双相不锈钢的显微组织特征

 与纯奥氏体不锈钢和纯铁素体不锈钢不同，双相不锈钢在加热和冷却的过程中，除铁素体和奥氏体两相数量的变化外，还会产生组织转变，从而出现二次奥氏体γ2、碳化物、氮化物以及金属间化合物，例如，σ相、χ相、α′相、R相、π相和Fe3Cr3Mo2Si2相等，它们对双相不锈钢的组织和性能具有重要的影响。

一、二次奥氏体

  在双相不锈钢中，铁素体α和奥氏体γ两相比例随加热温度升高而变化，铁素体数量增多，奥氏体数量减少，一般当加热温度超过1300℃时，一些双相不锈钢可以出现单相铁素体组织。例如，U50(00Cr21Ni7Mo2CuN)双相不锈钢的γ相溶解曲线在1350∼1375℃之间。在1375℃加热时，U50双相不锈钢会出现单一的晶粒粗大的铁素体组织，但是，这一铁素体是不稳定的，在随后的冷却过程中，如水冷时，在铁素体晶界会出现由铁素体转变生成的奥氏体，而在空冷时，生成的奥氏体则呈板条状魏氏组织形貌。

 双相不锈钢中呈现单相铁素体组织后，若在低于出现单相铁素体组织的温度下进行等温时效，则钢中会重新析出奥氏体，为区别组织中原有的奥氏体组织，即命名为二次奥氏体γ2。二次奥氏体形成机制随形成温度的不同而不同，它的形成的位置和形貌与铁素体相内及其周围的化学成分、邻近区的扩散途径有关，形核位置的不同也会影响二次奥氏体形貌的不同。

 在双相不锈钢中，从铁素体相中析出的二次奥氏体有三种不同的机制：魏氏组织型的析出；马氏体型切变转变；共析反应α→σ+γ2。由电子探针测得γ2中Cr含量比γ低3%左右，且热力学计算也表明γ2贫Cr，因此，γ2的耐蚀性较γ差。

二、碳化物和氮化物

 1. M₇C₃和M₂₃C₆型碳化物

  双相不锈钢在低于1050℃加热时，沿铁素体和奥氏体的相界即有碳化物析出，因为，在双相不锈钢中，奥氏体中的含碳量较高，即碳是奥氏体形成元素，而铁素体中含铬量较高，即铬为铁素体形成元素，因此，碳化物析出的有利位置是两相相界。在含碳量较高(C≥0.03%)的双相不锈钢中，在较高的温度范围如950~1050℃等温时效时，会沿α/γ相界析出的是M₇C₃型碳化物，快冷通过这一温度区域，例如对U50钢10分钟之内快速冷却即可抑制此类碳化物的析出。

 双相不锈钢在低于950℃加热时析出的是M₂₃C₆型碳化物，析出速度往往很快，如U50钢在800℃时效时，M₂₃C₆型碳化物在1分钟之内即可析出，并且通过快速冷却也很难避免这种碳化物的析出，M₂₃C₆首先在α/γ相界析出，在α/α和γ/γ晶界也有，但在铁素体和奥氏体的晶内却很少发现。当M₂₃C₆长大时，由于要消耗相邻铁素体区的铬量，于是，这部分铁素体即转变为二次奥氏体，从而出现M₂₃C₆和γ2的聚集区。然而，双相不锈钢相界碳化物的析出并不像对奥氏体不锈钢那样带来大的危害，尤其是对耐晶间腐蚀性能的影响不大，在含C量低于0.03%的超低碳双相不锈钢中，碳化物的析出量很少，甚至不能分布到所有的相界上。

 2. Cr2N和CrN型氮化物

 在双相不锈钢中，随着含氮量(作为合金元素)的增加，尤其对近代发展的含氮超级双相不锈钢而言，研究氮化物的析出显得十分必要，因为它对双相不锈钢的组织和性能有一定的影响。00Cr25Ni5Μο3Ν钢经高温固溶处理后，由于铁素体中氮的溶解度低，呈过饱和状态，快速冷却时会导致Cr₂Ν在铁素体晶界和晶内析出，且随着固溶温度的升高，析出数量增多。Cr₂Ν往往与γ2是伴生的，氮化物周围贫Cr区促进了二次奥氏体的形成，从而对钢的耐腐蚀性能产生一定的影响。Cr₂Ν是氮化物的主要析出形式。此外，在双相不锈钢中还会析出一种立方晶系的CrΝ型氮化物，这种氮化物的析出很少见，一般对钢的韧性和耐蚀性能没有显著影响。

三、金属间相

  双相不锈钢中除化学成分和相比例会影响性能外，金属间相的析出也会对钢的性能有显著的影响。双相不锈钢中金属间相主要有σ相、χ相、α′相、R相、π相和Fe3Cr3Mo2Si2相等。这些相都属于脆性相，会影响钢的力学性能和耐腐蚀性能，所以，需要尽量避免它们的析出。

 1. σ相

  σ相是双相不锈钢中危害性最大的一种析出相，它硬且脆，可显著地降低钢的塑性和韧性；又由于它富铬，因而在其周围往往出现贫铬区或由于它本身析出而使钢的耐腐蚀性能降低。双相不锈钢中由于含有镍、钼等元素，使得σ相的析出温度高于950℃，为了避免σ相得析出，双相不锈钢经固溶处理后要求快速冷却。

 2. χ相

  在双相不锈钢中，χ相一般在700～900℃ 温度范围内首先沿铁素体晶界及铁素体-奥氏体相界析出，通常析出的数量要比σ相少很多；与σ相相比，它在较低的温度和较窄的温度范围内存在。χ相同样对韧性和耐蚀性能有不利的影响，但因它常与σ相共存，很难区分他们的各自的影响，又因它占的比例较少，显得不如σ相那么重要，但也不容忽视。

 3. α′相

 双相不锈钢在400～500℃温度范围内长期时效会析出此相，此相发生在铁素体内，现已研究确定，导致475℃脆性的原因与α′相有关。近期多数研究者认为，铁素体在一定温度范围内按照Spinodal分解机制发生两相分离，形成富铬和富铁的亚微观尺度的原子偏聚区，即α′和α相。

 4. R相

  00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢在550～750℃温度范围内析出此相，它是含钼量较高的一种金属间相，化学式为Fe₂Mo。

 5. p相

  与R相相同，在铁素体晶粒内析出，含有较高的铬和钼，是一种氮化物。

 6. Fe3Cr3Mo2Si2相

  在冷却过程中，在00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢中发现了一种片状金属间相—— Fe3Cr3Mo2Si2相，它的析出温度范围为450～750℃，往往在α/γ相界及α晶界、亚晶界上析出，有时也会以细针状在晶内诞生，并且常常也会与在晶界上析出的Fe2.4Cr1.3MoSi相共存，600℃为此相的析出峰，700℃显著减少，750℃以上消失。此金属间相不易长大，550℃ 5 小时时效时，其厚度小于20nm，至650℃ 50小时时效，也仅增厚至50nm左右。