S22053雙相不銹鋼低溫沖擊性能不合分析

鐘莉莉，王勇，孫殿東，王爽，顏秉宇

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

雙相不銹鋼的性能，尤其是其塑韌性及耐腐蝕性能與兩相平衡比例和有害相控制有著密切的關(guān)系，而相構(gòu)成與相比例主要決定于鋼的化學(xué)成分和固溶處理工藝。S22053鐵素體和奧氏體雙相不銹鋼因兼具鐵素體與奧氏體不銹鋼兩者共存特點(diǎn)，具備優(yōu)良的綜合力學(xué)性能尤其是良好的抗HS力學(xué)性能和耐腐蝕性能，使其在化工、海洋、天然氣等重要工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鞍鋼股份有限公司厚板廠生產(chǎn)S22053雙相不銹鋼出現(xiàn)了部分產(chǎn)品低溫沖擊韌性不合格現(xiàn)象，對生產(chǎn)和銷售造成很大影響和經(jīng)濟(jì)損失。本文對不同厚度低溫沖擊不合的試樣進(jìn)行了相關(guān)檢驗(yàn)分析，以找出S22053鋼板低溫沖擊韌性不合格的原因。對鞍鋼提高雙相不銹鋼市場占有率提供技術(shù)支撐，也為今后開發(fā)更高級別的不銹鋼提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原料及性能

為了找出S22053雙相不銹鋼低溫沖擊韌性不合格的原因，實(shí)驗(yàn)以在相同軋制和固溶處理工藝下的S22053鋼板為研究對象。根據(jù)鋼板追蹤板坯號(hào)，選取A鋼種為低溫沖擊（-40℃）性能合格鋼板，試樣編號(hào)為1、2；選取B鋼種為低溫沖擊（-40℃）性能不合格鋼板，試樣編號(hào)為3、4。S22053鋼板化學(xué)成分和沖擊性能分別如表1、表2所示。

表1 S22053鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Composition in S22053 Steel Sheet（Mass Fraction） %

表2 S22053鋼板沖擊性能Table 2 Impact Toughness of S22053 Steel Sheet

2 檢驗(yàn)分析

采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和電子背散射衍射儀（EBSD）等設(shè)備，分別對鋼板進(jìn)行斷口形貌、顯微組織、夾雜物和EBSD分析。

2.1 斷口形貌

取低溫沖擊合格（1）與不合格斷口試樣（3），在ZEISS EVO25掃描電鏡下觀察沖擊試驗(yàn)試樣的沖擊斷口。斷口形貌如圖1所示。在較高倍數(shù)下觀察，低溫沖擊合格的斷口微觀形貌呈韌窩狀，屬于韌性斷裂；低溫沖擊不合格的斷口微觀呈現(xiàn)河流花樣，屬于解理脆性斷裂。

圖1 沖擊斷口形貌Fig.1 Impact Fracture Appearance

2.2 顯微組織

利用ZEISS Obsever3型光學(xué)顯微鏡 （OM）觀察兩種鋼樣的微觀組織。圖2為S22053雙相不銹鋼樣品的顯微組織，由圖可知，其組織為奧氏體和鐵素體，組織中淺色為奧氏體（γ相），深色為鐵素體（α相），雙相鋼中的α相和γ相呈條帶分布，條帶平行于軋制方向。

圖2 典型試樣的金相組織Fig.2 Metallographic Structure of Typical Specimens

2.3 形變組織的EBSD

利用安裝在 ZEISS SUPRA 55場發(fā)射掃描電鏡上的EBSD系統(tǒng)研究奧氏體和鐵素體雙相組織特征，采用HKL Channel 5軟件進(jìn)行后處理表征。圖3為EBSD法得到不同成分、不同沖擊值的雙相不銹鋼的彩色組織分布圖，圖中淺色部分表示具有體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)的鐵素體，深色部分表示具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的奧氏體。兩相所占比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，低溫沖擊性能合格和不合格的試樣α和γ兩相比例接近。

表3 兩相所占比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical Results of Percentage of Two-phase Microstructure

圖3 EBSD彩色組織圖Fig.3 Color Metallograph Histogram by EBSD

2.4 夾雜物分析

S22053雙相不銹鋼中低溫沖擊合格的試樣（1、2）中檢測的夾雜物均為 C 類 0.5，D 類 0.5，如圖4所示。低溫沖擊不合格的試樣（3、4）中夾雜物成分分析見圖5，3、4試樣中檢測到了大量彌散分布的夾雜物，分布如圖5所示。可以看出夾雜物尺寸較小（均小于2.5 μm），以氮化鋁為主。

圖4 低溫沖擊合格的試樣中的夾雜物Fig.4 Inclusions in Test Samples with Qualified Low Temperature Impact Toughness

圖5 低溫沖擊不合格的試樣中夾雜物成分分析Fig.5 Analysis on Compositions in Inclusions in Test Samples with Disqualified Low Temperature Impact

3 分析討論

EBSD結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，2試樣（鋼種A）α相所占比例為 44.98%，γ相所占比例為55.02%；3試樣（鋼種B）的α相所占比例為55.83%，γ相所占比例為48.24%。兩個(gè)不同成分的試樣比較，鋼種B中α相比例略高于γ相。在雙相不銹鋼中腐蝕處理時(shí)，奧氏體晶界耐腐蝕性較好，同時(shí)奧氏體能降低高Cr鐵素體鋼的脆性和晶體長大的傾向性。因此，在既要求有較高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，又有良好的耐腐蝕的雙相不銹鋼中，在兩相組織控制時(shí)不希望有較多的鐵素體（α相）。

氮元素是能促進(jìn)奧氏體的形成并使奧氏體區(qū)擴(kuò)大的元素，在鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼中加入適量的氮可以調(diào)整兩相比例，增大奧氏體相尺寸，降低施加Ni所帶來的高成本。而且氮固溶于奧氏體中，起到固溶強(qiáng)化作用的同時(shí)，提高了奧氏體相的耐點(diǎn)蝕能力，進(jìn)而防止以點(diǎn)蝕為起源的應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐蝕性能。

鋼種A中鋁元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼種B，氮元素與鋁元素以夾雜物形式析出數(shù)量較少，表明了氮元素是以間隙—置換的形式進(jìn)入了基體，在雙相不銹鋼中產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化的效果。而鋼種B中較高的鋁元素與氮元素形成了大量細(xì)小、彌散的氮化鋁，這些氮化鋁以夾雜物形式在鋼中存在，一方面增加了裂紋敏感性，降低了鋼的沖擊韌性；另一方面減低了鋼中固溶氮含量，不僅弱化了氮元素的有益作用，也導(dǎo)致奧氏體含量降低。

4 結(jié)論

采用金相顯微鏡、掃描電鏡和EBSD等手段對S22053雙相不銹鋼板沖擊不合試樣的斷口形貌、夾雜物和組織等進(jìn)行檢測分析。結(jié)果表明，S22053雙相不銹鋼板-40℃沖擊性能不合格的主要原因是：

（1）鋼種B中較高的鋁元素含量與擴(kuò)大奧氏體區(qū)的氮元素在鋼板中形成了AlN夾雜物。彌散的AlN夾雜割裂了鋼基體連續(xù)性，嚴(yán)重降低了鋼的塑性和韌性，因此冶煉時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中鋁元素含量。

（2）各試樣的顯微組織均為正常的奧氏體+鐵素體，但沖擊不合格試樣的鐵素體含量偏高。生產(chǎn)雙相不銹鋼時(shí)應(yīng)盡量使兩相含量均衡或奧氏體含量略多，才能既保證雙相不銹鋼高強(qiáng)度韌性又具有良好的抗腐蝕性能。