双相不锈钢加工制造实用指南(3)
双相不锈钢的应用日益广泛，用户对这类不锈钢也越来越熟悉。本文围绕双相不锈钢应用的难点之一 — 加工和焊接，介绍了双相不锈钢的各种特性，给出了加工和焊接双相不锈钢的基本原则和实用信息。
内容包括：双相不锈钢的历史、化学成分、冶金学、耐腐蚀性能、力学性能、物理性能、技术条件、质量控制、切割、成形、焊接、应用等。
全文较长，将分几部分发表，欢迎关注！
（续接前文）
6 终端用户技术要求和质量控制
双相不锈钢制造加工的技术要求和质量控制方面一个关键的实际问题是焊接后性能的保持。双相不锈钢原始供货态的成分和工艺必须确保焊后（采用合格的焊接工艺）仍具有良好的性能。
6.1 标准试验要求
6.1.1 化学成分
ASTM或EN标准是选择第二代双相不锈钢较恰当的开始点。双相不锈钢中添加氮是有利的，既可以避免热影响区出现过多的铁素体，又可以使材料有更好的冶金学稳定性。双相不锈钢氮含量的上限就是氮在钢水中的溶解度，从标准规定的氮含量范围的最大值可以反映出来，但是所列出的最小氮含量不一定反映出最佳焊接特性所需的氮含量。例如2205双相不锈钢最初的牌号S31803。
S31803的氮含量在其允许范围0.08％～0.20%的下限时，2205的热处理和焊接后效果并不理想。实际经验显示, 对于2205双相不锈钢的焊接加工而言，“最小氮含量为0.14%”是必要的。由于经常要规定这一条件，为了方便需要焊接的终端用户，将2205的S32205版本引入到双相不锈钢标准中。超级双相不锈钢也有较高的氮含量范围，这反映出人们对氮含量重要性的认识。
有一些终端用户所依据的双相不锈钢技术条件是基于“PREN”关系。尽管PREN值在对某一家族中成分平衡的不同牌号的耐腐蚀性排序可能有效，但为了满足特定的PREN值而改变成分不一定会获得合适的冶金学平衡。PREN值有助于人们从一系列牌号中选择其中一个，当用于调整某一牌号的成分时，似乎铬和钼可被氮所替代，但从冶金学的角度看，铬和钼促进铁素体相和金属间相的形成，而氮促进奥氏体相，阻止金属间相的形成。
因此，最好根据规范中所列的标准牌号来进行双相不锈钢成分的选择，有可能每一牌号都限制了含氮量的上限。不论材料的成分如何规定，它都应当与焊接工艺评定所用的材料相同，这样，评定对于加工制造预期的结果才是有意义的。
6.1.2 固溶处理和淬火
除了化学成分，轧材的实际热处理条件对于焊接也是重要的。奥氏体不锈钢退火的目的是使金属再结晶，让碳溶入固溶体中。带“L” 的低碳不锈钢水淬或空气冷却速度可以相对较慢，因为重新形成有害碳化物需要的时间很长。但对于双相不锈钢而言，即使有理想的氮含量，在临界温度范围内停留几分钟也对其耐腐蚀性和韧性不利。当轧材慢速冷却时，材料通过700～980℃(1300～1800℉)温度范围的时间不再容许进一步的受热如焊接，所以留给焊工焊接出热影响区无金属间相的焊缝的时间较少。
尽管ASTM等标准允许某些双相不锈钢“水淬或通过其他方法迅速冷却”，但焊接的最佳冶金学条件是通过最快速地从退火温度淬火得到的。然而，这样忽视了水淬导致的变形和残余应力的增加。对于薄板，空气冷却在现代化卷板生产线中效率高；但对厚板，水淬可以获得对焊接而言最佳的冶金学条件。在淬火前使板材或组件冷却到700～980℃(1300～1800℉)会导致金属间相的形成。
另一个保证最佳起始条件的方法是要求对轧钢厂的产品进行检验，确保其不存在有害的金属间相。ASTM A 923 （双相奥氏体/铁素体不锈钢中有害金属间相检测标准试验方法） 运用金相检查、冲击试验或腐蚀试验来证明金属间相未达到有害的程度。
这一试验仅考虑是否已出现了有害相的析出。EN标准中不包括类似的试验步骤。采用这种试验，可证明轧制工艺保证在加工中不形成有害的金属间相。此试验类似于ASTM A 262 （检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的标准做法） 或 EN ISO 3651－2 （测定不锈钢的耐晶间腐蚀性能-第2部分：铁素体，奥氏体和铁素体-奥氏体（双相）不锈钢-含硫酸介质中的腐蚀试验），检验奥氏体不锈钢是否存在碳化铬导致的敏化。
ASTM A 923标准仅涵盖2205（S31803和S32205），2507，255和S32520，但其他双相不锈钢将来也可能被纳入。很多制造商采用这些试验和类似试验以及其他验收标准，把它们作为焊接工艺评定的一部分。
6.2 特殊试验要求
6.2.2 拉伸和硬度试验
相对奥氏体不锈钢而言，双相不锈钢具有高强度，但是偶尔有最终用户技术要求既规定强度又规定了硬度的最大值。强度或硬度引入最大值可能是借鉴了马氏体不锈钢的经验，而马氏体不锈钢的高强度和硬度来自于未经回火处理的马氏体。但是双相不锈钢在冷却过程中不形成马氏体，双相不锈钢的高强度和高硬度缘于其高的氮含量、双相结构本身、成型或矫直操作中可能发生的加工硬化。
硬度试验可能是证明加工中没有过度冷加工的有效手段；但当硬度试验用于这一目的时，很重要的一点是测量位置应当介于表面和断面的中心之间，而不是在发生局部硬化和表面硬化的表面上。
6.2.2 弯曲试验
弯曲试验可以证明轧钢厂的产品没有轧制裂纹，但对于大型材、小轧件或某些几何形状的轧材可能是困难的。弯曲试验不是双相不锈钢质量的一个保守指标，因为弯曲点可能与不合格的情况所在的位置不一致，由于弯曲的方向性，某些情况如中心线的金属间相未必能被检测出来。
弯曲试验一般作为奥氏体不锈钢焊接工艺评定的一部分，因为焊缝有发生热裂的危险，特别是对于奥氏体相含量高的严重受限的焊缝组织。
由于双相不锈钢存在铁素体的结晶以及较高的导热性和较低的热膨胀性，大大降低了用弯曲试验来检测焊缝完整性问题的作用。如果试验位置正好与受影响的区域相吻合，则弯曲试验可能会粗略地检测出过多的铁素体，但弯曲试验不可能检测出对加工制成品耐腐蚀性和韧性有害的少量金属间相的存在。
6.2.3 检测金属间相的冲击试验和金相检查
用冲击试验来规定材料和评定工艺有两种方式：
在已知条件下试验，检测不合格的材料，例如过多的铁素体或金属间相的存在；
证明加工制成品所具有的特性充分满足预计的使用要求。
对于第一种用途，ASTM A 923给出了2205双相钢的试验方法。ASTM A 923方法B中描述了韧性的降低，标准的纵向夏比试验（Charpy）在－40℉/℃下冲击试验韧性小于54J（40ft-Ib）表明轧钢厂退火产品不合格。
为了保证满意的热处理和淬火，作为一种生产控制手段，轧钢厂产品的每一个批次都应当按照A 923 方法B试验（或方法C，腐蚀试验）。而ASTM A 923允许采用金相检查（方法A）作为一种以接受而不是判废为目的的筛分试验。因为方法A的操作要求高水平的金相技术，用户要求进行方法C腐蚀试验而不是金相检查是慎重的，提出这一点的方法是要求报告腐蚀率。
ASTM A 923方法A的一个好处是可以确认中心线金属间相，如ASTM A 923的图7所示。根据方法A的筛选法，中心线金属间相将造成材料不合格，但 A 923方法B冲击试验的结果不一定是材料被判废。由于这种中心线金属间相可能导致中厚板在成型、热剪或焊接过程中分层，所以除了方法B或C以外，用户还应当要求进行方法A的检验，并拒绝任何显示有中心线金属间相的材料。尽管ASTM A 923已声明方法A不用于材料的判废，但允许终端用户提出更严格的要求。材料如果呈现出ASTM A 923的图7所示的接近厚度中部的中心线金属间相，则应当被判废。
冲击试验的第二个用途即在比预期的使用条件更苛刻的条件下评价基体金属（母材）、熔合区和热影响区，这可能是一种谨慎和具成本效益的方法。对于焊缝的评价，试验温度和合格标准必须针对具体的焊接类型并与使用条件相关。韧性将不会像固溶退火的双相不锈钢轧制产品那样高。焊缝金属较低的韧性不一定表明存在金属间相，而常常是由于氧含量增高造成的，特别是采用了焊剂保护焊接工艺。
ASME已发布了适用于断面厚度大于9.5毫米的双相不锈钢的新的技术要求，这些要求需要在金属最低设计温度（MDMT）或以下采用夏比冲击试验，并以侧膨胀作验收标准来证明初始母材和产品焊缝的韧性足以满足未来的使用要求。ASME检验与ASTM A 923试验的不同之处在于ASME 检验要求夏比冲击试验包含三个试样（比较常用的测量韧性是否适用的方法），并且要求报告最小值和平均值。ASME要求对每一批母材和填充材料进行母金属、焊缝金属和HAZ的试验。
为了节约同时得到谨慎的结果, 可以采用两个试验温度（ASTM A 923的－40℃/F或ASME标准中的金属最低设计温度MDMT）中较低的一个，通过测量三个试样的冲击功和侧膨胀来衡量其韧性。
6.2.4 用金相或磁性法测定相平衡
双相不锈钢轧制产品的奥氏体－铁素体的相平衡在炉号与炉号或批号与批号之间的变化很小，这是因为生产中化学成分被控制在很窄的范围，而且退火操作有明确规定。一般2205双相钢含有40％～50％的铁素体，因此，测定退火轧材的相平衡价值有限。
但是，测定铁素体含量对于评定焊接工艺是适合的，这样做可以防止热影响区出现过多的铁素体。双相不锈钢相平衡的准确测定通常要求采用金相检查和数点法，如ASTM E 562（手动）或E 1245（自动）方法。由于双相不锈钢是铁磁性的，奥氏体和铁素体的间距特别细，如果没有同样的几何形状和相平衡的金相测量结果作参考标准，则磁性检测法的可靠性是有限的。AWS A4.2-91和EN ISO 8249 （焊接—确定奥氏体和双相铁素体奥氏体Cr-Ni不锈钢焊接材料中的铁素体数（FN））描述了校准磁性测量仪的过程，测量双相不锈钢焊缝处铁素体并以铁素体数FN报告结果。合格的焊缝相平衡范围比母金属要宽得多。如果像ASTM A 923试验所显示的那样，焊缝及热影响区的韧性和耐腐蚀性合格的话，那么铁素体范围在25％～75％时，即可提供双相不锈钢所需的特性。磁性测量得出铁素体数在30～90之间是合格的。
要求对已经放在加工服务中心或经销商仓库中的材料进行相平衡的测定，比对刚从轧钢厂生产出来的材料提出同样的要求要花费更多的费用，获取试样并进行分别的试验也可能影响及时供货。
因为金属间相是非磁性的，所以磁性试验不能用来检测s相和c相。
6.2.5 腐蚀试验
按照ASTM A 923方法C对固溶处理的轧制产品进行腐蚀试验是检测有害状态最具成本效益的方法之一。金属间相的析出以及过量铁素体相中可能存在的氮化铬，都可表现为耐点蚀性能的降低而被检测出来。
这些相造成临界点蚀温度（CPT）比正常退火的材料低15℃或更多。测定试样的实际临界点蚀温度花费较高，因为它需要按照ASTM G 48或ASTM G 150对单个试样进行多次试验。然而，在比双相不锈钢通常的临界温度低10～15℃的温度下进行单次腐蚀试验（ASTM A923方法C）将揭示有害相的存在。当采用腐蚀试验来检测有害相的存在时，任何正面或侧面及边缘的点蚀都应当被当作拒收的依据。尽管在实际设备里边缘可能不接触介质，但试验的目的是检测金属间相，而它们较可能出现在中心线上，当把边缘的腐蚀考虑进去时就对中心线进行了评估。
拟定ASTM A 923之前，腐蚀试验通常是参考“改进 ASTM G 48 试验”，但G48是一个实验室的研究方法而不是材料合格性的验收方法。如果要求做G 48试验，但没有确定是哪种G 48 操作方法并声明其他不同的试验条件，那么这种要求是不完全的。试验条件包括：
表面准备
试验温度
试验持续时间
是否包括边缘的腐蚀
合格标准的确定。
ASTM A 923是一项验收试验，目的是用一种有效而相对快速的方法证明轧钢厂的产品不存在有害的金属间相。ASTM A 923 方法C是以腐蚀速率作为验收的标准。通过检测点蚀来检测有害相，这似乎令人惊讶；然而采用这个方法是基于以下两个原因：
1. 通过重量损失来考察合格与否，就不用判断金属表面是否有蚀坑这种麻烦且可能带主观色彩的问题。拒收所规定的重量损失足够大，很容易进行测量，而在24小时的试验里，它又足够小，可以容易地检测出与金属间相相关的点蚀类型。
2. 如果采用腐蚀速率，只要能确定总表面积，则几乎任何尺寸和形状的样品都能进行试验。
与易受方向和缺口位置影响的夏比试验相比，腐蚀试验是保守的，而且对试样的几何形状和位置不敏感。腐蚀试验作为焊接工艺评定的一部分是适当的，而且可以作为一种具有成本效益的质量控制试验方法用于生产性焊缝样品的检验，但必须考虑到轧钢厂退火产品与焊接态的接头在耐腐蚀性方面的差异，即便是一个焊接得当的焊缝，由于焊接工艺、保护气体和所焊接的双相不锈钢牌号的不同，其临界点蚀温度也可能比母金属低5～15℃。
6.2.6 生产性焊接和检验
双相不锈钢可能发生的问题对焊工来说并不是显而易见的，也无法用无损检测方法检测出来。焊工必须认识到焊缝的总体质量取决于是否严格地遵循焊接工艺规程，并通过其在使用中的韧性和耐腐蚀性来衡量。偏离规定的工艺规程不一定在车间被检测出来，但每一次偏离都对安全、经济的使用是一个威胁。
7 力学性能
双相不锈钢力学性能优异，见表5。它们在固溶退火状态下的室温屈服强度比未添加氮的标准奥氏体不锈钢高两倍多，这样设计师在某些应用中就可减小壁厚。图11比较了室温到300℃（570℉)温度区间几种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢屈服强度。由于铁素体相有475℃（885℉)脆性的危险，所以双相不锈钢不应长时间用于温度高于压力容器设计规范规定的条件（见表2）。
锻轧双相不锈钢的力学性能是高度各向异性的，即性能随方向而变化。这种各向异性是由拉长了的晶粒和热轧或冷轧产生的结晶织构造成的（见图2）。尽管双相不锈钢的凝固组织通常是各向同性的，但它经过轧制或锻造接着进行退火，组织中存在两相。最终产品两相的形貌揭示出加工的方向性，双相不锈钢垂直于轧制方向的强度比沿轧制方向的强度高。冲击试样的缺口垂直于轧制方向时的冲击韧性高于沿轧制方向时。试样“纵向”（L－T）夏比冲击试样测得的韧性高于其他方向的试验结果。一个横向的双相不锈钢板试样的冲击功一般相当于一个纵向试样的1/2至2/3。
尽管双相不锈钢强度高，但它们表现出良好的塑性和韧性。与碳钢或铁素体不锈钢相比，双相不锈钢塑性－脆性的转变是平缓的。双相不锈钢即使在很低的温度如－40℃/F下仍保持良好的韧性；但是双相不锈钢的韧性和塑性通常比奥氏体不锈钢差。奥氏体不锈钢一般没有塑性－脆性转变，在低至深冷温度的条件下仍保持优异的韧性。标准奥氏体不锈钢和双相不锈钢在拉伸试验中最小延伸率的比较见表6。
尽管双相不锈钢的高屈服强度允许厚度减薄，但由于弯曲和杨氏模量的限制，在制造过程中也成为难题。由于它们强度高，塑性变形需要更大的外力。因为双相不锈钢需要较大的弯曲力，所以其在弯曲操作中的回弹比奥氏体不锈钢要大，两种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢回弹的比较见图12。双相不锈钢的塑性比奥氏体不锈钢差，为避免断裂需要增加弯曲半径。
由于双相不锈钢较高的硬度和加工硬化率，与标准奥氏体不锈钢相比，它降低了机加工操作中工具的寿命或需要更多的机加工次数。在成型或弯曲操作之间可能需要退火，因为双相不锈钢的塑性差不多是奥氏体不锈钢的一半。冷加工对2205双相不锈钢力学性能的影响见图13。
8 物理性能
表7给出了一组双相不锈钢室温下的物理性能，表8是升高温度下的性能数据，为便于比较，也包括了碳钢和奥氏体不锈钢数据。
在所有的情况下，双相不锈钢牌号之间物理性能的差异很小，可能只是测试方法的差异。双相不锈钢的物理性能介于奥氏体不锈钢和碳钢之间，更接近于不锈钢的性能。
(未完待续）
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