雙相不銹鋼2205線材拉拔斷裂原因分析

李貴波，馬正偉

（1 青島浦友精密金屬有限公司，山東 青島 266555；2 山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414）

1 前言

雙相不銹鋼2205 組織中奧氏體與鐵素體的體積比約為1∶1，因而兼?zhèn)淞藠W氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于海洋運(yùn)輸和石油化工等領(lǐng)域［1-3］。與其他類型不銹鋼相比，雙相不銹鋼2205 在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生各種金屬間化合物，如σ 相、氮化物等。已有研究表明［4］，這些析出相將嚴(yán)重影響不銹鋼的塑性、韌性和耐腐蝕性能，從而影響材料加工的成材率和合格率，降低了工件的使用壽命。本文通過(guò)分析雙相不銹鋼2205 線材拉拔斷裂，找到斷裂原因，為改善材料的加工性能提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 斷口宏觀形貌觀察及樣品信息搜集

原材料規(guī)格為Φ5.5 mm，圖1a為加工后兩個(gè)規(guī)格的斷裂樣品，分別為Φ3.65 mm、Φ2.65 mm，根據(jù)變形量計(jì)算公式（πR2-πr2）/πR2×100%，得出這兩種規(guī)格的材料冷拔變形量分別為55.96%、76.79%。現(xiàn)場(chǎng)拉拔道次與變形量如下：Φ5.5 mm→Φ4.5 mm→Φ3.65 mm→Φ3.3 mm→Φ2.65 mm→Φ2.5 mm。圖1b 中斷口形貌所示斷口顏色呈銀灰狀，表面部分與中心呈臺(tái)階狀，有兩個(gè)臺(tái)階的則表面部分對(duì)稱高出，此時(shí)中心部位是平的，而非像抽出筆尖形成的凹坑狀。

圖1 宏觀形貌圖片

2.2 化學(xué)成分分析

截取試樣，磨平后在SPECTROLAB M10 型光電直讀光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，測(cè)量值符合控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，Cr、Mo含量偏控制標(biāo)準(zhǔn)的上限。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.3 金相分析

制作標(biāo)準(zhǔn)金相試樣在Axio Imager Aim 型金相顯微鏡下觀察微觀組織形貌。試樣的制備、試樣研磨、試樣的浸蝕、顯微組織檢驗(yàn)、顯微照相，參照GB/T 13298—91《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。

2.3.1 夾雜物分析

圖2 所示鋼中夾雜物C 類0.5 級(jí)，數(shù)量極少，沒(méi)有其他類型夾雜物存在。

圖2 夾雜物形貌100×

2.3.2 組織形貌

通過(guò)圖3 可以看出組織為A+F，相比例在50%左右，兩相組織在縱向均呈拉長(zhǎng)狀態(tài)，橫向顯示在兩相的相界上有大量黑色物質(zhì)聚集，縱向顯示黑色物質(zhì)大多數(shù)在奧氏體上。

圖3 組織形貌

2.4 掃描電鏡（SEM）分析

取斷口在蔡司EVO-18 掃描電鏡下觀察斷口形貌，并采用能譜儀做微區(qū)化學(xué)成分。通過(guò)圖4和圖5可以看出，斷口處有大量韌窩存在且部分韌窩有撕裂的痕跡，同時(shí)韌窩的底部和周圍沒(méi)有非金屬夾雜物等。圖6和圖7顯示橫截面沿著相界的黑點(diǎn)和縱向在奧氏體上的大量聚集的黑色物質(zhì)在SEM下有的已經(jīng)被腐蝕劑腐蝕掉，有些仍在界面處，這些黑色物質(zhì)的成分見(jiàn)圖7 的譜圖1，黑色物質(zhì)為2205不銹鋼在一定的溫度和環(huán)境下析出的Fe-Cr-Mo的金屬間化合物。

圖4 斷口形貌

圖5 斷口撕裂SEM形貌

圖6 黑點(diǎn)處SEM形貌

圖7 能譜成分

2.5 熱處理后金相組織和掃描電鏡分析

取樣品進(jìn)行1 100 ℃+10 min的固溶處理后，做金相組織分析和掃描電鏡分析。通過(guò)圖8和圖9可以看出，經(jīng)過(guò)固溶處理后，金相組織和SEM 分析均未發(fā)現(xiàn)原來(lái)的黑色物質(zhì)，在SEM下看到鐵素體和奧氏體晶界分明的棱線，說(shuō)明經(jīng)過(guò)固溶處理后，F(xiàn)e-Cr-Mo金屬間化合物已經(jīng)分解。

圖8 組織形貌

圖9 SEM形貌

3 討論

（1）通過(guò)化學(xué)成分分析，測(cè)量值符合控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，Cr、Mo 含量偏控制標(biāo)準(zhǔn)的上限，這樣更容易形成金屬間化合物。

（2）通過(guò)金相分析和斷口的掃描電鏡分析，可以確定拉拔后在材料內(nèi)部形成沿著A-F相界撕裂，從斷口的宏觀分析看，這種斷裂屬于韌性斷裂。

（3）根據(jù)金相和能譜結(jié)果表明，斷裂樣品組織中存在金屬間化合物為Fe-Cr-Mo 脆性化合物，該化合物嚴(yán)重影響材料的塑性和韌性，材料的塑性和韌性急劇下降從而導(dǎo)致開(kāi)裂。

（4）對(duì)拉拔后樣品進(jìn)行固溶處理后，金相組織和SEM 分析均未發(fā)現(xiàn)黑點(diǎn)相，金屬間化合物消失，說(shuō)明可以通過(guò)熱處理來(lái)解決拉拔斷裂的問(wèn)題。

（5）雙相不銹鋼2205 在250～1 000 ℃溫度范圍內(nèi)等溫時(shí)效或不正確熱處理以及加工過(guò)程中不正確冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)二次相（富鉻富鉬的脆性相），該物質(zhì)的存在容易導(dǎo)致材料開(kāi)裂；另外，雙相不銹鋼2205較高的屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的2倍，冷加工及冷成型性能較奧氏體不銹鋼差許多，加工硬化速率大，一般深沖、深拉、旋壓等要比奧氏體不銹鋼困難，易冷作硬化，一般冷變形超過(guò)20%，需要考慮固溶退火處理。

4 結(jié)語(yǔ)

雙相不銹鋼2205 線材熱軋后，冷卻過(guò)程中產(chǎn)生Fe-Cr-Mo 脆性金屬間化合物，冷加工前沒(méi)有進(jìn)行固溶處理使金屬間化合物固溶到基體中，從而導(dǎo)致材料的塑性降低，在冷拔力的作用下產(chǎn)生斷裂。