, 姜周华1, 范光伟21.东北大学 材料科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2.山西太钢不锈钢股份有限公司, 山西 太原 030003
收稿日期: 2015-06-08
基金项目: 国家科技支撑计划项目(2012BAE04B01)； 2011计划钢铁共性技术协同创新资助项目； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N140206001).
作者简介: 吴天海(1988-)，男，安徽宣城人，东北大学博士研究生;
刘春明(1961-)，男，陕西渭南人，东北大学教授，博士生导师。
摘要: 首先对2205 DSS进行了1 100 ℃固溶处理，随后将试样分别在650，700，750，800，850和900 ℃下进行不同时间的时效处理，探究2205 DSS中σ相的析出规律及其对材料组织和力学性能的影响.研究结果表明：2205 DSS中σ相的析出分为有碳化物伴随和无碳化物伴随两种方式，前者发生在α-γ相界上，后者则主要发生在α相的晶内和晶界；2205 DSS在850℃时效时σ相的析出行为最严重；在析出σ相后，合金元素Cr和Mo在各相中会发生不同程度的偏聚；2205 DSS中析出少量的σ相对材料的塑性影响不大，但会显著降低材料的冲击韧性，而σ相的大量析出则会使两者均发生严重恶化；σ相的析出对材料的屈服强度影响不大，对材料的抗拉强度有略微的提高作用.
关键词：2205双相不锈钢时效σ相显微组织力学性能
Influence of Ageing Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of 2205 Duplex Stainless Steel
WU Tian-hai1, LIU Chun-ming1
, JIANG Zhou-hua1, FAN Guang-wei21.School of Materials Science&Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2.Shanxi Taigang Stainless Steel Co., Ltd., Taiyuan 030003, China
Corresponding author: LIU Chun-ming, E-mail: cmliu@mail.neu.edu.cn
Abstract: 2205 DSS(duplex stainless steel)were solution treated at 1 100 ℃ followed by aging at 650~900 ℃ for different time to study the precipitation of σ phase and its influence on microstructures and properties. The results showed that σ phase precipitates in two different ways, one is the precipitation at phase boundaries accompanied by carbides; the other is the precipitation in the ferrite grains or at the ferrite grain boundaries without accompanied carbides. The precipitation of σ phase is the most serious when aged at 850 ℃. After the precipitation, the segregation of alloying elements Cr and Mo in different phases occurs in different degrees. Small amounts of σ phase have little effect on ductility, but reduce impact toughness significantly. Large amounts of σ phase can reduce both ductility and impact toughness severely. The precipitation of σ phase has little effect on yield strength, and can improve tensile strength slightly.
Key Words: 2205 DSS(duplex stainless steel)ageingσ phasemicrostructuremechanical property
双相不锈钢(DSS)α+γ两相组织的特点，使其兼有奥氏体不锈钢所具有的优良韧性、焊接性以及铁素体不锈钢所具有的高强度、耐氯化物应力腐蚀性能[1-3].DSS优良的力学性能和耐蚀性能使其在船舶、化学品运输以及石油管道运输领域应用日益广泛[4-5].然而，不适当的热处理和热加工工艺会对DSS的组织及性能产生严重的影响[6-7].例如，DSS在650~900 ℃停留时间较长时，材料的显微组织中会析出富Cr和Mo的金属间相σ相及碳化物，这些相的析出会导致材料发生脆化，降低材料的耐蚀性能[8-10].因此，研究2205 DSS在时效过程中σ相的析出规律及其对材料组织和性能的影响，具有重要的意义.
1 实验材料和实验方法本次研究采用的材料为太原钢铁集团生产的厚度为14 mm的热轧态2205 DSS板材，其化学成分(w/%)为：Cr 22.54，Ni 5.53，Mo 3.14，Mn 1.18，N 0.162，C 0.019，Si 0.496，P 0.022，S 0.001，余量为Fe.
首先对2205 DSS进行1 100 ℃×30 min的固溶处理，然后将固溶处理后的试样分别在650~900 ℃进行不同时间的时效处理.利用JSM - 6510A扫描电子显微镜(SEM)、TECNAI G2 20透射电子显微镜(TEM)、X’ Pert Pro型X射线衍射仪等设备对时效处理后的试样进行显微组织观察与分析，并对试样进行拉伸和冲击性能测试，以研究时效工艺对2205 DSS显微组织及力学性能的影响.
2 结果与分析2.1 时效工艺对2205 DSS显微组织的影响在650~900 ℃时效30 min后，材料的显微组织如图 1所示.时效温度低于750 ℃时，在α相、γ相和α-γ的相界上均未发现第二相的存在；当时效温度为750 ℃时，在α-γ相界上开始有析出相析出；在750~900 ℃范围内，随着时效温度的升高，析出相的数量逐渐增多，尺寸逐渐增大.析出相的位置随着时效温度的升高也发生了变化：750 ℃时，只能在α-γ相界上观察到析出；当时效温度达到800 ℃以上时，铁素体的晶界上开始有析出相形成.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 不同温度时效30 min试样显微组织的 SEM照片Fig.1 SEM photos of DSS aged for 30 min at different temperatures (a)—650 ℃； (b)—700 ℃; (c)—750 ℃； (d)—800 ℃; (e)—850 ℃； (f)—900 ℃. |
在TEM下对850 ℃时效30 min后的试样进行进一步观察，发现在α-γ相界上不仅形成了大量的σ相，部分位置还析出了与基体具有共格关系的碳化物M23C6.图 2为850 ℃时效30 min后试样中碳化物在TEM下的明场像和选取衍射花样 (晶带轴[1 1 1]γ).碳化物与γ相具有立方-立方取向关系(如图 2b所示).碳化物在α-γ相界上析出是由于γ相中C元素含量高于α相，而α相中的Cr，Mo元素含量高，且合金元素在相界处的扩散速率比晶内快得多，因此相界成为碳化物优先形核析出的位置.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 850 ℃时效30 min试样的透射电镜照片Fig.2 TEM photos of DSS aged for 30 min at 850 ℃ (a)—明场像； (b)—D点与基体的衍射斑点. |
在SEM下可以观察到，σ相的析出大都发生在α-γ相界上.然而在TEM下观察到，在一些长的平直α-γ相界上并没有σ相析出.图 3为750 ℃时效120 min后，在TEM下观察到的阶梯状α-γ相界.阶梯状界面两侧的α相和γ相具有K-S取向关系：
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 750 ℃时效120 min试样中的阶梯状界面Fig.3 Stair-like interface of DSS aged for 120 min at 750 ℃ |
(111)γ//(110)α，[101]γ//[111]α .
在这种共格界面上很难发现有σ相的析出，这与σ相的形核析出阻力有关.σ相的析出是一种形核长大的过程，主要受热力学形核驱动力和扩散两个因素的影响.σ相在共格的界面上形核的阻力大，因此在这样的界面上很难形核析出.
图 4为2205 DSS在不同温度下，时效240 min后的SEM照片.750 ℃时效240 min后，析出了大量的σ相，但是σ相没有发生剧烈的长大.当时效温度高于800 ℃时，σ相不仅发生了大量的析出，随着温度的升高，σ相的长大现象也越来越明显.从图 4b中可以明显地看到，奥氏体A与奥氏体B之间原有的铁素体相大都已经被σ相和γ2相(二次奥氏体)所吞并.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同温度时效240 min试样显微组织的SEM照片Fig.4 SEM photos of DSS aged for 240 min at different temperatures (a)—750 ℃； (b)—800 ℃; (c)—850 ℃； (d)—900 ℃. |
在扫描电镜下利用EDS对图 4c中A，B，C和D (依次为γ相，σ相，γ2相和α相) 四处的成分进行分析，结果如表 1所示.从表 1中可以看出，铁素体形成元素Cr和Mo在α相中含量较高，奥氏体形成元素Ni和Mn在γ相中含量较高.Cr和Mo在γ2相中的含量比在γ相中含量低，σ相中则富集了大量的Cr和Mo.
表 1(Table 1)
 表 1 图 4 c中A，B，C，D点的EDS分析结果Table 1 EDS results of point A,B,C,D in fig. 4 c
| 表 1 图 4 c中A，B，C，D点的EDS分析结果 Table 1 EDS results of point A,B,C,D in fig. 4 c | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 5为材料经不同温度时效240 min后的XRD测试结果.从图中可以看出，时效温度低于750 ℃时，几乎看不见σ相的衍射峰，说明试样中σ相的含量很少；当温度升至850 ℃时，α相衍射峰强度显著降低，而γ相和σ相的衍射峰强度增大，这正是由于发生了α→γ2+σ的共析转变.当温度从850 ℃上升到900 ℃后，σ相和γ相的峰有所降低，由此可知材料在850 ℃时效240 min后，显微组织中σ相的析出最严重.利用图像处理软件Image Pro Plus对不同温度下时效240 min的试样金相组织中σ相进行定量分析，各试样中σ相的体积分数测试结果表明：当时效温度低于700 ℃时，试样中σ相的析出量很小，体积分数均不足1%；当时效温度从750 ℃上升至850 ℃时，σ相析出量逐渐增大，从2.6%增至11.1%；而当时效温度从850 ℃升高至900 ℃时，σ相的析出量开始减少，降低至6.5%.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同温度下时效240 min后试样的XRD测试结果Fig.5 XRD patterns of 2205 DSS aged for 240 min at different temperatures |
2.2 时效工艺对2205 DSS力学性能的影响图 6为2205 DSS在不同温度下时效30，240 min后的力学性能测试结果曲线.时效30 min后，材料的屈服、抗拉强度以及断后延伸率随时效温度的变化不大，而冲击韧性发生了剧烈降低.时效240 min后，材料的屈服强度随时效温度的变化不大，抗拉强度略有升高.断后延伸率和冲击韧性随时效温度的升高逐渐降低，在850 ℃时均降到最低.结合材料的显微组织分析可知，σ相的大量析出会导致材料的塑性和冲击韧性产生剧烈下降.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 时效处理后材料的力学性能Fig.6 Mechanical properties of 2205 DSS after aging (a)—抗拉强度σb与屈服强度σs； (b)—断后延伸率; (c)—冲击功. |
3 结论1) 2205 DSS中σ相的析出分为有碳化物伴随和无碳化物伴随两种方式，前者主要在α-γ相界处发生，后者则发生在铁素体晶界或晶内，在850 ℃时效σ相的析出行为最严重.
2) 在析出σ相的过程中，合金元素Cr和Mo在双相不锈钢的各相中会发生不同程度的偏聚，σ相中会富集大量的Cr元素和Mo元素；与奥氏体相比，二次奥氏体中Cr元素和Mo元素则有一定程度的贫乏.
3) 材料显微组织中析出少量的σ相对其塑性影响不大，但会显著地降低材料的冲击韧性；σ相的大量析出不仅会严重降低材料的冲击韧性，还会导致材料的塑性产生严重的恶化；σ相的析出对屈服强度影响很小，对抗拉强度略有提高作用.
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