固溶和时效处理对双相不锈钢组织和性能的影响

      采用热轧态2507双相不锈钢作为试验材料，其化学成分见表1。

     将试验材料制成20 mm×10 mm×10 mm的金相试样和Φ17mm的圆棒拉伸及硬度试样，采用SX2-4-13型箱式电阻炉将试样分别加热到1000、1050、1100 ℃进行固溶热处理，保温时间为30 min，然后取出水冷。将以上固溶处理后的试样再进行800℃时效热处理，保温时间为1~2 h；将热轧态、固溶态及时效后的试样制备成金相试样，腐蚀并洗净吹干后在ZEISS AxioObserver 7M型光学显微镜下对试样进行显微组织观察和级别评定；通过金相图像分析仪对铁素体含量进行定量检测；将各种状态下的试样制

备成拉伸、硬度和冲击试样，利用SHT-4605型万能试验机对其进行室温拉伸试验；使用HR-150S型洛氏硬度计进行硬度试验；采用JBS-300型冲击试验机进行冲击试验。

2.1　固溶热处理对显微组织的影响

    热轧态及不同温度下固溶处理后的显微组织如图1所示。

      热轧态和固溶态基体组织均为奥氏体–铁素体（γ-α）两相组织，热轧态两相交界处有较多σ析出相，如图1（a）所示。经不同温度固溶处理后，试样显微组织形态发生变化：在1000 ℃固溶时σ相已开始溶解；1050 ℃固溶处理后σ相大量溶解，铁素体含量升高，晶粒较细；温度升高至1100 ℃固溶处理时，σ相已完全溶解，显微组织明显粗化，铁素体含量明显升高，如图1（b）~图1（d）所示。分别对热轧态和不同温度下固溶处理后试样的平均晶粒度和铁素体平均含量进行定量检测，其结果见表2。从检测结果来看，随着固溶热处理温度升高，由于析出相逐渐溶解，晶粒逐渐变粗，铁素体相含量不断增加，在1000~1100 ℃固溶时，晶粒度为5~8级，铁素体相所占比例为58%~70%，当加热温度达1100 ℃时，晶粒明显粗化，铁素体相比例急剧增加。

2.2　时效热处理对显微组织的影响

    不同温度固溶试样再经800℃时效后的显微组织如图2所示。时效过后的2507双相不锈钢的室温组织不再仅仅是奥氏体和铁素体两相组织，其显微组织中出现较多析出相，该析出相主要由铁素体α相分解形成。

     由图2可知，相较于固溶态相，试样在800℃时效后奥氏体γ相变化不大，而铁素体α相发生较明显变化。1000~1100 ℃固溶试样经800℃时效后铁素体α相均有不同程度的分解和析出，α相分解成σ相、γ2相和M23C6碳化物。在1050℃固溶+800℃时效时，随着时效时间的延长，α相的分解比例增加，析出相（分解产物）数量逐渐增多。由图2（c）可知，σ相主要在α相与γ相的两相界面析出并向α相内推进（α相由相界向内逐步分解）。由图2（d）可知，1100 ℃固溶的时效组织与前者相比，由于铁素体α相的分解速度减慢，σ相的析出量也相对减少。

     2507双相不锈钢是低碳高铬不锈钢，在固溶后的时效过程中发生一系列组织转变，形成σ相和其他析出相而使材料硬化。2507双相不锈钢在450 ℃和800℃出现时效硬度峰值，前者由spinodal机制发生两相分离而形成富铬的亚微观原子偏聚区造成，后者主要由σ相析出引起，本文只针对后者即主要析出相σ 相的影响规律进行试验和研究。2507双相不锈钢在800 ℃时效过程中的析出相包括σ相、γ2相及Cr23C6，其可影响钢的各种性能。σ相是一种硬而脆的金属间相，主要由Fe、Cr、Mo等元素构成，由于铁素体α相的原子密排度较低，合金元素在铁素体α相中的扩散速度较奥氏体γ相更快，而且铁素体α相中富集Cr和Mo元素，有利于σ相在α相中形核，因此，2507双相不锈钢中加入的Mo元素会加快σ相析出。2507双相不锈钢中的碳含量为0.05%~0.06%，而碳在铁素体α 相中的极限溶解度仅为0.02%。在800 ℃加热时的分解初始阶段，过饱和的碳以Cr23C6 形式首先在相界快速析出，同时导致相界附近Cr元素损失，促使这一贫Cr区转变成二次奥氏体即γ2，相变过程可表示为：α→γ2+Cr23C6。

    γ2长大释放出多余的Cr元素扩散至邻近铁素体，从而为σ相的进一步形成创造有利条件。因此，Cr23C6在α和γ相界的析出对σ相形成具有关键作用。同时，σ相的析出存在另一种形核形式，其可直接在富Cr的铁素体上形核并长大，若σ相在α相的富Cr区形核并析出，Ni元素被释放至邻近区域，则在σ相附近的贫Cr富Ni区形成γ2，随着时效过程的持续进行，其最终全部共析分解为γ2+σ，这一相变过程可表示为：α→γ2+σ。2507双相不锈钢中σ相的析出速度受钢的成分、固溶温度、时效温度及晶粒尺寸等诸多因素影响。α相中富集Cr、Mo等铁素体形成元素，γ相中富集Ｎi、Cu等奥氏体相形成元素。随着固溶温度升高，α相比例增加，相界及晶界的总界面减少，Cr、Mo等在α相内的分布逐渐趋于一致，铁素体中Cr、Mo等元素的浓度相对降低。因此，随着固溶温度提高，在相同时效条件下，σ相的析出趋势和速度也逐步减缓。

2.3　固溶和时效处理对力学性能的影响

     分别对热轧态和不同温度固溶及时效后的力学性能进行检测，固溶前后的拉伸试验结果见表3，固溶及800 ℃ 时效后的硬度和冲击试验结果见表4。

     由表3和表4可知，固溶态具有良好的塑性和韧性，其强度和硬度相对较低，加工性能较高。经800℃时效后，硬度大幅提高，韧性明显下降。双相不锈钢力学性能中的强度指标在很大程度上取决于铁素体α相的含量和分布，而力学性能中的塑性和韧性指标则取决于奥氏体γ相的含量和分布。以上力学性能试验结果可根据材料在不同状态下的显微组织变化进行合理解释：一方面，2507双相不锈钢在高温固溶时，热轧加工和冷却过程中产生的σ相及碳化物等析出相发生溶解，基体组织得到充分固溶，因此，固溶状态下的强度和硬度较低，塑性和冲击韧性良好；另一方面，由于不同温度的固溶处理改变两相比例，不同程度影响钢的力学性能，当固溶温度在1000~1050 ℃时，铁素体α相含量为60% 左右，两相晶粒也较细，冲击韧度较好，在1050 ℃固溶处理时能使2507双相不锈钢获得良好综合力学性能。当固溶温度达1100 ℃时，铁素体α相含量超过70%，屈服强度提高，但由于晶粒明显粗化，冲击韧性下降较为明显。在后续800℃时效过程中，由于铁素体α相发生分解，σ相和碳化物等高硬度脆性析出相重新析出，在两相的相界和晶界分布，使得材料强度硬度升高，塑性、韧性明显下降，钢的性能降低。

2.4　固溶和时效处理对耐蚀性能的影响

    按照国家标准GB/T 4334—2020《金属和合金的腐蚀奥氏体及铁素体/奥氏体双相不锈钢晶间腐蚀试验方法》中的E法即硫酸⁃硫酸铜试验方法，对2507双相不锈钢固溶态和800 ℃时效态的试样进行晶间腐蚀试验，结果见表5。

     采用弯曲法评定试样，固溶态试样晶间腐蚀试验结果合格，高硬度的时效态试样在弯曲时发生断裂，随后再对其采用金相法评定，发现时效态试样存在晶间腐蚀现象，其晶间腐蚀深度为0.03 mm，如图3所示。按照国家标准GB/T 17897—2016《金属和合金的腐蚀 不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》，对固溶态和800℃时效态的试样进行点腐蚀试验，2507双相不锈钢固溶态试样的腐蚀率为395 MPY（密耳每年），时效态试样的腐蚀率为1570 MPY。

     由以上试验数据可知，2507双相不锈钢在固溶态具有良好的耐点腐蚀、晶间腐蚀性能。此外，根据相关文献报道，该材料还具有优良的耐应力腐蚀性能。由以上2种热处理状态试样的腐蚀试验结果也可知，相对于固溶态，时效态试样耐蚀性能明显降低，在腐蚀介质和环境作用下钢的腐蚀速率明显加快，但相关研究表明，由于2507双相不锈钢是高铬含钼的不锈钢，其耐晶间腐蚀和耐点蚀性能仍高于0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等不含钼的18-8型单相奥氏体不锈钢。

（1）2507双相不锈钢随固溶温度升高，析出相逐步溶解，晶粒逐渐变粗，铁素体相含量不断增加。1050 ℃固溶热处理后析出相充分溶解，晶粒较细，固溶温度达到1100 ℃时，晶粒明显粗化，铁素体含量明显增加。

（2）2507双相不锈钢经800 ℃时效后铁素体α相分解成σ相和碳化物析出相，分解析出首先发生在相界面上，进而扩展到铁素体内部。分解析出速度受固溶温度和时效时间影响，并随着时效时间的延长，铁素体α相的分解比例增加，析出相数量逐渐增多；随着固溶温度升高，时效组织中铁素体α相的分解析出速度减缓。

（3）2507双相不锈钢在固溶态具有良好的塑性和韧性，采用1050 ℃固溶处理能使该材料获得较好的综合力学性能。经800 ℃时效后，σ相和碳化物等高硬度脆性析出相在相界和晶界重新析出分布，导致该材料强度硬度大幅提高，塑性、韧性明显下降。

（4）2507双相不锈钢在固溶态具有良好的抗点腐蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀等耐蚀性能，但在时效后耐蚀性能明显下降，特别是800℃时效后，σ相和碳化物等富含合金元素的第二相大量析出，使得基体合金元素贫化，钢的腐蚀速率加快，耐蚀性能降低。