雙相不銹鋼加工制造實用指南(3)
雙相不銹鋼的應用日益廣泛，用戶對這類不銹鋼也越來越熟悉。本文圍繞雙相不銹鋼應用的難點之一 — 加工和焊接，介紹了雙相不銹鋼的各種特性，給出了加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實用信息。
內容包括：雙相不銹鋼的歷史、化學成分、冶金學、耐腐蝕性能、力學性能、物理性能、技術條件、質量控制、切割、成形、焊接、應用等。
全文較長，將分幾部分發表，歡迎關注！
（續接前文）
6 終端用戶技術要求和質量控制
雙相不銹鋼制造加工的技術要求和質量控制方面一個關鍵的實際問題是焊接后性能的保持。雙相不銹鋼原始供貨態的成分和工藝必須確保焊后（采用合格的焊接工藝）仍具有良好的性能。
6.1 標準試驗要求
6.1.1 化學成分
ASTM或EN標準是選擇第二代雙相不銹鋼較恰當的開始點。雙相不銹鋼中添加氮是有利的，既可以避免熱影響區出現過多的鐵素體，又可以使材料有更好的冶金學穩定性。雙相不銹鋼氮含量的上限就是氮在鋼水中的溶解度，從標準規定的氮含量范圍的最大值可以反映出來，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雙相不銹鋼最初的牌號S31803。
S31803的氮含量在其允許范圍0.08％～0.20%的下限時，2205的熱處理和焊接后效果并不理想。實際經驗顯示, 對于2205雙相不銹鋼的焊接加工而言，“最小氮含量為0.14%”是必要的。由于經常要規定這一條件，為了方便需要焊接的終端用戶，將2205的S32205版本引入到雙相不銹鋼標準中。超級雙相不銹鋼也有較高的氮含量范圍，這反映出人們對氮含量重要性的認識。
有一些終端用戶所依據的雙相不銹鋼技術條件是基于“PREN”關系。盡管PREN值在對某一家族中成分平衡的不同牌號的耐腐蝕性排序可能有效，但為了滿足特定的PREN值而改變成分不一定會獲得合適的冶金學平衡。PREN值有助于人們從一系列牌號中選擇其中一個，當用于調整某一牌號的成分時，似乎鉻和鉬可被氮所替代，但從冶金學的角度看，鉻和鉬促進鐵素體相和金屬間相的形成，而氮促進奧氏體相，阻止金屬間相的形成。
因此，最好根據規范中所列的標準牌號來進行雙相不銹鋼成分的選擇，有可能每一牌號都限制了含氮量的上限。不論材料的成分如何規定，它都應當與焊接工藝評定所用的材料相同，這樣，評定對于加工制造預期的結果才是有意義的。
6.1.2 固溶處理和淬火
除了化學成分，軋材的實際熱處理條件對于焊接也是重要的。奧氏體不銹鋼退火的目的是使金屬再結晶，讓碳溶入固溶體中。帶“L” 的低碳不銹鋼水淬或空氣冷卻速度可以相對較慢，因為重新形成有害碳化物需要的時間很長。但對于雙相不銹鋼而言，即使有理想的氮含量，在臨界溫度范圍內停留幾分鐘也對其耐腐蝕性和韌性不利。當軋材慢速冷卻時，材料通過700～980℃(1300～1800℉)溫度范圍的時間不再容許進一步的受熱如焊接，所以留給焊工焊接出熱影響區無金屬間相的焊縫的時間較少。
盡管ASTM等標準允許某些雙相不銹鋼“水淬或通過其他方法迅速冷卻”，但焊接的最佳冶金學條件是通過最快速地從退火溫度淬火得到的。然而，這樣忽視了水淬導致的變形和殘余應力的增加。對于薄板，空氣冷卻在現代化卷板生產線中效率高；但對厚板，水淬可以獲得對焊接而言最佳的冶金學條件。在淬火前使板材或組件冷卻到700～980℃(1300～1800℉)會導致金屬間相的形成。
另一個保證最佳起始條件的方法是要求對軋鋼廠的產品進行檢驗，確保其不存在有害的金屬間相。ASTM A 923 （雙相奧氏體/鐵素體不銹鋼中有害金屬間相檢測標準試驗方法） 運用金相檢查、沖擊試驗或腐蝕試驗來證明金屬間相未達到有害的程度。
這一試驗僅考慮是否已出現了有害相的析出。EN標準中不包括類似的試驗步驟。采用這種試驗，可證明軋制工藝保證在加工中不形成有害的金屬間相。此試驗類似于ASTM A 262 （檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的標準做法） 或 EN ISO 3651－2 （測定不銹鋼的耐晶間腐蝕性能-第2部分：鐵素體，奧氏體和鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼-含硫酸介質中的腐蝕試驗），檢驗奧氏體不銹鋼是否存在碳化鉻導致的敏化。
ASTM A 923標準僅涵蓋2205（S31803和S32205），2507，255和S32520，但其他雙相不銹鋼將來也可能被納入。很多制造商采用這些試驗和類似試驗以及其他驗收標準，把它們作為焊接工藝評定的一部分。
6.2 特殊試驗要求
6.2.2 拉伸和硬度試驗
相對奧氏體不銹鋼而言，雙相不銹鋼具有高強度，但是偶爾有最終用戶技術要求既規定強度又規定了硬度的最大值。強度或硬度引入最大值可能是借鑒了馬氏體不銹鋼的經驗，而馬氏體不銹鋼的高強度和硬度來自于未經回火處理的馬氏體。但是雙相不銹鋼在冷卻過程中不形成馬氏體，雙相不銹鋼的高強度和高硬度緣于其高的氮含量、雙相結構本身、成型或矯直操作中可能發生的加工硬化。
硬度試驗可能是證明加工中沒有過度冷加工的有效手段；但當硬度試驗用于這一目的時，很重要的一點是測量位置應當介于表面和斷面的中心之間，而不是在發生局部硬化和表面硬化的表面上。
6.2.2 彎曲試驗
彎曲試驗可以證明軋鋼廠的產品沒有軋制裂紋，但對于大型材、小軋件或某些幾何形狀的軋材可能是困難的。彎曲試驗不是雙相不銹鋼質量的一個保守指標，因為彎曲點可能與不合格的情況所在的位置不一致，由于彎曲的方向性，某些情況如中心線的金屬間相未必能被檢測出來。
彎曲試驗一般作為奧氏體不銹鋼焊接工藝評定的一部分，因為焊縫有發生熱裂的危險，特別是對于奧氏體相含量高的嚴重受限的焊縫組織。
由于雙相不銹鋼存在鐵素體的結晶以及較高的導熱性和較低的熱膨脹性，大大降低了用彎曲試驗來檢測焊縫完整性問題的作用。如果試驗位置正好與受影響的區域相吻合，則彎曲試驗可能會粗略地檢測出過多的鐵素體，但彎曲試驗不可能檢測出對加工制成品耐腐蝕性和韌性有害的少量金屬間相的存在。
6.2.3 檢測金屬間相的沖擊試驗和金相檢查
用沖擊試驗來規定材料和評定工藝有兩種方式：
在已知條件下試驗，檢測不合格的材料，例如過多的鐵素體或金屬間相的存在；
證明加工制成品所具有的特性充分滿足預計的使用要求。
對于第一種用途，ASTM A 923給出了2205雙相鋼的試驗方法。ASTM A 923方法B中描述了韌性的降低，標準的縱向夏比試驗（Charpy）在－40℉/℃下沖擊試驗韌性小于54J（40ft-Ib）表明軋鋼廠退火產品不合格。
為了保證滿意的熱處理和淬火，作為一種生產控制手段，軋鋼廠產品的每一個批次都應當按照A 923 方法B試驗（或方法C，腐蝕試驗）。而ASTM A 923允許采用金相檢查（方法A）作為一種以接受而不是判廢為目的的篩分試驗。因為方法A的操作要求高水平的金相技術，用戶要求進行方法C腐蝕試驗而不是金相檢查是慎重的，提出這一點的方法是要求報告腐蝕率。
ASTM A 923方法A的一個好處是可以確認中心線金屬間相，如ASTM A 923的圖7所示。根據方法A的篩選法，中心線金屬間相將造成材料不合格，但 A 923方法B沖擊試驗的結果不一定是材料被判廢。由于這種中心線金屬間相可能導致中厚板在成型、熱剪或焊接過程中分層，所以除了方法B或C以外，用戶還應當要求進行方法A的檢驗，并拒絕任何顯示有中心線金屬間相的材料。盡管ASTM A 923已聲明方法A不用于材料的判廢，但允許終端用戶提出更嚴格的要求。材料如果呈現出ASTM A 923的圖7所示的接近厚度中部的中心線金屬間相，則應當被判廢。
沖擊試驗的第二個用途即在比預期的使用條件更苛刻的條件下評價基體金屬（母材）、熔合區和熱影響區，這可能是一種謹慎和具成本效益的方法。對于焊縫的評價，試驗溫度和合格標準必須針對具體的焊接類型并與使用條件相關。韌性將不會像固溶退火的雙相不銹鋼軋制產品那樣高。焊縫金屬較低的韌性不一定表明存在金屬間相，而常常是由于氧含量增高造成的，特別是采用了焊劑保護焊接工藝。
ASME已發布了適用于斷面厚度大于9.5毫米的雙相不銹鋼的新的技術要求，這些要求需要在金屬最低設計溫度（MDMT）或以下采用夏比沖擊試驗，并以側膨脹作驗收標準來證明初始母材和產品焊縫的韌性足以滿足未來的使用要求。ASME檢驗與ASTM A 923試驗的不同之處在于ASME 檢驗要求夏比沖擊試驗包含三個試樣（比較常用的測量韌性是否適用的方法），并且要求報告最小值和平均值。ASME要求對每一批母材和填充材料進行母金屬、焊縫金屬和HAZ的試驗。
為了節約同時得到謹慎的結果, 可以采用兩個試驗溫度（ASTM A 923的－40℃/F或ASME標準中的金屬最低設計溫度MDMT）中較低的一個，通過測量三個試樣的沖擊功和側膨脹來衡量其韌性。
6.2.4 用金相或磁性法測定相平衡
雙相不銹鋼軋制產品的奧氏體－鐵素體的相平衡在爐號與爐號或批號與批號之間的變化很小，這是因為生產中化學成分被控制在很窄的范圍，而且退火操作有明確規定。一般2205雙相鋼含有40％～50％的鐵素體，因此，測定退火軋材的相平衡價值有限。
但是，測定鐵素體含量對于評定焊接工藝是適合的，這樣做可以防止熱影響區出現過多的鐵素體。雙相不銹鋼相平衡的準確測定通常要求采用金相檢查和數點法，如ASTM E 562（手動）或E 1245（自動）方法。由于雙相不銹鋼是鐵磁性的，奧氏體和鐵素體的間距特別細，如果沒有同樣的幾何形狀和相平衡的金相測量結果作參考標準，則磁性檢測法的可靠性是有限的。AWS A4.2-91和EN ISO 8249 （焊接—確定奧氏體和雙相鐵素體奧氏體Cr-Ni不銹鋼焊接材料中的鐵素體數（FN））描述了校準磁性測量儀的過程，測量雙相不銹鋼焊縫處鐵素體并以鐵素體數FN報告結果。合格的焊縫相平衡范圍比母金屬要寬得多。如果像ASTM A 923試驗所顯示的那樣，焊縫及熱影響區的韌性和耐腐蝕性合格的話，那么鐵素體范圍在25％～75％時，即可提供雙相不銹鋼所需的特性。磁性測量得出鐵素體數在30～90之間是合格的。
要求對已經放在加工服務中心或經銷商倉庫中的材料進行相平衡的測定，比對剛從軋鋼廠生產出來的材料提出同樣的要求要花費更多的費用，獲取試樣并進行分別的試驗也可能影響及時供貨。
因為金屬間相是非磁性的，所以磁性試驗不能用來檢測s相和c相。
6.2.5 腐蝕試驗
按照ASTM A 923方法C對固溶處理的軋制產品進行腐蝕試驗是檢測有害狀態最具成本效益的方法之一。金屬間相的析出以及過量鐵素體相中可能存在的氮化鉻，都可表現為耐點蝕性能的降低而被檢測出來。
這些相造成臨界點蝕溫度（CPT）比正常退火的材料低15℃或更多。測定試樣的實際臨界點蝕溫度花費較高，因為它需要按照ASTM G 48或ASTM G 150對單個試樣進行多次試驗。然而，在比雙相不銹鋼通常的臨界溫度低10～15℃的溫度下進行單次腐蝕試驗（ASTM A923方法C）將揭示有害相的存在。當采用腐蝕試驗來檢測有害相的存在時，任何正面或側面及邊緣的點蝕都應當被當作拒收的依據。盡管在實際設備里邊緣可能不接觸介質，但試驗的目的是檢測金屬間相，而它們較可能出現在中心線上，當把邊緣的腐蝕考慮進去時就對中心線進行了評估。
擬定ASTM A 923之前，腐蝕試驗通常是參考“改進 ASTM G 48 試驗”，但G48是一個實驗室的研究方法而不是材料合格性的驗收方法。如果要求做G 48試驗，但沒有確定是哪種G 48 操作方法并聲明其他不同的試驗條件，那么這種要求是不完全的。試驗條件包括：
表面準備
試驗溫度
試驗持續時間
是否包括邊緣的腐蝕
合格標準的確定。
ASTM A 923是一項驗收試驗，目的是用一種有效而相對快速的方法證明軋鋼廠的產品不存在有害的金屬間相。ASTM A 923 方法C是以腐蝕速率作為驗收的標準。通過檢測點蝕來檢測有害相，這似乎令人驚訝；然而采用這個方法是基于以下兩個原因：
1. 通過重量損失來考察合格與否，就不用判斷金屬表面是否有蝕坑這種麻煩且可能帶主觀色彩的問題。拒收所規定的重量損失足夠大，很容易進行測量，而在24小時的試驗里，它又足夠小，可以容易地檢測出與金屬間相相關的點蝕類型。
2. 如果采用腐蝕速率，只要能確定總表面積，則幾乎任何尺寸和形狀的樣品都能進行試驗。
與易受方向和缺口位置影響的夏比試驗相比，腐蝕試驗是保守的，而且對試樣的幾何形狀和位置不敏感。腐蝕試驗作為焊接工藝評定的一部分是適當的，而且可以作為一種具有成本效益的質量控制試驗方法用于生產性焊縫樣品的檢驗，但必須考慮到軋鋼廠退火產品與焊接態的接頭在耐腐蝕性方面的差異，即便是一個焊接得當的焊縫，由于焊接工藝、保護氣體和所焊接的雙相不銹鋼牌號的不同，其臨界點蝕溫度也可能比母金屬低5～15℃。
6.2.6 生產性焊接和檢驗
雙相不銹鋼可能發生的問題對焊工來說并不是顯而易見的，也無法用無損檢測方法檢測出來。焊工必須認識到焊縫的總體質量取決于是否嚴格地遵循焊接工藝規程，并通過其在使用中的韌性和耐腐蝕性來衡量。偏離規定的工藝規程不一定在車間被檢測出來，但每一次偏離都對安全、經濟的使用是一個威脅。
7 力學性能
雙相不銹鋼力學性能優異，見表5。它們在固溶退火狀態下的室溫屈服強度比未添加氮的標準奧氏體不銹鋼高兩倍多，這樣設計師在某些應用中就可減小壁厚。圖11比較了室溫到300℃（570℉)溫度區間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼屈服強度。由于鐵素體相有475℃（885℉)脆性的危險，所以雙相不銹鋼不應長時間用于溫度高于壓力容器設計規范規定的條件（見表2）。
鍛軋雙相不銹鋼的力學性能是高度各向異性的，即性能隨方向而變化。這種各向異性是由拉長了的晶粒和熱軋或冷軋產生的結晶織構造成的（見圖2）。盡管雙相不銹鋼的凝固組織通常是各向同性的，但它經過軋制或鍛造接著進行退火，組織中存在兩相。最終產品兩相的形貌揭示出加工的方向性，雙相不銹鋼垂直于軋制方向的強度比沿軋制方向的強度高。沖擊試樣的缺口垂直于軋制方向時的沖擊韌性高于沿軋制方向時。試樣“縱向”（L－T）夏比沖擊試樣測得的韌性高于其他方向的試驗結果。一個橫向的雙相不銹鋼板試樣的沖擊功一般相當于一個縱向試樣的1/2至2/3。
盡管雙相不銹鋼強度高，但它們表現出良好的塑性和韌性。與碳鋼或鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼塑性－脆性的轉變是平緩的。雙相不銹鋼即使在很低的溫度如－40℃/F下仍保持良好的韌性；但是雙相不銹鋼的韌性和塑性通常比奧氏體不銹鋼差。奧氏體不銹鋼一般沒有塑性－脆性轉變，在低至深冷溫度的條件下仍保持優異的韌性。標準奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼在拉伸試驗中最小延伸率的比較見表6。
盡管雙相不銹鋼的高屈服強度允許厚度減薄，但由于彎曲和楊氏模量的限制，在制造過程中也成為難題。由于它們強度高，塑性變形需要更大的外力。因為雙相不銹鋼需要較大的彎曲力，所以其在彎曲操作中的回彈比奧氏體不銹鋼要大，兩種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼回彈的比較見圖12。雙相不銹鋼的塑性比奧氏體不銹鋼差，為避免斷裂需要增加彎曲半徑。
由于雙相不銹鋼較高的硬度和加工硬化率，與標準奧氏體不銹鋼相比，它降低了機加工操作中工具的壽命或需要更多的機加工次數。在成型或彎曲操作之間可能需要退火，因為雙相不銹鋼的塑性差不多是奧氏體不銹鋼的一半。冷加工對2205雙相不銹鋼力學性能的影響見圖13。
8 物理性能
表7給出了一組雙相不銹鋼室溫下的物理性能，表8是升高溫度下的性能數據，為便于比較，也包括了碳鋼和奧氏體不銹鋼數據。
在所有的情況下，雙相不銹鋼牌號之間物理性能的差異很小，可能只是測試方法的差異。雙相不銹鋼的物理性能介于奧氏體不銹鋼和碳鋼之間，更接近于不銹鋼的性能。
(未完待續）
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