐵素體不銹鋼的耐腐蝕性能

綜上可得，超純鐵素體不銹鋼中，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，越容易產(chǎn)生析出相，致使鋼的耐腐蝕性能嚴(yán)重降低，而加入一定量的Nb、Ti和Mo元素會(huì)提高其耐腐蝕性能，但Ti元素形成的TiN對(duì)鋼的耐點(diǎn)蝕性能有不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本文對(duì)超純鐵素體不銹鋼的的σ相脆性、475℃脆性和高溫脆性的主要特征和影響因素進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

（1）超純鐵素體不銹鋼中σ相脆性的產(chǎn)生是由于富Cr和Mo元素的σ相和χ相析出；475℃脆性的產(chǎn)生是由于富Cr的α‘相析出；高溫脆性的產(chǎn)生是由于Cr的碳、氮化物的析出。

（2）超純鐵素體不銹鋼中合金元素、RE及時(shí)效處理對(duì)析出相有一定的影響，可一定程度上抑制σ相脆性、475℃脆性和高溫脆性的產(chǎn)生。具體影響如下。

① Cr、Mo含量增高時(shí)，會(huì)增加α’相、σ相、χ相和Laves相的析出量。在超純鐵素體不銹鋼中，以薄截面進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，加穩(wěn)定化元素能減輕或消除高溫脆性。熱處理時(shí)避開高溫區(qū)間，則不會(huì)出現(xiàn)高溫脆性；另外，添加Ti和Nb可推遲σ相的析出，從而減輕σ相脆性，但加入Ti和Nb會(huì)導(dǎo)致Laves相的產(chǎn)生，且Nb含量過高，易導(dǎo)致Laves相的粗化。

② RE的添加會(huì)減少σ相和Cr的碳、氮化物的析出，減輕σ相脆性和高溫脆性，提高鋼的力學(xué)性能和耐點(diǎn)蝕性能

③不同的時(shí)效處理對(duì)析出相有不同的影響，根據(jù)Cr含量的不同，析出相會(huì)有細(xì)微的差別。600～800℃時(shí)效，會(huì)有少量的σ相、χ相和Laves相析出，但600℃時(shí)效時(shí)，α‘相會(huì)重新溶解在基體中，475℃脆性隨之消失；850～950 ℃時(shí)效，會(huì)有大量σ相、χ相和Laves相析出；1000～1100℃時(shí)效時(shí)，σ相、χ相和Laves相的析出量明顯減少甚至消失，可通過1000℃以上時(shí)效處理消除σ相脆性。

（3）超純鐵素體不銹鋼由于α’相、σ相、χ相和Laves相等二次相析出，會(huì)造成其韌性、塑性的降低和強(qiáng)度、硬度的升高，并對(duì)其耐腐性能也有較大的影響；Laves相中若加有Si和W元素，會(huì)增強(qiáng)其高溫強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；另外，添加Cu元素，產(chǎn)生的富Cu相沉淀有助于提高鋼的韌性。

國(guó)內(nèi)Ni資源匱乏，一旦其過度消耗造成資源短缺，將會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)不銹鋼行業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而超純鐵素體不銹鋼作為“資源節(jié)約型”不銹鋼，具有高綜合性能和低綜合成本的優(yōu)勢(shì)，大力推廣低鎳少鎳的400系不銹鋼是國(guó)內(nèi)不銹鋼行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。現(xiàn)如今，超純鐵素體不銹鋼在汽車行業(yè)，家電領(lǐng)域和電梯行業(yè)等方面已逐步代替部分奧氏體不銹鋼，此外，在機(jī)場(chǎng)和體育場(chǎng)等大型建筑屋面的建造上也取得了階段性成功。超純鐵素體不銹鋼在未來(lái)國(guó)內(nèi)不銹鋼產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模會(huì)十分巨大，增長(zhǎng)前景廣闊。

今后，需要對(duì)超純鐵素體不銹鋼的脆性問題進(jìn)行重點(diǎn)研究，生產(chǎn)和使用過程中，需有效抑制σ相脆性、475℃脆性和高溫脆性的產(chǎn)生，這樣才能保證鋼材具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，趨利避害，發(fā)揮其“資源節(jié)約型”的優(yōu)勢(shì)，使超純鐵素體不銹鋼在不銹鋼行業(yè)中獲得更大的進(jìn)步和發(fā)展。

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