S22053双相不锈钢低温冲击性能不合分析

钟莉莉，王勇，孙殿东，王爽，颜秉宇

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

双相不锈钢的性能，尤其是其塑韧性及耐腐蚀性能与两相平衡比例和有害相控制有着密切的关系，而相构成与相比例主要决定于钢的化学成分和固溶处理工艺。S22053铁素体和奥氏体双相不锈钢因兼具铁素体与奥氏体不锈钢两者共存特点，具备优良的综合力学性能尤其是良好的抗HS力学性能和耐腐蚀性能，使其在化工、海洋、天然气等重要工业领域得到了广泛的应用。鞍钢股份有限公司厚板厂生产S22053双相不锈钢出现了部分产品低温冲击韧性不合格现象，对生产和销售造成很大影响和经济损失。本文对不同厚度低温冲击不合的试样进行了相关检验分析，以找出S22053钢板低温冲击韧性不合格的原因。对鞍钢提高双相不锈钢市场占有率提供技术支撑，也为今后开发更高级别的不锈钢提供一定的经验。

1 试验原料及性能

为了找出S22053双相不锈钢低温冲击韧性不合格的原因，实验以在相同轧制和固溶处理工艺下的S22053钢板为研究对象。根据钢板追踪板坯号，选取A钢种为低温冲击（-40℃）性能合格钢板，试样编号为1、2；选取B钢种为低温冲击（-40℃）性能不合格钢板，试样编号为3、4。S22053钢板化学成分和冲击性能分别如表1、表2所示。

表1 S22053钢板化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Composition in S22053 Steel Sheet（Mass Fraction） %

表2 S22053钢板冲击性能Table 2 Impact Toughness of S22053 Steel Sheet

2 检验分析

采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）等设备，分别对钢板进行断口形貌、显微组织、夹杂物和EBSD分析。

2.1 断口形貌

取低温冲击合格（1）与不合格断口试样（3），在ZEISS EVO25扫描电镜下观察冲击试验试样的冲击断口。断口形貌如图1所示。在较高倍数下观察，低温冲击合格的断口微观形貌呈韧窝状，属于韧性断裂；低温冲击不合格的断口微观呈现河流花样，属于解理脆性断裂。

图1 冲击断口形貌Fig.1 Impact Fracture Appearance

2.2 显微组织

利用ZEISS Obsever3型光学显微镜 （OM）观察两种钢样的微观组织。图2为S22053双相不锈钢样品的显微组织，由图可知，其组织为奥氏体和铁素体，组织中浅色为奥氏体（γ相），深色为铁素体（α相），双相钢中的α相和γ相呈条带分布，条带平行于轧制方向。

图2 典型试样的金相组织Fig.2 Metallographic Structure of Typical Specimens

2.3 形变组织的EBSD

利用安装在 ZEISS SUPRA 55场发射扫描电镜上的EBSD系统研究奥氏体和铁素体双相组织特征，采用HKL Channel 5软件进行后处理表征。图3为EBSD法得到不同成分、不同冲击值的双相不锈钢的彩色组织分布图，图中浅色部分表示具有体心立方（BCC）结构的铁素体，深色部分表示具有面心立方（FCC）结构的奥氏体。两相所占比例统计结果见表3，低温冲击性能合格和不合格的试样α和γ两相比例接近。

表3 两相所占比例统计结果Table 3 Statistical Results of Percentage of Two-phase Microstructure

图3 EBSD彩色组织图Fig.3 Color Metallograph Histogram by EBSD

2.4 夹杂物分析

S22053双相不锈钢中低温冲击合格的试样（1、2）中检测的夹杂物均为 C 类 0.5，D 类 0.5，如图4所示。低温冲击不合格的试样（3、4）中夹杂物成分分析见图5，3、4试样中检测到了大量弥散分布的夹杂物，分布如图5所示。可以看出夹杂物尺寸较小（均小于2.5 μm），以氮化铝为主。

图4 低温冲击合格的试样中的夹杂物Fig.4 Inclusions in Test Samples with Qualified Low Temperature Impact Toughness

图5 低温冲击不合格的试样中夹杂物成分分析Fig.5 Analysis on Compositions in Inclusions in Test Samples with Disqualified Low Temperature Impact

3 分析讨论

EBSD结果统计表明，2试样（钢种A）α相所占比例为 44.98%，γ相所占比例为55.02%；3试样（钢种B）的α相所占比例为55.83%，γ相所占比例为48.24%。两个不同成分的试样比较，钢种B中α相比例略高于γ相。在双相不锈钢中腐蚀处理时，奥氏体晶界耐腐蚀性较好，同时奥氏体能降低高Cr铁素体钢的脆性和晶体长大的倾向性。因此，在既要求有较高的强度和疲劳强度，又有良好的耐腐蚀的双相不锈钢中，在两相组织控制时不希望有较多的铁素体（α相）。

氮元素是能促进奥氏体的形成并使奥氏体区扩大的元素，在铁素体+奥氏体双相不锈钢中加入适量的氮可以调整两相比例，增大奥氏体相尺寸，降低施加Ni所带来的高成本。而且氮固溶于奥氏体中，起到固溶强化作用的同时，提高了奥氏体相的耐点蚀能力，进而防止以点蚀为起源的应力腐蚀的发生，提高钢的强度、硬度和耐蚀性能。

钢种A中铝元素远远低于钢种B，氮元素与铝元素以夹杂物形式析出数量较少，表明了氮元素是以间隙—置换的形式进入了基体，在双相不锈钢中产生了固溶强化的效果。而钢种B中较高的铝元素与氮元素形成了大量细小、弥散的氮化铝，这些氮化铝以夹杂物形式在钢中存在，一方面增加了裂纹敏感性，降低了钢的冲击韧性；另一方面减低了钢中固溶氮含量，不仅弱化了氮元素的有益作用，也导致奥氏体含量降低。

4 结论

采用金相显微镜、扫描电镜和EBSD等手段对S22053双相不锈钢板冲击不合试样的断口形貌、夹杂物和组织等进行检测分析。结果表明，S22053双相不锈钢板-40℃冲击性能不合格的主要原因是：

（1）钢种B中较高的铝元素含量与扩大奥氏体区的氮元素在钢板中形成了AlN夹杂物。弥散的AlN夹杂割裂了钢基体连续性，严重降低了钢的塑性和韧性，因此冶炼时应严格控制钢中铝元素含量。

（2）各试样的显微组织均为正常的奥氏体+铁素体，但冲击不合格试样的铁素体含量偏高。生产双相不锈钢时应尽量使两相含量均衡或奥氏体含量略多，才能既保证双相不锈钢高强度韧性又具有良好的抗腐蚀性能。