双相不锈钢的耐应力腐蚀性能及机理

张跃

摘 要： 双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，它有如下的一些特点：

（1）强度高，它的屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍。

（2）膨胀系数小，导热系数大。

（3）对晶间腐蚀不敏感。

（4）具有优良的耐应力腐蚀和耐腐蚀疲劳性能，还具有较好的耐点蚀性能。

（5）由于Cr高，Ni低，所以Cr—Ni奥氏体不锈钢便宜。

其中优良的耐应力腐蚀性能是它受到广泛应用的一个重要原因。本文以Cr18型不锈钢为例，具体说明双相不锈钢的耐应力腐蚀性能。

关键词： 双相不锈钢；腐蚀介质；耐应力腐蚀；腐蚀机理

1.1 耐应力腐蚀性能

关于双相不锈钢的耐应力腐蚀性能，最早是从对18—8 Ti 奥氏体不锈钢中δ铁素体相作用研究开始的。研究指出，由于18—8钢中δ铁素体的存在而大大改善了它们的耐应力腐蚀性能。随后，人们研究了δ铁素体相的含量对不锈钢耐应力腐蚀性能的影响。研究结果综合表明，双相不锈钢不仅具有优良的耐应力腐蚀性能，而且还具有良好耐一般腐蚀性能，以及高强度、高韧性、低膨胀系数和良好的导热性能等。

（1）在高浓氯化物溶液中

高浓氯化物常以MgCl2、NaCl溶液作为加速试验介质。在MgCl2溶液实验中，双相钢在高应力下的破断时间是很短的；但是在低应力下，破断时间大大延长，也就是说，双相不锈钢具有较高的临界应力。在NaCl点滴应力腐蚀实验中，同样可以看出双相不锈钢具有比18—8单相奥氏体不锈钢高得多的临界应力。

另外，在25%NaCl溶液中试验时发现即使在U形试样这样高应力水平下，18—5—Nb型双相不锈钢和25—5型双相不锈钢的耐应力腐蚀性能也要比18—8奥氏体不锈钢高得多，在此条件下，两种双相钢1000小时试验期间内均未出现应力腐蚀，而18—8不锈钢在不足20小时试验期间内就产生了断裂，这就表明，如果在酸性MgCl2溶液、恒载荷试验条件下双相不锈钢的优良的耐应力腐蚀性能表现的还不十分明显的话，那么在中性NaCl溶液中的恒应变试验条件下，双相不锈钢优良的耐应力腐蚀性能就显得十分清楚了。

（2）高温水条件

在高温水条件下，对双相不锈钢耐应力腐蚀性能的研究目前还并不十分充分。研究者在200℃500ppm CLˉ、饱和氧条件下所进行的试验表明，18—5—Nb 和25—5 双相不锈钢与18—8单相不锈钢相比，具有高得多的耐应力腐蚀性能。Spahm 的试验结果指出，在200℃、100 ppm CLˉ、5—9 ppm O2條件下长期试验后双相不锈钢也没有发生应力腐蚀。同样，在295℃、5 ppm CLˉ、PH=5的高温水中，双相不锈钢也具有优良的耐应力腐蚀性能。

Wilson 研究了各种材料在电站锅炉水条件下的应力腐蚀问题。结果指出，3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2）双相不锈钢无论是固态还是475℃×300小时脆化处理态，在磷酸处理或全挥发处理的电站锅炉水中，均未出现应力腐蚀裂纹，单脆化处理的样品却在10% NaOH和含100 ppm CLˉ、10 ppm 、200 ppm 氧的高温纯水中产生了应力腐蚀。因此，双相不锈钢不宜推荐在300℃以上的高温水介质中使用，这是由于长期使用在300℃以上就会有可能出现所谓的475℃脆性，从而恶化钢的耐应力腐蚀性能。

尽管双相不锈钢在某些条件下也会发生应力腐蚀，但是，一般来说它的破裂时间要比18—8奥氏体不锈钢长得多。也就是说，双相钢具有较低应力腐蚀敏感性。

1.2双相不锈钢的应力腐蚀机理

双相不锈钢在氯化物、高温水、连多硫酸等介质中具有较高的耐应力腐蚀性能，其应力腐蚀破裂行为与钢种成分、热处理状态、介质条件等许多因素有关。应力腐蚀裂纹形态千差万别，有的应力腐蚀裂纹只在奥氏体中传播，裂纹遇到铁素体相则受到阻滞作用；有的裂纹又只在铁素体中传播，遇到奥氏体时，反而受到阻碍；还有的应力腐蚀裂纹，既可穿过铁素体相，又可穿过奥氏体相；而另一些有时又仅沿晶界扩展。这样，对于这些应力腐蚀裂纹传播特征所进行的机理解释自然也有所不同。迄今为止，对双相不锈钢耐应力腐蚀的原因还没有一个统一的认识。在分析研究了国内外一些研究工作后，对α+γ双相 不锈钢具有优良的耐氯化物应力腐蚀的原因简单地归结为：

1.α+γ双相不锈钢的屈服强度较18—8奥氏体不锈钢的高。因而，在相同的应力作用下，较难发生粗大的滑移。因此，表面膜不易破裂，应力腐蚀裂纹难以形成。

2.在中性含CLˉ的介质中，18—8奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂多为以孔蚀为起点，而双相不锈钢由于其成分和组织结构的特点，其耐孔蚀性能较18—8钢为优越。孔蚀既不易形成，且一旦形成，由于第二相的屏障作用，又不易扩展为应力集中系数较大的尖角形孔坑。

3.α+γ双相不锈钢中的第二相（α或γ）的存在，对应力腐蚀裂纹的扩展亦起到机械屏障作用。它可以阻止裂纹向前发展，也可以使扩展中的裂纹改变方向。从而大大延长了应力腐蚀的扩展期。

4.当α+γ双相不锈钢系以奥氏体为基体而在基体上存在着一定数量的铁素体时，在介质作用下，铁素体对奥氏体起到电化学防护作用。在实际事故中观察到的α相优先溶解就是例证。另外有些学者在研究了25Cr—Ni双相不锈钢在MgCl2溶液中的应力腐蚀行为，发现裂纹只在铁素体相中扩展，因此，他们认为双相不锈钢之所以具有较高的耐应力腐蚀性能可以用以下4种机理模型加以解释：

（1）电化学保护作用。由于α和γ两相成分不同，因而其电化学行为也不同。在MgCl2介质条件下，α相为阳极，γ相为阴极，通过阳极溶解使γ相受到保护。

（2）α相和γ相的应变行为不同。由机械性能的滑移变形行为不同的α和γ两相组成的钢，在应力作用下，两相中的应力分配以及变形行为均不同，α相为高应力区，γ相为低应力区，因而使γ相的应力腐蚀敏感度降低。

（3）两相中残余应力分布不同。由于α相和γ相的膨胀系数不同，在固溶处理后，膨胀系数大的γ相收缩量也大，因而在α/γ相界附近产生拉应力，而在α相中产生压应力。一般说来，在残余应力为压应力的情况下，对应力腐蚀有抑制的作用。因此，在α相中扩散的应力腐蚀裂纹当遇到岛状分布的γ相时，由于残余应力状态不同而受到阻碍。

（4）当裂纹扩展到γ相时，裂纹尖端产生的应力场使γ相中的位错排列发生变化，或者使其生成应变马氏体，从而使γ相的应力腐蚀腐蚀敏感性降低。

在进一步分析研究的基础上认为，电化学保护在提高双相不锈钢耐应力腐蚀性能方面的作用是较小的，而其余三点是主要的。也即是说，双相不锈钢的较高的耐应力腐蚀性能归因于两相混合组织所产生的机械效应。

当然，这种解释也不是完美无缺的。它只使用于裂纹在α相中传播，γ相有机械阻碍作用的情况下。而对于裂纹在γ相中传播，α相有机械作用的情况就不适合。因此，机理的解释还有待进一步的完善。