Metallurgical Engineering
Vol.05 No.02(2018), Article ID:25116,8 pages
10.12677/MEng.2018.52006

Research on the Effect of Ni Content on Microstructure and Properties of Hyper Duplex Stainless Steel S32707

Binbin Zhang*, Shucai Zhang, Jingxi Wu, Pengfei Chang, Sipeng Fan, Zhixing Li, Zhouhua Jiang

School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang Liaoning

Received: Apr. 29th, 2018; accepted: May 21st, 2018; published: May 28th, 2018

ABSTRACT

In this paper, the effect of Ni content on microstructure, phase ratio, corrosion resistance and mechanical property of hyper duplex stainless steel S32707 was researched using metallographic digital microscope, scanning electron microscope, electrochemical workstation, and electronic universal tensile testing machine. The related mechanism is clarified. The result indicates that, with the increase of Ni content, the ferrite phase content gradually decreases, the pitting corrosion resistance slightly increases, the tensile strength and yield strength gradually decrease, and the elongation increases first and then decreases. When the amount of Ni is added to 7.0%, S32707 has the best comprehensive mechanical property.

Keywords:Ni Content, Hyper Duplex Stainless Steel, S32707, Microstructure, Corrosion Resistance, Mechanical Property

Ni含量对特超级双相不锈钢S32707组织与性能的影响研究

张彬彬*,张树才,吴敬玺,常朋飞,范思鹏,李志兴,姜周华

东北大学冶金学院,辽宁 沈阳

收稿日期:2018年4月29日;录用日期:2018年5月21日;发布日期:2018年5月28日

摘 要

本文利用金相数码显微镜、扫描电镜、电化学工作站、电子万能拉伸试验机等测试手段,研究了Ni含量对特超级双相不锈钢S32707的微观组织、相比例、耐点蚀性能和力学性能的影响规律,阐明了Ni含量对钢组织和性能的影响机理。结果表明:随着Ni含量的增加,铁素体含量逐渐减少,耐点蚀性能略微增强,抗拉强度和屈服强度均逐渐减小,延伸率先增加后减小。当Ni含量为7.0%时,S32707的综合力学性能最好。

关键词 :Ni含量,特超级双相不锈钢,S32707,组织,腐蚀性能,力学性能

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1. 引言

超级双相不锈钢具有十分优异的耐腐蚀性能和力学性能,广泛应用于发电厂、海洋建筑、海水淡化等极端苛刻的服役环境中 [1] [2] [3] 。然而,随着现代工业的发展,超级双相不锈钢越来越难以满足高温、高压、高氯离子、强酸性等极端苛刻的服役环境。为了满足这一需求,合金含量更高、耐蚀和力学性能更加优异的特超级双相不锈钢受到越来越多的关注 [4] [5] 。

目前,国内外学者对特超级双相不锈钢进行了大量的研究和报道。Zhang等人 [6] 研究了S32707时效析出行为及相转变机制,发现该钢的鼻尖温度为950℃,主要析出相为σ相和Cr2N。黄盛等人 [7] [8] 发现特超级双相不锈钢00Cr27Ni7Mo5N在1100℃固溶处理时展现出最佳的耐腐蚀性能和力学性能。Jeon等人 [9] 探索了稀土Ce对27Cr-7Ni特超级双相不锈钢析出相和耐腐蚀性能的影响,结果表明Ce能显著降低钢中σ相的数量,提高钢的耐晶间腐蚀性能。另外,Kim等人 [10] 发现Ce能提高27Cr-7Ni特超级双相不锈钢的强度,但对冲击韧性无明显影响。然而,这些研究仅局限于时效析出行为或稀土Ce对钢耐腐蚀性能和力学性能的影响等方面,关于合金元素对特超级双相不锈钢组织和性能的影响研究还鲜有报道。

因此,本文利用金相显微镜、扫描电镜、电化学工作站、电子万能拉伸试验机等测试手段,研究Ni含量对特超级双相不锈钢S32707的微观组织、相比例、耐点蚀性能和力学性能的影响规律,阐明影响机理,从而为该钢的合金成分优化设计及工业化应用提供理论依据。

2. 实验材料与方法

不同Ni含量的S32707采用25 kg真空感应炉熔炼,经热锻、热轧制备成5 mm厚的板材,其化学成分如表1所示。为了获得等体积分数的铁素体(α)相和奥氏体(γ)相,将热轧板在1200℃固溶处理1 h后水淬。固溶处理后的试样在砂纸上湿磨到2000目后抛光,采用30%的KOH溶液对抛光试样进行电解腐蚀,电压为5 V,电解时间为2~10 s。利用Olympus DSX510金相数码显微镜观察腐蚀后试样的微观组织形貌,并用OLYCIA M3软件统计铁素体和奥氏体相的比例,每组试样统计5次取平均值。采用Gamry Reference 600电化学工作站进行开路电位和电化学阻抗谱测试,腐蚀溶液均选用2倍模拟海水,其化学成分如表2

表1. 不同Ni含量S32707的化学成分(wt.%)

Table 2. Chemical composition of 2 times simulated seawater solutions

表2. 2倍模拟海水溶液的化学成分(g∙L−1)

所示,测试温度为60℃。参照ASTM-E8-13a《Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials》标准进行室温拉伸实验,实验在CMT-10(T)型微机控制电子万能(拉力)试验机上进行,横梁移动速度为2 mm/min,实验结束后用Ultra Plus型场发射扫描电子显微镜观察试样的断口形貌。

3. 实验结果与分析

3.1. Ni含量对α与γ相比例的影响

图1为不同Ni含量S32707固溶处理后的金相组织,其中黑色相为α相,灰白色相为γ相。可以看出,随着Ni含量的升高,α相的比例明显增大。通过统计两相比例发现(结果如图2所示),Ni含量为5.5%时,α相比例为56.8%,γ相比例为43.2%;当Ni含量增加至7.0%时,α相比例降低至50.2%,γ相比例提高到49.8%,两相比例接近1:1;当Ni含量进一步提升为9.0%时,α相比例降低至38.3%,γ相比例高达61.7%。同时可以看出,随着Ni含量的增加,α相比例呈现线性降低的规律。这是因为Ni是奥氏体形成元素,Ni含量提高可显著增加钢中γ相的数量。

3.2. Ni含量对耐点蚀性能的影响

图3为不同Ni含量S32707在2倍模拟海水中开路电位随时间的变化曲线。可以看出,三个试样的开路电位均随时间发生正移,这是由于电极表面在空气中生成的氧化膜与模拟海水发生反应而变厚。随着时间延长,氧化膜厚度不断增加,直至达到稳定 [11] 。同时,高的Cr、Mo、N含量也是导致开路电位升高的原因。高的Cr含量有利于金属表面钝化,Mo可促进内层钝化膜富集Cr氧化物 [12] ,N能使内层钝化膜进一步富Mo。Cr、Mo、N的协同作用提高钝化膜的稳定性和致密性,从而使开路电位升高 [13] 。由图3还可以看出,开路电位随Ni含量的升高而增大,这是由于提高Ni含量可促进金属表面钝化膜的生长 [14] ,导致其开路电位正移。

图4是不同Ni含量S32707在2倍模拟海水溶液中的电化学阻抗谱。可以看出,Nyquist图(图4(a))为未完成的容抗弧,且容抗弧半径随Ni含量的升高而增大,说明Ni可提高S32707耐腐蚀性能。由Bode图(图4(b))可知,在极高频区阻抗模值表征溶液的电阻,由于溶液成分及温度均恒定,因此溶液的电阻基本保持不变,极高频区所呈现的规律几乎相同。在极低频区,阻抗模值反映电极的极化阻抗,随Ni含量升高,S32707的极化阻抗略微增加,表明钝化膜的稳定性增强,腐蚀速率减小。说明Ni含量的增加使S32707的耐蚀性提高,与开路电位的结果一致。这主要是因为Ni氧化物在钝化膜中富集有利于提高钝化模的稳定性和致密性,从而提高钢的耐腐蚀性能 [14] [15] [16] 。同时可以看出,阻抗角在不同电位下的

Figure 1. Microstructure of S32707 with different Ni content: (a) Ni5.5, (b) Ni7.0, (c) Ni9.0

图1. 不同Ni含量S32707的金相组织:(a) Ni5.5,(b) Ni7.0,(c) Ni9.0

Figure 2. The α phase content in the microstructure of S32707 with different Ni content

图2. 不同Ni含量S32707金相组织中的α相含量

阻抗谱中始终小于90˚,这与理想电容特征不同,因此等效电路中需要引入常相位角原件(CPE) [17] 。研究认为,这种背离理想电容特征的原因包括:表面异质性、夹杂物、缺陷、晶界、吸附物以等。CPE的阻抗ZCPE为:

Z C P E = 1 Q ( j ω ) n

其中,Q为CPE电容,ω为角频率(rad/s),j为虚数单位(j2 = −1),n为CPE指数。

采用图5中电路可以拟合不同Ni含量S32707在模拟海水环境中电化学阻抗谱的相关参数,结果列于表3中,各元件的误差均小于10%。电路总阻抗值Ztotal为:

Z t o t a l = R s o l + ( Q 1 ( j ω ) n 1 + 1 + R 2 Q 2 ( j ω ) n 2 R 1 + R 2 + R 1 R 2 ( j ω ) n 2 ) 1

其中,Rsol为电解质溶液电阻;R1为钝化膜电阻;Q1为双电层电容;R2为极化电阻;Q2为内层钝化膜电容。

Figure 3. Evolution of the open circuit potential with time for S32707 in simulated seawater solutions

图3. 不同Ni含量S32707在2倍模拟海水溶液中的开路电位随时间的变化曲线

(a) (b)

Figure 4. EIS for S32707 with different Ni content in simulated seawater solutions: (a) Nyquist plots; (b) Bode plots

图4. 不同Ni含量的S32707 在模拟海水溶液中的电化学阻抗谱:(a)尼奎斯特图;(b)波特图

根据等效电路拟合结果(表3),R1和R2均随Ni含量升高而增大,说明Ni可降低钝化膜的电导率,增加钝化膜的厚度,从而提高钢的耐腐蚀性能 [18] 。

3.3. Ni含量对拉伸性能的影响

图6为不同Ni含量S32707的室温拉伸结果。从应力–应变曲线(图6(a))可以看出,所有试样均经历弹性变形、塑性变形、加工硬化和断裂四个典型过程,并且塑性变形和加工硬化阶段非常明显。应力–应变曲线都存在明显的最高点,说明试样达到抗拉强度时开始发生颈缩,颈缩前均匀塑性变形过程占主导,颈缩后集中变形所占比例很小,说明不同Ni含量S32707均具有良好的塑性变形能力。根据图6(b)可以看出,试样的抗拉强度和屈服强度均随着Ni含量的增加逐渐减小,而延伸率先增加后减小。Ni5.5的抗拉强度比Ni7.0和Ni9.0的分别高20 MPa和96 MPa,屈服强度分别高33 MPa和138 MPa,Ni7.0的

Figure 5. Equivalent circuit of EIS used for S32707 in simulated seawater solutions

图5. S32707在模拟海水溶液中电化学阻抗谱的等效电路

(a) (b)

Figure 6. Tensile results of S32707 with different Ni content at room temperature: (a) stress-strain curve; (b) tensile strength, yield strength and elongation

图6. 不同Ni 含量S32707的室温拉伸结果:(a)应力–应变曲线;(b)抗拉强度,屈服强度和延伸率

Table 3. Equivalent circuit parameters for S32707 in simulated seawater solutions

表3. S32707在模拟海水溶液中的等效电路拟合结果

延伸率最高,值为42.0%。

图7为不同Ni含量S32707的拉伸断口形貌。可以看出,所有试样的拉伸断口均存在大量韧窝,说明钢具有良好的韧性,断裂方式为韧性断裂。另外,通过对比可以看出,Ni7.0钢韧窝数量明显大于另外两种Ni含量的钢,并且其韧窝大小较均匀。Ni9.0钢韧窝数量最少,解理面较多,说明当Ni含量为7.0%时,S32707的塑性最好,断口形貌特征与拉伸实验结果一致。

对于铁素体奥氏体双相不锈钢,α为强硬相,γ为塑韧相。Ni元素是γ的主要形成元素,随着Ni含量的增加,更多的Ni扩散进入α中,使部分的α转化为γ,即α逐渐减少,因此Ni含量升高导致钢的强度降低。又因为Ni是提高钢韧性最有效的元素,因此当Ni含量增加到7.0%时延伸率增加了1.2%,但进一步增加Ni含量其延伸率反而下降,这是由于进一步提高Ni含量导致两相比例失调,从而造成延伸率降低 [19] ,由图2可知,当Ni含量为9%时,α和γ相比例分别为38.3%和61.7%。通过对比三种Ni含量的钢可以发现,Ni7.0钢强度较高,延伸率最好,具有最佳的综合力学性能。

Figure 7. Tensile fracture morphology of S32707 with different Ni content: (a) Ni5.5; (b) Ni7.0; (c) Ni9.0

图7. 不同Ni含量S32707的拉伸断口形貌:(a) Ni5.5;(b) Ni7.0;(c) Ni9.0

4. 结论

1) 随着Ni含量的升高,S32707中α含量降低而γ含量升高,Ni含量为7.0%时,两相比例接近1:1。

2) 在模拟海水环境中,随着Ni含量的增加,开路电位逐渐增加,点蚀电位逐渐增大但增幅较小,极化阻抗逐渐增加,钢的耐点蚀性能逐渐增强。

3) 随着Ni含量的增加,钢的抗拉强度和屈服强度均逐渐减小,延伸率先增加后减小。Ni7.0钢强度较高,延伸率最好,具有最佳的综合力学性能。

基金项目

国家自然科学基金面上项目(51774074),沈阳市双百工程(重大科技成果转化) (Z17-5-003)。

文章引用

张彬彬,张树才,吴敬玺,常朋飞,范思鹏,李志兴,姜周华. Ni含量对特超级双相不锈钢S32707组织与性能的影响研究
Research on the Effect of Ni Content on Microstructure and Properties of Hyper Duplex Stainless Steel S32707[J]. 冶金工程, 2018, 05(02): 39-46. https://doi.org/10.12677/MEng.2018.52006

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  20. NOTES

    *通讯作者。

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