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  2. 行業新聞

    不銹鋼管研發的最新進展

    評價了近期不銹鋼管的部分工業發展狀況。對于奧氏體不銹鋼管而言,有兩大引人注目的合金開發方向:低鎳奧氏體不銹鋼管和高氮奧氏體不銹鋼管。這兩類合金的設計目的不同,尤其是強度方面,但其合金開發原理和科研方法很相似,都圍繞著氮這一合金元素對強度、塑性和耐蝕性的積極作用展開?,F在人們已經相當了解氮對固溶強化、晶界強化和加工硬化的影響以及如何充分利用這些影響來開發全球市場所需的材料。在耐蝕性方面,鐵素體、奧氏體和雙相不銹鋼管彼此競爭,有關其耐蝕性比較的實驗室數據也越來越多。但是,對于實際應用和合金選擇而言,僅僅是實驗室的數據是不夠的,因此文章給出了多年來對24種工業生產的不銹鋼管暴露在室外海洋大氣環境下的最新耐蝕性研究結果。希望在不久的將來能將更多制造商提供的鋼種納入到此項耐蝕性研究中來。這既能幫助消費者合理地選擇合金,也可以幫助鋼鐵生產企業開發合適的鋼種。

    -氮型奧氏體不銹鋼管的力學性能

    在奧氏體不銹鋼管的開發及后續的合理選材過程中總會涉及一個問題,那就是:這種鋼的力學性能如何?關于力學性能,通常鋼鐵生產商、中間商以及用戶只關注3個指標,即屈服強度、抗拉強度和延伸率。圖1給出了工業生產的奧氏體不銹鋼管的相關力學性能。

    由于這些數據經常在產品目錄和參考書中見到,因此被認為是對相應牌號鋼的準確描述。然而,即便是在完全再結晶狀態下,同一化學成分的鋼的力學性能也會有很大不同,如圖2~7所示。

    由于圖2所示合金采用了T i穩定化,故該鋼中不存在大量固溶態的碳或氮。因此,屈服強度線和抗拉強度線與縱坐標軸的交點R 0(180M Pa)R u(510MPa)分別對應著無間隙原子時的屈服強度和抗拉強度。將其與另一種間隙原子含量很高的鋼(如圖3所示[1])相比較可以發現,該鋼的屈服強度和抗拉強度要高很多,分別為530 MPa930MPa。

    至此可以得到一個非常清晰的結論:奧氏體不銹鋼管的屈服強度、抗拉強度和延伸率在極大程度上取決于晶粒度和固溶間隙原子含量。因此,在合金開發過程中,想要獲得一種特定力學性能的材料,就需要仔細考慮這兩方面的綜合影響以及單一方面的影響。如果出于合金成本和耐蝕性考慮而設計或選擇某種不銹鋼管,合金成分無法調整,此時仍然可以通過調整晶粒度來調整力學性能。下面將通過大量新近工業生產的奧氏體不銹鋼管來說明這一點。

    由圖4可以明顯看出,隨著晶粒度的不同,1.3820鋼完全再結晶狀態下的屈服強度在400M Pa500M Pa間變化,抗拉強度在800MPa1 000MPa間變化。

    隨著(C+N)含量的降低,屈服強度線和抗拉強度線的起始點(與強度軸的交點)和斜率顯著降低。圖5、圖6和圖7分別給出了兩種廣泛使用的低鎳奧氏體不銹鋼管以及一種最近開發的新鋼種,其強度都遠低于高氮鋼(3、4)。

    從上面的比較可以看出,(C+N)含量相比,鎳含量和鉻含量對力學性能的影響和晶界強化效果可以忽略不計。

    (C+N)含量對固溶強化的影響

    除上述合金外,還研究了大量其他奧氏體不銹鋼管的合金成分對固溶強化和晶界強化的影響,結果如圖8和圖9所示??梢钥闯?/span>,盡管存在一定的離散度,但趨勢是明顯的,即間隙元素(C+N)的含量對固溶強化和晶界強化都有決定性的影響。

    固溶強化方面的結果如圖8所示。圖中圓點代表外推到晶粒無限大狀態下合金的屈服強度。其中空心點代表過去十年間測試的合金,實心點代表最新測試的工業生產的低鎳奧氏體不銹鋼管。當面心立方合金外推到晶粒無限大的狀態時,8中的R 0計算方程比較準確地定量描述了環境溫度下(C+N)含量對固溶強化的影響,盡管仍存在一定的離散度。同理可以得到與抗拉強度相關的R u方程,如圖8所示。

    (C+N)含量對晶界強化的影響

    2~7中直線的斜率代表了大量奧氏體不銹鋼管的晶界強化效果。圖9對這些斜率值進行了總結歸納??梢钥闯?/span>,固溶的(C+N)含量決定了晶界強化的效果。因此,晶粒細小的高氮奧氏體不銹鋼管在完全再結晶的情況下可以獲得極高的屈服強度。

    9的離散度有些偏大,這可能是由于不同的研究團隊計算晶粒尺寸的方法不同。

    目前筆者正在研究如何消除這些差異。盡管如此,9所示的趨勢仍就非常清晰和顯著,幾乎無需修正。

    8和圖9都表明鋼鐵生產商僅通過控制奧氏體不銹鋼管中間隙元素(C+N)的含量和晶粒尺寸就可以在很大的強度范圍內獲得滿意的材料。而這種強度范圍還遠沒有得到充分拓展,尤其是對于工業生產的高強度不銹鋼管而言。從高強度需求角度考慮,高科技能否進一步發展可能取決于此。從低強度高塑性等角度考慮,例如在深沖應用方面,低鎳奧氏體合金能否更廣泛應用也可能取決于對晶粒尺寸的合理控制。

    韌脆轉變溫度

    很久以前人們就知道:(C+N)含量越高,韌脆轉變溫度越高,因此含氮1.0%的奧氏體不銹鋼管在環境溫度下就會很脆。這也就說明此類鋼中有益的(C+N)含量存在上限。最近的研究也證實了這一點,如圖10和圖11所示。從圖11可以明顯看出4項近期研究結果同樣滿足從圖10中數據歸納出的關系式(5~8)。因此,可以說圖10中的方程能夠很好地預測韌脆轉變溫度。這可能也意味著C r、M n、N i等其他合金元素對韌脆轉變溫度的影響微乎其微。

    然而,溫度和(C+N)含量較低時該方程不適用。從圖11中的三角形數據點(代表一種高鎳奧氏體不銹鋼管)的位置就可以看出這一點。這種差異與很低溫度下鎳對塑性的積極作用是分不開的。但是,(C+N)質量分數在0.8%以上時,鎳將不會降低韌脆轉變溫度,也就不會提高塑性。

    雙相鋼的縫隙腐蝕

    測量不銹鋼管耐縫隙腐蝕能力的方法之一是測量材料在6%FeC l 3水溶液下暴露24 h時縫隙腐蝕發生的最低溫度。圖12總結了大量奧氏體不銹鋼管的此類數據,橫坐標是用MARC關系式表示的合金含量。

    12中各種奧氏體不銹鋼管的實驗數據與圖中所示關系式十分吻合。另外,該式同樣也可以非常準確地預測雙相鋼的耐臨界縫隙腐蝕能力,如圖13所示。

    從圖13可以看出,雙相鋼的臨界縫隙腐蝕溫度完全符合圖12所示的奧氏體不銹鋼管的關系式。這一結論在幾年前就公布了[4,9,10]。2009,兩種新雙相鋼22073207隆重問世,其臨界縫隙腐蝕溫度也完全符合筆者得到的關系式(13)。這有兩方面意義:一是說明這兩種雙相鋼的耐臨界縫隙腐蝕能力確實比其他雙相鋼更好;二是說明我們的關系式可以用來準確預測新開發不銹鋼管的耐蝕性。

    點腐蝕和海洋大氣環境下的失重

    點蝕電位常常用來表征不銹鋼管的耐蝕性。但是,不銹鋼管在實際使用環境下的耐蝕性也是需要知道的。地球上最普遍的環境之一便是海洋大氣環境。為此,開展了一項長期實驗項目:測量多種不銹鋼管在海洋大氣環境下的腐蝕失重。本文中的一些結果是實驗進行兩年后得到的。只要有了新鋼種,就會把它加入這項長期實驗項目中,因此希望能有更多的鋼鐵生產商和用戶提供樣品,納入該項非贏利的中立研究中來。今后每年都將公布不銹鋼管相對耐蝕性的對比實驗結果,并使其更加準確可靠。

    14給出了筆者收集的大量有關鐵素體、奧氏體和雙相不銹鋼管在海洋大氣環境下失重和海水中點蝕電位的數據。通過圖14中的線性標尺可以看到,對于耐蝕性最差的兩種含12%C r不銹鋼管410409來說,其點蝕電位和失重間存在一種讓人滿意的相關性,但我們沒有就此滿足。由于分散度較大,使得我們沒有把握能夠根據耐蝕性上的微小差異來評判兩種差異微小的鋼。但是,隨著時間的積累,每過一年海洋大氣環境下的腐蝕失重對比就會更加明顯,結果也就更加可信。同時,還委托其他實驗機構進行點蝕電位的測定,以便將來能夠測量不銹鋼管耐蝕性的細微差異,并保證結果的一致性和重現性。要識別這些細微差異,必須使用對數坐標(15),特別是未來幾年里測量失重率很低的高合金奧氏體和雙相不銹鋼管的失重更是如此。

    從圖15的離散度可以看出,MARC關系式來描述不同類型不銹鋼管的耐蝕性是個不錯的選擇。但是我們承認單獨根據合金成分來預測商品不銹鋼管的耐蝕性是遠遠不夠的,鋼中的雜質、夾雜物和組織也會有不同程度的影響。因此,除了實驗室測試和利用關系式預測這兩種方法外,對比工業生產不銹鋼管在海洋大氣環境下的實際耐蝕性是必要和有意義的。

    結論

    本文給出了不銹鋼管的在力學性能和耐蝕性方面的最新研究進展,結果有助于對這兩方面性能的更好理解和可預測性,有助于不銹鋼管質量的提升及其合理選擇使用。而這種作用在性能和價格的高端和低端體現的最為明顯,比如高強度或低強度不銹鋼管,或者合金成本很低或很高的情形。

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