铁素体马氏体双相钢表面纳米化及性能研究

双相不锈钢的性能与特点所谓双相不锈钢是在它的固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,通常较少相的含量最少也需要达到30%。

根据两相结构的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈钢优异的韧性和焊接性与铁素体不锈钢较高的强度和抗氯化物应力腐蚀性能相结合，使双相不锈钢兼具铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。

正是这些优异的性能使得双相不锈钢作为一种可焊接的结构材料发展非常迅速。

自20世纪80年代以来，双相不锈钢已成为与马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的不锈钢类型。

双相不锈钢具有以下性能特点：1、含铜双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。

通常用于60C以上中性氯化物溶液中的18-8型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀开裂。

在含有痕量氯化物和硫化氢的工业介质中，由18-8不锈钢制成的热交换器、蒸发器和其他设备都倾向于产生应力腐蚀裂纹，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。

2、含钼双相不锈钢有良好的耐点蚀性能。

在具有相同的点腐蚀条件时,双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界点蚀电位相仿。

含18%Cr的双相不锈钢的耐点腐蚀性能与316L不锈钢相当。

含25%Cr的双相不锈钢,尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能均超过了316L不锈钢。

3、双相不锈钢具有良好的耐腐蚀性、耐疲劳性和耐磨性，适用于在一定腐蚀介质条件下制造泵、阀门等设备。

4、双相不锈钢的综合力学性能好。

双相不锈钢有较高的强度和疲劳强度,屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的两倍。

5、双相不锈钢可焊性良好,热裂倾向小。

通常焊前不需预热,焊后不需热处理,可与18-8型奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接。

6、含低铬(18%Cr)的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽,可直接轧制开坯生产钢板。

含高铬(25%Cr)的双相不锈钢则比奥氏体不锈钢热加工困难。

7、双相不锈钢冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大,在管、板承受变形初期,需施加较大应力才能变形。

表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展摘要：多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导，从而引起材料的性能下降，使用寿命缩短。

受生物材料的梯度结构启发，近年来开发了多种表面纳米化技术，成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构，强化和保护了材料表面，有效地解决了上述问题。

结合国内外表面纳米化的研究结果，综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展。

首先，介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展。

其次，对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳，并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述。

随后，总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响。

最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战。

关键词：表面纳米化；梯度塑性变形；物理沉积；化学沉积；纳米结构；微观结构；摩擦金属材料是国家经济建设、国防建设和社会发展的重要支撑，开发、设计和制备性能优异的结构金属材料一直是凝聚态物理、材料科学等研究前沿。

自20 世纪90 年代，德国科学家Gleiter 教授提出“纳米材料”的概念以来[1]，纳米颗粒、纳米线、纳米多层薄膜、纳米晶、纳米孪晶和纳米梯度结构等各种新型纳米结构材料应运而生[2-3]。

与传统的粗晶材料相比，纳米结构金属材料具有微小的结构及独特的物理、化学和力学等性能[4]。

这些特点和优势为基础研究提供了新的契机，也为纳米科学技术的创新与大规模的工业化提供了新的机遇。

近年来，塑性变形细化结构制备超细晶或纳米晶得到了深入研究。

细化微观结构能将材料的屈服强度提高几倍甚至十几倍[4]。

但是，当应变量达到某一临界值时，材料的结构尺寸和强度不再随应变的增加而发生变化[5]。

双相不锈钢的微观组织设计与力学性能优化双相不锈钢是由铁素体与奥氏体组成的复相结构钢种。

它具有出色的耐腐蚀性与优良的力学性能,通常被作为重要的工程结构材料在石化、海洋以及建筑工业等领域得到了广泛地应用。

晶粒细化是提高双相不锈钢力学性能的主要手段。

然而,当晶粒尺寸降低至亚微米尺度时,材料的强度和塑性往往无法兼而有之。

因此,亚微米晶粒尺度的强塑性失衡成为双相不锈钢力学性能优化进程中亟待解决的问题。

本文以Fe-25Cr-6Ni-3Mo-0.3N和Fe-23Cr-8.5Ni两种成分不同的双相不锈钢为研究对象,针对其奥氏体力学稳定性不同的特点,分别采用了不同的组织结构设计策略以达到优化其力学性能的目的。

本文综合运用了光学显微镜、透射电子显微镜、电子背散射衍射技术以及X射线衍射技术等手段对经不同工艺制备的样品的微观组织进行了系统的表征。

同时,还对不同工艺阶段的材料进行了系统的力学性能测试,并结合多种分析方法,定量地表征了材料在拉伸变形过程中的加工硬化行为。

首先,针对Fe-25Cr-6Ni-3Mo-0.3N双相不锈钢,利用大应变冷轧与高温短时间退火工艺,制备了具有多尺度晶粒分布的非均匀层状双相组织,在铁素体与奥氏体两相中均实现了晶粒尺寸由纳米尺度到微米尺度的跨度。

特别是在经90%冷轧以及900?C退火1分钟后,铁素体与奥氏体的平均晶粒尺寸分别为1.1μm和0.9μm。

这一特殊的组织结构特点赋予了材料超细晶的高强度与粗晶的高塑性。

非均匀层状双相组织的屈服强度与抗拉强度分别由初始退火态的488MPa和704MPa大幅提升至805MPa和1002MPa,而断裂延伸率仅由38%轻微降至33%,其综合力学性能明显优于具有相当合金成分的商用2507双相不锈钢。

其次,以Fe-23Cr-8.5Ni双相不锈钢为模型材料,利用传统冷轧退火工艺,结合形变过程中的马氏体相变(γ→α′)以及退火过程中的逆相变(α′→γ),制备了由回复态的铁素体与完全再结晶的奥氏体组成的纳米结构双相组织。

摘 要根据合金设计原理，利用Thermo-Calc热力学计算软件对试验钢进行成分设计，研制了一种适当Mn含量的新型纳米析出强化马氏体/奥氏体复相钢替代材料AISI4330；并利用扫描电镜（SEM）、物理化学相分析、X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等手段，对不同两相区回火工艺试验钢的微观组织进行了观察以及对第二相析出的定量计算，研究了材料组织和力学性能的变化；开展疲劳裂纹扩展行为实验、应力腐蚀慢应变速率拉伸试验揭示材料腐蚀应力失效机理，了解马奥复相钢强韧化机理以及应力腐蚀机理。

从而解决我国当前页岩气勘探开发在苛刻的压裂工况下承受超高交变内压作用，液力端阀箱损坏失效，使用寿命大幅度降低的问题。

试验结果主要包括以下几点。

随两相区回火温度的升高，试验钢屈服强度逐渐降低，抗拉强度先降低后升高，在600℃时达到最高，抗拉和屈服强度分别为1033MPa和1006MPa；试验钢的塑性和低温韧性随两相区回火温度的升高体现出了先升高后降低的趋势，当回火温度为620℃时，塑韧性较好，伸长率和断面收缩率分别为21.5%和74%，0℃与-40℃冲击功分别为186J和178J。

随两相区回火温度的升高，室温逆转变奥氏体体积分数表现为先升高后降低。

当两相区回火温度低于620℃时，组织主要呈薄膜状，保温期间生成的逆转变奥氏体在冷却过程中几乎全部保留至室温，具有较好的稳定性；当两相区回火温度高于620℃时，逐渐出现越来越多的块状奥氏体，且在冷却过程中部分奥氏体转变成“新鲜”马氏体，使得奥氏体中稳定性元素C，Mn，Ni含量减少，生成的逆转变奥氏体稳定性急剧降低。

试验钢中含有大量纳米级第二相析出，主要包含面心立方的Cu、VC以及具有复杂正交点阵结构的合金渗碳体(Fe,Mn,Cr,Mo)3C。

析出相大多呈椭圆状和长棒状，尺寸在10~100nm范围内，且随两相区回火温度升高，VC以及Cu析出相逐渐增加，而合金渗碳体在逐渐溶解。

第23卷第8期2011年8月 钢铁研究学报 Jour nal of Ir on and Steel ResearchV ol .23,No .8A ug ust 2011基金项目:国家自然科学基金资助项目(50071061)作者简介:刘　刚(1963—),男,教授; E -mail :gliu @mail .neu .edu .cn ; 收稿日期:2010-06-07钢铁材料的表面纳米化刘　刚1,　莫成刚1,　武保林2,　左　良1(1.东北大学研究院,辽宁沈阳110004;　2.沈阳航空航天大学材料工程系,辽宁沈阳110136)摘　要:表面纳米化技术能通过往复加载使钢铁材料表面发生强烈塑性变形而实现纳米化,在表面形成纳米-微米梯度结构。

这种独特的结构既能为研究形变诱发的纳米化机理和宽尺寸范围内结构与性能关系提供理想样品,又能显著地提高钢铁材料整体的综合性能和服役行为,因此可望在工业上取得实用。

表面纳米化因丰富的学术和应用价值得到国内外广泛关注,并已成为纳米材料研究的一个重要方向,因此从制备、结构、性能和化学处理等方面介绍表面纳米化研究工作已取得的进展。

关键词:钢铁;表面纳米化;研究进展文献标志码:A 文章编号:1001-0963(2011)08-0001-10Surface Nano -Crystallization of Ferrous MaterialLIU Gang 1,　M O Cheng -gang 1,　W U Bao -lin 2,　ZUO Liang1(1.Resea rch Academy ,N o rtheastern U niver sity ,Shenyang 110004,Liaoning ,China ;　2.Depa rtment of M a te rials Enginee ring ,Shenyang Ae rospace Univ ersity ,Sheny ang 110136,Liao ning ,China )Abstract :Surface nano cry stalliza tion (SN C )w as a new sur face treatment technique for me tals ,which can provide re peated loads acting o n the metal sur face ,and a g radient nano -micro -str uctured surface lay er ca n be sy nthesized o n fe rro us material thr ough intense plastic defo rmatio ns .T his unique g r adient st ruc ture can no t o nly be used to study defo rma tion -induced gr ain refinement mechanism s and str ucture -pro pe rty relationships within a w ide -range (from nano -to micro -me te rs ),but also significa ntly enha nce ove r -all pro per ties and behavior s o f ferr ous ma te rial ,therefo re it w as expected to achiev e practice application .Recently ,mo re and mo re inve stigations w ere fo cused o n the SNC due to its scientific a nd technolo gica l interests ,and the SN C become a new branch fo r the develo pment of the na no -ma te rials .Investig atio n results o n the SN C technique ,including synthesizing methods ,structure ,property and chemical treatment ,we re presented .Key words :fer rous material ;surface nano cry stallization ;re sear ch pro g ress 在服役环境下,钢铁材料的失稳(如疲劳、磨损和腐蚀等)多始于表面,因此只要在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层,即实现表面纳米化[1-2],就可以通过表面组织优化提高材料的整体性能和服役行为。

国内外双相不锈钢研究进展及发展方向1、双相不锈钢简介双相不锈钢是指在其固溶组织由铁素体与奥氏体双相组成,而且其中一相比例约为4 5%~55%(量少相至少占30%)的不锈钢。

由于两相组织的特征使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点,与铁素体不锈钢比,其韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀和焊接性能好,同时保留了铁素体钢导热系数高、膨胀系数小的优点。

与奥氏体不锈钢相比,其屈服强度是奥氏体不锈钢的两倍,耐氯化物应力腐蚀断裂能力均明显高于300系列的奥氏体不锈钢,耐孔蚀和缝隙腐蚀的能力类似与316不锈钢。

双相不锈钢由于其优异的力学性能和耐腐蚀性能广泛应用于油气、石化、化肥、桥梁、建筑以及化学品船等行业。

2、双相不锈钢国外研究进展双相不锈钢的发展开始于20世纪30年代,1936年名为Uranus 50的钢种在法国获得第一个双相不锈钢专利,至今双相不锈钢已发展了三代。

第一代双相不锈钢以瑞典的3RE60,美国的AISI329为代表钢种。

3RE60是专为提高耐氯化物应力腐蚀断裂性能而研制的双相不锈钢。

AISI 329型双相不锈钢广泛用于硝酸装置的热交换器管道。

第一代双相不锈钢有良好的性能特点,但在焊接状态下有局限性。

焊缝的热影响区由于铁素体过多而韧性低,并且耐腐蚀性明显低于基体金属。

这些局限因素使第一代双相不锈钢的应用仅限于非焊接状态下的一些特定应用。

1968年不锈钢精炼工艺--氩氧脱碳(AOD)的发明,使一系列新不锈钢钢种的产生成为可能。

AOD所带来的诸多进步之一便是合金元素氮的添加。

双相不锈钢添加氮可以使焊接状态下热影响区的韧性和耐腐蚀性接近于基体金属的性能,氮还降低了有害金属间相的形成速率。

含氮的双相不锈钢被称为第二代双相不锈钢。

2205是第二代双相钢的代表钢种并广泛应用于海上石油平台、化工、造纸等多个领域。

20世纪80年代后期发展的超级双相不锈钢(Super DSS)属于第三代双相不锈钢,代表牌号有SAF2507,UR52N,Zeron100等,这类钢的特点是含碳量低(0.01~0.02%),含高钼和高氮(Mo 1~4%,N 0.1~0.3%)。