2507不銹鋼

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時效時間對鑄造2507雙相不銹鋼組織及性能影響

來源:至德鋼業 日期:2021-05-04 12:46:40 人氣:300

  浙江至德鋼業有限公司對固溶態的鑄造2507雙相不銹鋼材料在750℃下分別時效2、6及10小時,利用OM、SEM、拉伸試驗和電化學試驗分析了時效時間對材料金屬間相形貌及數量、力學性能和耐蝕性能的影響.試驗結果表明:固溶后的材料經750℃時效處理,隨時效時間延長,金屬間相的數量逐漸增多,χ相先由顆粒狀逐漸長大為塊狀,然后又細化;σ相則隨時效時間的延長逐漸粗化.析出的金屬間相越多,材料抗拉強度、塑性及耐蝕性越低.點蝕優先在鐵素體內及鐵素體/奧氏體晶界上萌生,并向鐵素體擴展,并且時效后材料腐蝕電流密度與時效時間呈現腐蝕 r=069125t+1432的線性關系.


  雙相不銹鋼不僅具有奧氏體不銹鋼優良的韌性和可焊性,而且還具有鐵素體不銹鋼耐氯離子腐蝕和高強度等優點,從而廣泛應用于軍工、石油化工、造紙、化肥和海洋工程等領域。然而雙相不銹鋼在大型鑄件凝固、焊接等過程中處于高溫環境下,由于冷卻速度較慢,長期置于600~1000℃溫度范圍內易于產生各種金屬間相,從而影響材料的性能。σ相和χ相是雙相不銹鋼在使用過程中經常出現的金屬間相.文獻探討了固溶態鑄造2507雙相不銹鋼經650~950℃時效下金屬間相的析出規律及演變過程,并且認為750℃時效時最易析出χ相和σ相;文獻分析了σ相和χ相對材料力學及耐蝕性能的影響,但兩文只探討了時效溫度對材料組織、力學性能及耐蝕性能的影響,沒有討論時效時間變化對它們的影響.基于此,在750℃時效溫度下,對固溶處理的2507鑄造雙相不銹鋼材料進行了不同時間的時效處理,探討了時效時間對金屬間相形貌、數量影響規律;檢測了材料的力學及耐蝕性能,明確了時效時間-組織-性能之間的內在關聯.


一、實驗材料及方法


  試驗用雙相不銹鋼的成分(質量分數,%)為:碳 0.028,硅 0.67,錳 0.78,磷 0.02,硫 0.01,鎳 6.97,鉻 25.54,鉬 3.2,銅 0.61,鎢 0.52,氮 0.26,鐵為余量,在中頻感應爐熔煉后,采用熔模鑄造法澆鑄試棒.試棒經(1250±5)℃固溶處理2h后水淬,然后加熱至750℃,分別保溫2,6及10h進行時效處理,處理后的試樣空冷至室溫.熱處理后的試棒按GB228-2002加工成拉伸試棒,在GT-7001-LS30型萬能材料試驗機上進行拉伸性能測試,測定抗拉強度(σb)及延伸率(δ),每個參數測定3次,取算術平均值.金相試樣直接從拉伸試棒上切取,試樣經過研磨、拋光后,采用Villela試劑進行浸蝕,最后在OlympusXJP-300型光學顯微鏡上進行金相觀察,并采用圖像分析軟件Imageproplus對析出相進行定量分析,根據浸蝕后組織顏色(灰度)不同來識別不同組織,并計算它們在視場中所占的比例(面積分數),每個試樣取3個視場進行計算,取其平均值.材料的組織形貌及拉伸斷口觀察在XL30-ESEM環境掃描電鏡上進行。采用CHI650C電化學工作站測定材料的極化曲線,從而判斷材料的耐蝕性。腐蝕介質為人工海水,實驗在室溫敞口大氣環境下進行,溶液未經除氣處理,使用恒溫水浴裝置保持實驗體系溫度為(20±1)℃。極化曲線測試前,將試樣在溶液中浸泡10分鐘使開路電位(OCPT)穩定.測試的初始電位為-0.8V,以0.5mV·s-1的速度向陽極掃描至0.8V結束。


二、分析與討論


  1. 時效時間對顯微組織的影響


  圖顯示了固溶處理及固溶處理后經750℃分別時效2,6及10小時的鑄造2507雙相不銹鋼顯微組織.材料經固溶處理后,較為明亮的島狀相為奧氏體,而較暗的基體為鐵素體,鐵素體與奧氏體含量分別為71.0%和29.0%。材料固溶后經時效處理,鐵素體/奧氏體晶界及鐵素體出現黑色析出物(圖中箭頭所指),而奧氏體上無新相析出,并且隨時效時間延長,黑色析出物含量增多.定量金相分析表明,時效時間為2,6及10小時,析出相含量分別為9.37%,24.22%及47.16%。


  由前期的研究可知,該材料在750℃時效析出相為χ相及σ相.從圖可知,析出的χ相及σ相都分布在鐵素體/奧氏體晶界和鐵素體上,而奧氏體相基本沒有變化.這是由于鐵素體致密度比奧氏體低,合金元素在鐵素體中擴散速度快,同時鐵素體富含鉻、鉬元素,從而導致富鉻、鉬的χ相及σ相在鐵素體及鐵素體/奧氏體晶界中形核。圖分別給出了經750℃時效2、6及10小時的試樣的SEM像。由圖可知,在750℃時效處理2小時,鐵素體晶內及鐵素體/奧氏體晶界上有彌散顆粒狀的χ相析出.同時,在鐵素體與奧氏體晶界上有共析的σ相+γ2(二次奧氏體)相產生,并且它們朝著向鐵素體晶內生長;隨時效時間延長到6小時,χ相顆粒變大,呈現出尖角狀,并且數量有所增多,σ相繼續向鐵素體晶內生長并且粗化,而且此時在鐵素體晶內也開始發生共析反應形成σ相+γ2相;時效10小時后,χ相顆粒又逐漸變小,并且尖角變圓整,共析反應則繼續在鐵素體內進行,新生σ相和γ2相在鐵素體內相互交聯,尺寸沒有明顯變化。


  2. 時效時間對拉伸性能影響


  圖顯示了在750℃下經不同時間時效處理試樣的抗拉強度(σb)和延伸率(δ)。由圖可知,隨時效時間的延長,材料的抗拉強度和延伸率均下降。


  經不同時效時間處理后試樣的拉伸斷口如圖所示,由圖可知,時效處理后,材料斷口形貌表明材料的斷裂方式主要是脆性斷裂.同時發現它們的斷裂形貌還有一定的差別。材料經短時間時效處理,材料微觀斷口由比較平坦的小平面(解理面)及其周圍所形成的大量高密度短而彎的撕裂棱所構成,解理面區域的邊界比較清晰,撕裂棱的變形程度較小,因此可知裂紋在韌窩與解理平面上沒有連續擴展.由于此時材料析出的金屬間相為彌散χ相+鐵素體/奧氏體晶界上的σ相,當材料受到拉應力作用時,脆性σ相阻礙α相和γ相的位錯運動,易產生平面塞積群,從而造成位錯運動困難,滑移距離變短,并且導致在σ相(在晶界處析出)附近產生諸多解理小裂紋;另外,由于平面塞積群會產生應力集中的作用,導致先期產生的解理小裂紋不斷長大,并擴展到鐵素體晶內,但由于彌散的χ相在一定程度上減輕了應力集中,因而斷口呈準解理斷口特征,最終其斷口形貌表現為大量撕裂棱包圍著剝離小平面.時效6小時后,拉伸斷口解理平面急劇增大,撕裂棱減少。這是由于χ相晶粒粗化并形成尖角,反而起到割裂鐵素體作用,同時不斷向鐵素體晶內生長的共析狀σ相易促使裂紋在晶界及晶內快速擴展。力學性能測試結果也表明,此時材料的強度和塑性均大幅下降.當時效時間延長到10小時,可以觀察到拉伸斷口的撕裂棱的密度進一步增多,解理面大小不一,而且此時小解理面表現出的也是完全脆性斷裂。這是因為這個階段的σ相在鐵素體上已相互交聯成片,而且數量增多,它們能促使萌生后的裂紋迅速擴展,從而極大惡化材料性能雖然此時χ相顆粒變小且變圓整,但由于數量少,不處于主導地位,起不到有效提升材料力學性能的作用。


  3. 時效時間對耐蝕性能影響


  采用飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極,通過電化學工作站測出材料電極電位(ESCE)和電流密度(J),分別以ESCE及lgJ(J')作圖,可得材料在介質中極化曲線.750℃分別時效2、6和10小時材料在人工海水中的極化曲線如圖5所示.從圖中可以看出,時效材料自腐蝕電位在-0.3~-0.2V之間,并都具有鈍化性能,其鈍化電流密度約為0.32mA·cm-2左右,并且隨著時效時間延長,極化曲線的鈍化區逐漸變窄,表明隨析出相數量增多,試樣的腐蝕傾向增大.利用電化學工作站自帶的軟件對各試樣的極化曲線進行擬合,求得各試樣的腐蝕電流密度(J腐蝕),結果如圖所示.對時效時間-腐蝕電流密度曲線進行線性回歸,分析結果如式所示:腐蝕 =0.69125t+1.432R2=0.9992(1)式中:t為時效時間/h;J腐蝕為腐蝕電流密度/μA·cm-2.結果顯示,在750℃時效,材料腐蝕電流密度(J腐蝕)即腐蝕速率與時效時間在一定的范圍內具有近似線性關系。


  因此,隨時效時間的延長,試樣的腐蝕電流密度逐漸增大,耐蝕性下降.經2小時時效,由于材料析出的χ相和σ相數量少,因此腐蝕電流密度較?。S著時效時間延長,腐蝕電流密度增大,耐蝕性變差.這是由于材料析出了大量的金屬間相,它們富含鉻、鉬元素,使合金元素在鐵素體中分布不均勻,其內部易形成貧鉻區,導致該區鈍化膜減??;同時,由于金屬間相的電極電位高于鐵素體,使得鐵素體成為原電池反應的陰極,導致鐵素體優先腐蝕。圖為750℃下時效6小時樣品的點蝕形貌。由圖可知,腐蝕優先在鐵素體內及鐵素體/奧氏體晶界上萌生,并向鐵素體內擴展,從而證實了上述結果。


三、結論


  1. 對固溶處理后的材料進行750℃時效,隨時效時間延長,χ相由顆粒狀逐漸變為尖角塊狀,然后再逐漸細化,而σ相在鐵素體/奧氏體晶界上形核,向鐵素體內生長,并逐漸粗化。


  2. 材料經750℃時效后,χ相和σ相的析出惡化了材料的強度和塑性,拉伸斷口均表現為脆性斷裂,并隨時效時間延長,材料的抗拉強度和延伸率下降。


  3. 經時效處理后的材料,點蝕優先在鐵素體內及鐵素體/奧氏體晶界上萌生,并向鐵素體擴展;隨著時效時間延長,材料的耐蝕性下降,并且材料腐蝕電流密度與時效時間呈現J腐蝕=0.69125t+1.432的線性關系。


本文標簽:2507雙相不銹鋼 

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