2507不锈钢

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时效时间对铸造2507双相不锈钢组织及性能影响

来源:至德钢业 日期:2021-05-04 12:46:40 人气:307

  浙江至德钢业有限公司对固溶态的铸造2507双相不锈钢材料在750℃下分别时效2、6及10小时,利用OM、SEM、拉伸试验和电化学试验分析了时效时间对材料金属间相形貌及数量、力学性能和耐蚀性能的影响.试验结果表明:固溶后的材料经750℃时效处理,随时效时间延长,金属间相的数量逐渐增多,χ相先由颗粒状逐渐长大为块状,然后又细化;σ相则随时效时间的延长逐渐粗化.析出的金属间相越多,材料抗拉强度、塑性及耐蚀性越低.点蚀优先在铁素体内及铁素体/奥氏体晶界上萌生,并向铁素体扩展,并且时效后材料腐蚀电流密度与时效时间呈现腐蚀 r=069125t+1432的线性关系.


  双相不锈钢不仅具有奥氏体不锈钢优良的韧性和可焊性,而且还具有铁素体不锈钢耐氯离子腐蚀和高强度等优点,从而广泛应用于军工、石油化工、造纸、化肥和海洋工程等领域。然而双相不锈钢在大型铸件凝固、焊接等过程中处于高温环境下,由于冷却速度较慢,长期置于600~1000℃温度范围内易于产生各种金属间相,从而影响材料的性能。σ相和χ相是双相不锈钢在使用过程中经常出现的金属间相.文献探讨了固溶态铸造2507双相不锈钢经650~950℃时效下金属间相的析出规律及演变过程,并且认为750℃时效时最易析出χ相和σ相;文献分析了σ相和χ相对材料力学及耐蚀性能的影响,但两文只探讨了时效温度对材料组织、力学性能及耐蚀性能的影响,没有讨论时效时间变化对它们的影响.基于此,在750℃时效温度下,对固溶处理的2507铸造双相不锈钢材料进行了不同时间的时效处理,探讨了时效时间对金属间相形貌、数量影响规律;检测了材料的力学及耐蚀性能,明确了时效时间-组织-性能之间的内在关联.


一、实验材料及方法


  试验用双相不锈钢的成分(质量分数,%)为:碳 0.028,硅 0.67,锰 0.78,磷 0.02,硫 0.01,镍 6.97,铬 25.54,钼 3.2,铜 0.61,钨 0.52,氮 0.26,铁为余量,在中频感应炉熔炼后,采用熔模铸造法浇铸试棒.试棒经(1250±5)℃固溶处理2h后水淬,然后加热至750℃,分别保温2,6及10h进行时效处理,处理后的试样空冷至室温.热处理后的试棒按GB228-2002加工成拉伸试棒,在GT-7001-LS30型万能材料试验机上进行拉伸性能测试,测定抗拉强度(σb)及延伸率(δ),每个参数测定3次,取算术平均值.金相试样直接从拉伸试棒上切取,试样经过研磨、抛光后,采用Villela试剂进行浸蚀,最后在OlympusXJP-300型光学显微镜上进行金相观察,并采用图像分析软件Imageproplus对析出相进行定量分析,根据浸蚀后组织颜色(灰度)不同来识别不同组织,并计算它们在视场中所占的比例(面积分数),每个试样取3个视场进行计算,取其平均值.材料的组织形貌及拉伸断口观察在XL30-ESEM环境扫描电镜上进行。采用CHI650C电化学工作站测定材料的极化曲线,从而判断材料的耐蚀性。腐蚀介质为人工海水,实验在室温敞口大气环境下进行,溶液未经除气处理,使用恒温水浴装置保持实验体系温度为(20±1)℃。极化曲线测试前,将试样在溶液中浸泡10分钟使开路电位(OCPT)稳定.测试的初始电位为-0.8V,以0.5mV·s-1的速度向阳极扫描至0.8V结束。


二、分析与讨论


  1. 时效时间对显微组织的影响


  图显示了固溶处理及固溶处理后经750℃分别时效2,6及10小时的铸造2507双相不锈钢显微组织.材料经固溶处理后,较为明亮的岛状相为奥氏体,而较暗的基体为铁素体,铁素体与奥氏体含量分别为71.0%和29.0%。材料固溶后经时效处理,铁素体/奥氏体晶界及铁素体出现黑色析出物(图中箭头所指),而奥氏体上无新相析出,并且随时效时间延长,黑色析出物含量增多.定量金相分析表明,时效时间为2,6及10小时,析出相含量分别为9.37%,24.22%及47.16%。


  由前期的研究可知,该材料在750℃时效析出相为χ相及σ相.从图可知,析出的χ相及σ相都分布在铁素体/奥氏体晶界和铁素体上,而奥氏体相基本没有变化.这是由于铁素体致密度比奥氏体低,合金元素在铁素体中扩散速度快,同时铁素体富含铬、钼元素,从而导致富铬、钼的χ相及σ相在铁素体及铁素体/奥氏体晶界中形核。图分别给出了经750℃时效2、6及10小时的试样的SEM像。由图可知,在750℃时效处理2小时,铁素体晶内及铁素体/奥氏体晶界上有弥散颗粒状的χ相析出.同时,在铁素体与奥氏体晶界上有共析的σ相+γ2(二次奥氏体)相产生,并且它们朝着向铁素体晶内生长;随时效时间延长到6小时,χ相颗粒变大,呈现出尖角状,并且数量有所增多,σ相继续向铁素体晶内生长并且粗化,而且此时在铁素体晶内也开始发生共析反应形成σ相+γ2相;时效10小时后,χ相颗粒又逐渐变小,并且尖角变圆整,共析反应则继续在铁素体内进行,新生σ相和γ2相在铁素体内相互交联,尺寸没有明显变化。


  2. 时效时间对拉伸性能影响


  图显示了在750℃下经不同时间时效处理试样的抗拉强度(σb)和延伸率(δ)。由图可知,随时效时间的延长,材料的抗拉强度和延伸率均下降。


  经不同时效时间处理后试样的拉伸断口如图所示,由图可知,时效处理后,材料断口形貌表明材料的断裂方式主要是脆性断裂.同时发现它们的断裂形貌还有一定的差别。材料经短时间时效处理,材料微观断口由比较平坦的小平面(解理面)及其周围所形成的大量高密度短而弯的撕裂棱所构成,解理面区域的边界比较清晰,撕裂棱的变形程度较小,因此可知裂纹在韧窝与解理平面上没有连续扩展.由于此时材料析出的金属间相为弥散χ相+铁素体/奥氏体晶界上的σ相,当材料受到拉应力作用时,脆性σ相阻碍α相和γ相的位错运动,易产生平面塞积群,从而造成位错运动困难,滑移距离变短,并且导致在σ相(在晶界处析出)附近产生诸多解理小裂纹;另外,由于平面塞积群会产生应力集中的作用,导致先期产生的解理小裂纹不断长大,并扩展到铁素体晶内,但由于弥散的χ相在一定程度上减轻了应力集中,因而断口呈准解理断口特征,最终其断口形貌表现为大量撕裂棱包围着剥离小平面.时效6小时后,拉伸断口解理平面急剧增大,撕裂棱减少。这是由于χ相晶粒粗化并形成尖角,反而起到割裂铁素体作用,同时不断向铁素体晶内生长的共析状σ相易促使裂纹在晶界及晶内快速扩展。力学性能测试结果也表明,此时材料的强度和塑性均大幅下降.当时效时间延长到10小时,可以观察到拉伸断口的撕裂棱的密度进一步增多,解理面大小不一,而且此时小解理面表现出的也是完全脆性断裂。这是因为这个阶段的σ相在铁素体上已相互交联成片,而且数量增多,它们能促使萌生后的裂纹迅速扩展,从而极大恶化材料性能虽然此时χ相颗粒变小且变圆整,但由于数量少,不处于主导地位,起不到有效提升材料力学性能的作用。


  3. 时效时间对耐蚀性能影响


  采用饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,通过电化学工作站测出材料电极电位(ESCE)和电流密度(J),分别以ESCE及lgJ(J')作图,可得材料在介质中极化曲线.750℃分别时效2、6和10小时材料在人工海水中的极化曲线如图5所示.从图中可以看出,时效材料自腐蚀电位在-0.3~-0.2V之间,并都具有钝化性能,其钝化电流密度约为0.32mA·cm-2左右,并且随着时效时间延长,极化曲线的钝化区逐渐变窄,表明随析出相数量增多,试样的腐蚀倾向增大.利用电化学工作站自带的软件对各试样的极化曲线进行拟合,求得各试样的腐蚀电流密度(J腐蚀),结果如图所示.对时效时间-腐蚀电流密度曲线进行线性回归,分析结果如式所示:腐蚀 =0.69125t+1.432R2=0.9992(1)式中:t为时效时间/h;J腐蚀为腐蚀电流密度/μA·cm-2.结果显示,在750℃时效,材料腐蚀电流密度(J腐蚀)即腐蚀速率与时效时间在一定的范围内具有近似线性关系。


  因此,随时效时间的延长,试样的腐蚀电流密度逐渐增大,耐蚀性下降.经2小时时效,由于材料析出的χ相和σ相数量少,因此腐蚀电流密度较小.随着时效时间延长,腐蚀电流密度增大,耐蚀性变差.这是由于材料析出了大量的金属间相,它们富含铬、钼元素,使合金元素在铁素体中分布不均匀,其内部易形成贫铬区,导致该区钝化膜减薄;同时,由于金属间相的电极电位高于铁素体,使得铁素体成为原电池反应的阴极,导致铁素体优先腐蚀。图为750℃下时效6小时样品的点蚀形貌。由图可知,腐蚀优先在铁素体内及铁素体/奥氏体晶界上萌生,并向铁素体内扩展,从而证实了上述结果。


三、结论


  1. 对固溶处理后的材料进行750℃时效,随时效时间延长,χ相由颗粒状逐渐变为尖角块状,然后再逐渐细化,而σ相在铁素体/奥氏体晶界上形核,向铁素体内生长,并逐渐粗化。


  2. 材料经750℃时效后,χ相和σ相的析出恶化了材料的强度和塑性,拉伸断口均表现为脆性断裂,并随时效时间延长,材料的抗拉强度和延伸率下降。


  3. 经时效处理后的材料,点蚀优先在铁素体内及铁素体/奥氏体晶界上萌生,并向铁素体扩展;随着时效时间延长,材料的耐蚀性下降,并且材料腐蚀电流密度与时效时间呈现J腐蚀=0.69125t+1.432的线性关系。


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