《工程科学学报》：固溶处理对S32707特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 固溶处理对$32707特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响 沈伟孙丽娟李长荣杨占兵王福明 Solution treatment effect on precipitates,microstructure,and properties of S32707 hyper-duplex stainless steel SHEN Wei,SUN Li-juan,LI Chang-rong.YANG Zhan-bing.WANG Fu-ming 引用本文： 沈伟，孙丽娟，李长荣，杨占兵，王福明.固溶处理对$32707特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响.工程科学学报， 2021,43(10:1339-1345.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.03.25.002 SHEN Wei,SUN Li-juan,LI Chang-rong,YANG Zhan-bing,WANG Fu-ming.Solution treatment effect on precipitates, microstructure,and properties of S32707 hyper-duplex stainless steel[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10):1339-1345. doi10.13374/1.issn2095-9389.2021.03.25.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2021.03.25.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in Mn对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响 Effect of manganese addition on resistance to pitting corrosion of duplex stainless steel S32205 工程科学学报.2019,41(2：246htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.012 固溶时效工艺对6016铝合金力学性能的影响及多目标优化 Effect of solution and aging processes on the mechanical properties of 6016 aluminum alloy and multi-objective optimization 工程科学学报.2017,391)：75 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.01.010 倾斜板法制备9Cr18半固态坯料二次重熔的微观组织演变 Microstructure evolution during remelting of 9Cr18 semisolid billet prepared by sloping plate method 工程科学学报.2021,43(2：248 https::/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.05.12.003 石墨烯含量对石墨烯A1-15Si-4Cu-Mg复合材料微观组织和力学性能的影响 Effect of graphene content on the microstructure and mechanical properties of graphene-reinforced Al-15Si-4Cu-Mg matrix composites 工程科学学报.2019,41(9外：1162 https:/oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.09.007 2507双相不锈钢在$0，污染模拟海水中的腐蚀行为 Corrosion behavior of 2507 duplex stainless steel in simulated SO2-Polluted seawater 工程科学学报.2018.40(5：587htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.05.009 FeCrAl不锈钢的平衡凝固相变与析出行为 Phase transformations and precipitation behavior in FeCrAl stainless steel during equilibrium solidification 工程科学学报.2017,395：710 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.05.009

固溶处理对S32707特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响 沈伟 孙丽娟 李长荣 杨占兵 王福明 Solution treatment effect on precipitates, microstructure, and properties of S32707 hyper-duplex stainless steel SHEN Wei, SUN Li-juan, LI Chang-rong, YANG Zhan-bing, WANG Fu-ming 引用本文: 沈伟, 孙丽娟, 李长荣, 杨占兵, 王福明. 固溶处理对S32707特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1339-1345. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.25.002 SHEN Wei, SUN Li-juan, LI Chang-rong, YANG Zhan-bing, WANG Fu-ming. Solution treatment effect on precipitates, microstructure, and properties of S32707 hyper-duplex stainless steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1339-1345. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.25.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.25.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in Mn对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响 Effect of manganese addition on resistance to pitting corrosion of duplex stainless steel S32205 工程科学学报. 2019, 41(2): 246 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.012 固溶时效工艺对6016铝合金力学性能的影响及多目标优化 Effect of solution and aging processes on the mechanical properties of 6016 aluminum alloy and multi-objective optimization 工程科学学报. 2017, 39(1): 75 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.010 倾斜板法制备9Cr18半固态坯料二次重熔的微观组织演变 Microstructure evolution during remelting of 9Cr18 semisolid billet prepared by sloping plate method 工程科学学报. 2021, 43(2): 248 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.12.003 石墨烯含量对石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg复合材料微观组织和力学性能的影响 Effect of graphene content on the microstructure and mechanical properties of graphene-reinforced Al-15Si-4Cu-Mg matrix composites 工程科学学报. 2019, 41(9): 1162 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.007 2507双相不锈钢在SO2污染模拟海水中的腐蚀行为 Corrosion behavior of 2507 duplex stainless steel in simulated SO2 -Polluted seawater 工程科学学报. 2018, 40(5): 587 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.009 FeCrAl不锈钢的平衡凝固相变与析出行为 Phase transformations and precipitation behavior in FeCrAl stainless steel during equilibrium solidification 工程科学学报. 2017, 39(5): 710 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.009

工程科学学报.第43卷，第10期：1339-1345.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1339-1345,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.25.002;http://cje.ustb.edu.cn 固溶处理对S32707特超级双相不锈钢析出相、组织及 性能影响 沈伟，孙丽娟，李长荣2)，杨占兵)，王福明)四 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学材料与工程学院.北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangfuming@metall..ustb.edu.cn 摘要通过Thermo-Calc热力学计算、OM和FE-SEM观察、力学性能和腐蚀性能试验对不同固溶温度下的特超级双相不 锈钢进行分析和研究.结果表明：σ相和非平衡氮化物是固溶水冷组织中的主要析出相，当固溶温度低于1050℃时，ō相优 先沿双相界面析出，显著降低双相不锈钢的冲击韧性：当固溶温度高于1100℃，非平衡氮化物开始在铁素体晶粒内部析出， 且随着固溶温度的升高，非平衡氨化物析出数量增加.这是由于固溶水冷过程中氨在铁素体中的溶解度快速降低，过饱和的 氮来不及扩散到相邻奥氏体中，只能以氮化物的形式析出.随固溶温度升高，铁素体含量增加，奥氏体含量降低，实验钢的强 度增加.冲击韧性降低.在1080~1120℃之间固溶时，双相比例接近1：1.S32707特超级双相不锈钢具有优良的综合力学性 能和耐晶间腐蚀性能 关键词特超级双相不锈钢：组织演变：σ相：非平衡氮化物：力学性能 分类号TG142.71 Solution treatment effect on precipitates,microstructure,and properties of S32707 hyper-duplex stainless steel SHEN Wei,SUN Li-juan,LI Chang-rong?.YANG Zhan-bing,WANG Fu-ming 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangfuming @metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Duplex stainless steel (DSS)has been widely used in some harsh environments,such as flue gas shedding and seawater desalination,because of its high strength and corrosion resistance.These excellent properties rely on a high alloy content(Cr,Mo,N, etc.)and perfect dual-phase equilibrium.The dual-phase equilibrium mainly includes dual-phase proportion balance,properties balance, and absence of clear secondary phase in the solid solution structure.As one of the main developmental directions of DSS,hyper-duplex stainless steel (HDSS)has attracted much attention in recent years.In this paper,the effects of solution treatment on precipitates, microstructure,and properties of S32707 HDSS were studied by Thermo-Calc thermodynamic calculation,OM and FE-SEM observation,mechanical properties,and corrosion property tests.The results showed that phase and non-equilibrium nitrides were the main precipitates of solution-treated HDSS.When the solution temperature was lower than 1050 C,the o phase precipitated preferentially along the dual-phase boundaries,which significantly reduced the impact toughness of HDSS.When the solution temperature was higher than 1100 C,non-equilibrium nitrides precipitated in ferrite grains,and the number of non-equilibrium nitrides increased with an increase in solution temperature.The reason for the non-equilibrium nitride precipitation was that the nitrogen content 收稿日期：2021-03-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51974017)

固溶处理对 S32707 特超级双相不锈钢析出相、组织及 性能影响 沈    伟1)，孙丽娟1)，李长荣2)，杨占兵1)，王福明1) 苣 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学材料与工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: wangfuming@metall.ustb.edu.cn 摘    要    通过 Thermo-Calc 热力学计算、OM 和 FE-SEM 观察、力学性能和腐蚀性能试验对不同固溶温度下的特超级双相不 锈钢进行分析和研究. 结果表明：σ 相和非平衡氮化物是固溶水冷组织中的主要析出相，当固溶温度低于 1050 ℃ 时，σ 相优 先沿双相界面析出，显著降低双相不锈钢的冲击韧性；当固溶温度高于 1100 ℃，非平衡氮化物开始在铁素体晶粒内部析出， 且随着固溶温度的升高，非平衡氮化物析出数量增加. 这是由于固溶水冷过程中氮在铁素体中的溶解度快速降低，过饱和的 氮来不及扩散到相邻奥氏体中，只能以氮化物的形式析出. 随固溶温度升高，铁素体含量增加，奥氏体含量降低，实验钢的强 度增加，冲击韧性降低. 在 1080～1120 ℃ 之间固溶时，双相比例接近 1∶1，S32707 特超级双相不锈钢具有优良的综合力学性 能和耐晶间腐蚀性能. 关键词    特超级双相不锈钢；组织演变；σ 相；非平衡氮化物；力学性能 分类号    TG142.71 Solution  treatment  effect  on  precipitates,  microstructure,  and  properties  of  S32707 hyper-duplex stainless steel SHEN Wei1) ，SUN Li-juan1) ，LI Chang-rong2) ，YANG Zhan-bing1) ，WANG Fu-ming1) 苣 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangfuming@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT    Duplex stainless steel (DSS) has been widely used in some harsh environments, such as flue gas shedding and seawater desalination, because of its high strength and corrosion resistance. These excellent properties rely on a high alloy content (Cr, Mo, N, etc.) and perfect dual-phase equilibrium. The dual-phase equilibrium mainly includes dual-phase proportion balance, properties balance, and absence of clear secondary phase in the solid solution structure. As one of the main developmental directions of DSS, hyper-duplex stainless  steel  (HDSS)  has  attracted  much  attention  in  recent  years.  In  this  paper,  the  effects  of  solution  treatment  on  precipitates, microstructure,  and  properties  of  S32707  HDSS  were  studied  by  Thermo-Calc  thermodynamic  calculation,  OM  and  FE-SEM observation, mechanical properties, and corrosion property tests. The results showed that σ phase and non-equilibrium nitrides were the main  precipitates  of  solution-treated  HDSS.  When  the  solution  temperature  was  lower  than 1050 ℃,  the  σ  phase  precipitated preferentially  along  the  dual-phase  boundaries,  which  significantly  reduced  the  impact  toughness  of  HDSS.  When  the  solution temperature was higher than 1100 ℃, non-equilibrium nitrides precipitated in ferrite grains, and the number of non-equilibrium nitrides increased with an increase in solution temperature. The reason for the non-equilibrium nitride precipitation was that the nitrogen content 收稿日期: 2021−03−25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51974017） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1339−1345，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1339−1345, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.25.002; http://cje.ustb.edu.cn

·1340 工程科学学报，第43卷，第10期 in the ferrite increased with an increase in temperature.This led to the supersaturation of nitrogen in the ferrite grains during the rapid cooling process.Under such conditions,the finely dispersed non-equilibrium nitrides precipitated in the ferrite grains.With increasing solution temperature,the content of the ferrite increased,the content of austenite decreased,the strength increased,and the impact toughness decreased.The optimal solution temperature of HDSS was 1080-1120 C.Under this condition,the ratio of duplex was close to 11,and the S32707 hyper duplex stainless steel presented excellent comprehensive mechanical properties and intergranular corrosion resistance. KEY WORDS hyper duplex stainless steel;microstructure evolution;o phase:non-equilibrium nitrides:mechanical properties 特超级双相不锈钢(HDSS)因兼具超高强度和 1实验材料和方法 优良的耐腐蚀性能被认为是深海石油开采和传输 实验钢采用50kg加压感应炉熔炼并模铸成 环境下的理想材料，是双相不锈钢(DSS)重要的发 展方向之一).其较高的强度和优良的耐腐蚀性 钢锭，然后锻造成中15mm的圆棒，化学成分见表1. 图1是实验钢的锻后组织，为典型的双相织构，其 能取决于高的合金含量(Cr、Mo、N等)和双相平 中铁素体体积分数约占(54.9+2.9)% 衡值得注意的是，较高的合金含量会增加二次相 的析出风险刀，而二次相的存在对DSS的热加工性 表1实验钢化学成分（质量分数） 能、力学性能和耐腐蚀性能往往是不利的⑧-山，徐见 Table 1 Chemical composition of the tested steel 平等2研究表明：成分为28.59%Cr-4.3%M0-0.42%N C Si Mn Cr Mo Ni N Cu Co Fe 的S32707特超级双相不锈钢，由于σ相等二次相 0.01 0.371.1827.424.646.500.340.540.77Bal. 的析出，钢锭在加热炉内就发生开裂.黄盛等] 6 研究表明：σ相的存在虽然会增加DSS的强度和 硬度，但会造成材料塑性的显著降低.由于HDSS 的高合金、高性能要求与析出相、热加工性能之 间的矛盾关系，我国对特超级双相不锈钢成分设 计尚没有一个统一标准，目前还需要更多的基础 100μm 100μm 研究 图1实验钢锻后组织.(a)纵向：(b)横向 本课题组在对S32750超级双相不锈钢的 Fig.I Structure of the tested steel being forged:(a)longitudinal; 研究中发现：固溶处理温度达到1200℃时，铁素 (b)transverse 体及铁素体亚品界可观察到大量非平衡氨化物相 为探究固溶处理对实验钢的析出相、组织演 (CrN).徐海健等9在节约型2101双相不锈钢 变及性能的影响，基于图2实验钢热力学相图，在 1240℃固溶时也发现了此类非平衡氮化物.而关 1000~1300℃范围内以50℃为温度间隔进行固 于特超级双相不锈钢中非平衡氮化物的析出行为 溶处理，同时对热力学上双相接近1：1的重点考 的相关研究报道较少.相比于S32750和节约型 虑温度区间增加试验点.综上，将实验钢在1000、 2101双相不锈钢，S32707特超级双相不锈钢氨含 1050、1080、1100、1120、1150、1200、1250和1300℃ 量进一步增加61刀随着氨含量的增加，非平衡氨 保温30min固溶处理，然后快速水冷.试样经打磨 化物的析出风险增加，因此有必要研究非平衡氨 抛光后，用KOH溶液(20gKOH+100mL去离子 化物在S32707中的析出行为. 水)电解，电压10V,时间6~10s.利用Image J软 在合金含量一定的情况下，热处理工艺对双 件进行双相含量统计，每个温度点不少于20张光 相不锈钢二次相析出、组织演变和材料性能具有 镜照片，采用FE-SEM和TEM进行析出相和组织 显著影响8-0综上，本文通过Thermo-Calc热力 分析.参照国标GBT228.1一2010、GB/T229一 学计算、光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FE 2007和GB/T4334一2008对固溶处理样品分别进 SEM)、能谱(EDS)、透射电镜(TEM)等，研究固溶 行常温拉伸实验、冲击实验和晶间腐蚀实验 温度对$32707特超级双相不锈钢的二次相析出 2实验结论与讨论 (σ相和非平衡氨化物相)、组织演变及力学性能 的影响，为特超级双相不锈钢的成分设计及工业 2.1固溶温度对双相比例的影响 应用提供参考 图3是实验钢在不同固溶温度下的组织形貌

in the ferrite increased with an increase in temperature. This led to the supersaturation of nitrogen in the ferrite grains during the rapid cooling process. Under such conditions, the finely dispersed non-equilibrium nitrides precipitated in the ferrite grains. With increasing solution  temperature,  the  content  of  the  ferrite  increased,  the  content  of  austenite  decreased,  the  strength  increased,  and  the  impact toughness decreased. The optimal solution temperature of HDSS was 1080‒1120 ℃. Under this condition, the ratio of duplex was close to  1∶1,  and  the  S32707  hyper  duplex  stainless  steel  presented  excellent  comprehensive  mechanical  properties  and  intergranular corrosion resistance. KEY WORDS    hyper duplex stainless steel；microstructure evolution；σ phase；non-equilibrium nitrides；mechanical properties 特超级双相不锈钢（HDSS）因兼具超高强度和 优良的耐腐蚀性能被认为是深海石油开采和传输 环境下的理想材料，是双相不锈钢（DSS）重要的发 展方向之一[1−2] . 其较高的强度和优良的耐腐蚀性 能取决于高的合金含量（Cr、Mo、N 等）和双相平 衡[3−4] . 值得注意的是，较高的合金含量会增加二次相 的析出风险[5−7] ，而二次相的存在对 DSS 的热加工性 能、力学性能和耐腐蚀性能往往是不利的[8−11] . 徐见 平等[12] 研究表明：成分为28.59%Cr−4.3%Mo−0.42%N 的 S32707 特超级双相不锈钢，由于 σ 相等二次相 的析出，钢锭在加热炉内就发生开裂. 黄盛等[13] 研究表明：σ 相的存在虽然会增加 DSS 的强度和 硬度，但会造成材料塑性的显著降低. 由于 HDSS 的高合金、高性能要求与析出相、热加工性能之 间的矛盾关系，我国对特超级双相不锈钢成分设 计尚没有一个统一标准，目前还需要更多的基础 研究. 本课题组[14] 在对 S32750 超级双相不锈钢的 研究中发现：固溶处理温度达到 1200 ℃ 时，铁素 体及铁素体亚晶界可观察到大量非平衡氮化物相 （Cr2N）. 徐海健等[15] 在节约型 2101 双相不锈钢 1240 ℃ 固溶时也发现了此类非平衡氮化物. 而关 于特超级双相不锈钢中非平衡氮化物的析出行为 的相关研究报道较少. 相比于 S32750 和节约型 2101 双相不锈钢，S32707 特超级双相不锈钢氮含 量进一步增加[16−17] . 随着氮含量的增加，非平衡氮 化物的析出风险增加，因此有必要研究非平衡氮 化物在 S32707 中的析出行为. 在合金含量一定的情况下，热处理工艺对双 相不锈钢二次相析出、组织演变和材料性能具有 显著影响[18−20] . 综上，本文通过 Thermo-Calc 热力 学计算、光学显微镜（OM）、场发射扫描电镜（FE￾SEM）、能谱（EDS）、透射电镜（TEM）等，研究固溶 温度对 S32707 特超级双相不锈钢的二次相析出 （σ 相和非平衡氮化物相）、组织演变及力学性能 的影响，为特超级双相不锈钢的成分设计及工业 应用提供参考. 1    实验材料和方法 实验钢采用 50 kg 加压感应炉熔炼并模铸成 钢锭，然后锻造成 ϕ15 mm 的圆棒，化学成分见表 1. 图 1 是实验钢的锻后组织，为典型的双相织构，其 中铁素体体积分数约占（54.9±2.9）%. 表 1 实验钢化学成分（质量分数） Table 1   Chemical composition of the tested steel % C Si Mn Cr Mo Ni N Cu Co Fe 0.01 0.37 1.18 27.42 4.64 6.50 0.34 0.54 0.77 Bal. (a) (b) 100 μm 100 μm 图 1    实验钢锻后组织. （a）纵向；（b）横向 Fig.1     Structure  of  the  tested  steel  being  forged:  (a)  longitudinal; (b) transverse 为探究固溶处理对实验钢的析出相、组织演 变及性能的影响，基于图 2 实验钢热力学相图，在 1000～1300 ℃ 范围内以 50 ℃ 为温度间隔进行固 溶处理，同时对热力学上双相接近 1∶1 的重点考 虑温度区间增加试验点. 综上，将实验钢在 1000、 1050、1080、1100、1120、1150、1200、1250 和1300℃ 保温 30 min 固溶处理，然后快速水冷. 试样经打磨 抛光后，用 KOH 溶液（20 g KOH+ 100 mL 去离子 水）电解，电压 10 V，时间 6～10 s. 利用 Image J 软 件进行双相含量统计，每个温度点不少于 20 张光 镜照片. 采用 FE-SEM 和 TEM 进行析出相和组织 分析. 参照国标 GB/T 228.1—2010、GB/T 229— 2007 和 GB/T 4334—2008 对固溶处理样品分别进 行常温拉伸实验、冲击实验和晶间腐蚀实验. 2    实验结论与讨论 2.1    固溶温度对双相比例的影响 图 3 是实验钢在不同固溶温度下的组织形貌 · 1340 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期

沈伟等：固溶处理对S32707特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响 1341· 10 素体体积分数不足30%.随着固溶温度的升高， 10 析出相含量降低，铁素体含量增加，组织呈现为 双相相间分布的带状织构，如图3(b)~(c).如 10 CrN 图3(d)~(g).当固溶温度大于1150℃时，随着 固溶温度进一步增加，铁素体含量增加，部分铁 10 MzC. MnS 素体晶粒尺寸增大.当固溶温度超过1250℃时， 10 FCCA1#2 由于铁素体晶粒的粗化及奥氏体含量的降低，奥 10 400 600 8001000120014001600 氏体由带状逐渐转变成岛状分布在铁素体相界 △ Temperature/℃ 处.不同温度下双相含量的变化结果如图3(h), 图2实验钢Thermo-Cac热力学计算结果 随着固溶温度的升高，铁素体含量整体呈升高趋 Fig.2 Thermo-Calc thermodynamic calculation of tested steel 势，奥氏体含量整体呈下将趋势，在1050~1120℃ 与双相含量的统计结果.如图3(a),在1000℃固 范围内，双相比例接近1：1，实验结果与热力学 溶时，组织中存在大量的析出相，导致组织中铁 结果基本吻合 (a) h (c) 10m 10 um 20μm 50 um 50 um (d) (e) ( 50 um 50m 50μm (h)80F --Ferrite 0 -Austenite 60 30 20 00m 10001100 1200 1300 Annealing temperature/C 图3不同固溶温度下析出相、组织光镜形貌及双相统计结果.(a)1000℃：(b)1050℃：(c)1100℃：(d)1150℃：(e)1200℃：(f)1250℃：(g)1300 ℃：(h)双相统计结果 Fig.3 OM images of precipitates and microstructure at different annealing temperatures and results of dual-phase volume fractions:(a)1000 C;(b)1050 ℃；(c)1100℃；(d1150℃；，(e)1200℃；(f)1250℃；(g)1300℃，(h)results of dual-phase volume fractions at different annealing temperatures 2.2固溶温度对析出相的影响 分铁素体相被c和Y2占据，如图4(a)所示.研究 图4是不同固溶温度下σ相分布的背散射形 表明，σ相的主要析出机制是铁素体的共析转变 貌.通过EDS对σ相和二次奥氏体相(Y2)进行成 (8→6+Y2)B11.固溶温度为1050℃时，。相析出量 分分析，其中o相主要合金元素Cr、Mo、Ni的质 显著降低，仅在双相界线及三角区域有少量σ相 量分数分别为31.48%、8.08%和5.13%，而2相主 析出，约2.0%.固溶温度为1080℃时，组织中无 要合金元素Cr、Mo、Ni的质量分数分别为24.82%、 明显析出相存在 3.42%和8.02%.可见，c相富含Cr和Mo而贫Ni, 图5是不同温度下非平衡氨化物的OM形 Y2相则富含Ni而贫Cr和Mo.HDSS中较高的 貌.当固溶温度为1080℃时，固溶组织中无明 Cr和Mo含量促进o相在1000℃下快速析出，部 显非平衡氨化物析出.随着固溶温度的升高，铁

与双相含量的统计结果. 如图 3（a），在 1000 ℃ 固 溶时，组织中存在大量的析出相，导致组织中铁 素体体积分数不足 30%. 随着固溶温度的升高， 析出相含量降低，铁素体含量增加，组织呈现为 双相相间分布的带状织构，如图 3（ b）～（ c） . 如 图 3（d）～（g），当固溶温度大于 1150 ℃ 时，随着 固溶温度进一步增加，铁素体含量增加，部分铁 素体晶粒尺寸增大. 当固溶温度超过 1250 ℃ 时， 由于铁素体晶粒的粗化及奥氏体含量的降低，奥 氏体由带状逐渐转变成岛状分布在铁素体相界 处. 不同温度下双相含量的变化结果如图 3（h）， 随着固溶温度的升高，铁素体含量整体呈升高趋 势，奥氏体含量整体呈下将趋势，在 1050～1120 ℃ 范围内，双相比例接近 1∶1，实验结果与热力学 结果基本吻合. (a) (b) (c) (d) (e) (g) (h) (f) 20 μm 10 μm 10 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 50 μm 80 Ferrite 70 Austenite 60 50 40 30 20 1000 1100 Annealing temperature/℃ Volume fraction/ % 1200 1300 100 μm 图 3    不同固溶温度下析出相、组织光镜形貌及双相统计结果. （a）1000 ℃；（b）1050 ℃；（c）1100 ℃；（d）1150 ℃；（e）1200 ℃；（f）1250 ℃；（g）1300 ℃；（h）双相统计结果 Fig.3    OM images of precipitates and microstructure at different annealing temperatures and results of dual-phase volume fractions: (a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃; (d) 1150 ℃; (e) 1200 ℃; (f) 1250 ℃; (g) 1300 ℃; (h) results of dual-phase volume fractions at different annealing temperatures 2.2    固溶温度对析出相的影响 图 4 是不同固溶温度下 σ 相分布的背散射形 貌. 通过 EDS 对 σ 相和二次奥氏体相（γ2）进行成 分分析，其中 σ 相主要合金元素 Cr、Mo、Ni 的质 量分数分别为 31.48%、8.08% 和 5.13%，而 γ2 相主 要合金元素 Cr、Mo、Ni 的质量分数分别为 24.82%、 3.42% 和 8.02%. 可见，σ 相富含 Cr 和 Mo 而贫 Ni， γ2 相则富 含 Ni 而 贫 Cr 和 Mo. HDSS 中较高 的 Cr 和 Mo 含量促进 σ 相在 1000 ℃ 下快速析出，部 分铁素体相被 σ 和 γ2 占据，如图 4（a）所示. 研究 表明，σ 相的主要析出机制是铁素体的共析转变 （δ→σ+γ2） [3, 13] . 固溶温度为 1050 ℃ 时，σ 相析出量 显著降低，仅在双相界线及三角区域有少量 σ 相 析出，约 2.0%. 固溶温度为 1080 ℃ 时，组织中无 明显析出相存在. 图 5 是不同温度下非平衡氮化物 的 OM 形 貌. 当固溶温度为 1080 ℃ 时，固溶组织中无明 显非平衡氮化物析出. 随着固溶温度的升高，铁 100 10−2 10−1 10−4 10−5 10−3 101 Mole fraction of phase Temperature/℃ 400 600 800 MnS α L 1000 1200 1400 1600 χ FCC_A1#2 M23C6 Cr2N γ δ σ 图 2    实验钢 Thermo-Calc 热力学计算结果 Fig.2    Thermo-Calc thermodynamic calculation of tested steel 沈    伟等： 固溶处理对 S32707 特超级双相不锈钢析出相、组织及性能影响 · 1341 ·

1342 工程科学学报，第43卷，第10期 (a) (b) (c) Cellular G+y 00w度随样马m 图4不同固溶温度下析出相和组织的背撒射电子形貌.(a)1000℃：(b)1050℃：(c)1080℃ Fig.4 Backscattered electron observation of precipitates and microstructure at different annealing temperatures:(a)1000 C;(b)1050 C;(c)1080 C 素体相内开始析出非平衡氨化物，且随着固溶 体边界基本无此类非平衡氨化物析出.图6(a) 温度的增加，非平衡氨化物析出量迅速增加.值 和(b)分别为非平衡氨化物TEM形貌及选区电 得注意的是非平衡氨化物主要分布在大尺寸铁 子衍射，可见，非平衡氨化物主要呈“棒状”形貌 素体晶内，而小晶粒铁素体内部和铁素体奥氏 析出. a (b) Precipitates in ograins 20 um 20 um 20m (d) (e) ( 204m 20m 20m 图5不同固溶温度下非平衡氮化物0M形貌.(a)1080℃：(b)1100℃：(c)1150℃：(d)1200℃：(e)1250℃：()1300℃ Fig5 OM observation of non-equilibrium nitrides at different annealing temperatures:(a)1080℃，(b)1100℃，(c)1150℃，(d)1200℃；(e)1250℃， (01300℃ 随着固溶温度的升高，氨在铁素体中的溶解 2.3 固溶处理对力学性能的影响 度增大，因此随着温度的升高铁素体中含氨量增 表2是在室温条件下不同固溶温度实验钢的 加，如图6(c)所示.在快速冷却过程中，由于铁素 拉伸和冲击实验结果.固溶温度从1050℃增加 体中氮的溶解度迅速降低，氮在铁素体中呈过饱 到1200℃，铁素体含量增加，不同固溶温度下实 和状态，最终导致细小弥散的氨化物在铁素体晶 验钢抗拉强度变化较小，屈服强度整体呈上升趋 内析出，且随着固溶温度的升高，析出数量增多 势，可见固溶处理对实验钢的抗拉强度和屈服强 因此这种非平衡析出的氨化物常被称作“淬火氨 度的影响是不完全一致的.梁田在核电用双相 化物”或“非平衡氨化物”21-2)而在铁素体和奥氏 不锈钢中也发现了相似的现象.这种现象归结于， 体边界及小品粒铁素体内部，氨有足够的时间扩 固溶处理同时影响双相组织转变、组织再结品的 散到相邻奥氏体中，因此不会有非平衡氨化物析 完全程度、二次相析出及元素配分等，而这些因素 出m,Deng等2研究表明：S32750超级双相不锈 的变化对DSS的力学性能的影响是不同的2627 钢在固溶温度高于1200℃时，铁素体内部才会析 随固溶温度的升高，实验钢断后伸长率均呈先升 出这种非平衡氮化物(CrN).本实验中，特超级双 高后降低的变化趋势.利用场发射扫描电镜观察 相不锈钢1100℃固溶时，铁素体内部就已经析出 不同固溶温度下实验钢宏观及纤维区断口形貌， 此类氨化物，这说明氮含量的增加对非平衡氮化 结果如图7所示.除1050℃固溶样品外，其余宏 物析出具有显著的促进作用. 观断口均具有明显的颈缩现象，呈杯锥状韧性断

素体相内开始析出非平衡氮化物，且随着固溶 温度的增加，非平衡氮化物析出量迅速增加. 值 得注意的是非平衡氮化物主要分布在大尺寸铁 素体晶内，而小晶粒铁素体内部和铁素体/奥氏 体边界基本无此类非平衡氮化物析出. 图 6（ a） 和（ b）分别为非平衡氮化物 TEM 形貌及选区电 子衍射，可见，非平衡氮化物主要呈“棒状”形貌 析出. (a) (b) (c) (d) (e) (f) 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 图 5    不同固溶温度下非平衡氮化物 OM 形貌. （a）1080 ℃；（b）1100 ℃；（c）1150 ℃；（d）1200 ℃；（e）1250 ℃；（f）1300 ℃ Fig.5    OM observation of non-equilibrium nitrides at different annealing temperatures: (a) 1080 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃; (e) 1250 ℃; (f) 1300 ℃ 随着固溶温度的升高，氮在铁素体中的溶解 度增大，因此随着温度的升高铁素体中含氮量增 加，如图 6（c）所示. 在快速冷却过程中，由于铁素 体中氮的溶解度迅速降低，氮在铁素体中呈过饱 和状态，最终导致细小弥散的氮化物在铁素体晶 内析出，且随着固溶温度的升高，析出数量增多. 因此这种非平衡析出的氮化物常被称作“淬火氮 化物”或“非平衡氮化物” [21−23] . 而在铁素体和奥氏 体边界及小晶粒铁素体内部，氮有足够的时间扩 散到相邻奥氏体中，因此不会有非平衡氮化物析 出[22] . Deng 等[24] 研究表明：S32750 超级双相不锈 钢在固溶温度高于 1200 ℃ 时，铁素体内部才会析 出这种非平衡氮化物（Cr2N）. 本实验中，特超级双 相不锈钢 1100 ℃ 固溶时，铁素体内部就已经析出 此类氮化物，这说明氮含量的增加对非平衡氮化 物析出具有显著的促进作用. 2.3    固溶处理对力学性能的影响 表 2 是在室温条件下不同固溶温度实验钢的 拉伸和冲击实验结果. 固溶温度从 1050 ℃ 增加 到 1200 ℃，铁素体含量增加，不同固溶温度下实 验钢抗拉强度变化较小，屈服强度整体呈上升趋 势，可见固溶处理对实验钢的抗拉强度和屈服强 度的影响是不完全一致的. 梁田[25] 在核电用双相 不锈钢中也发现了相似的现象. 这种现象归结于， 固溶处理同时影响双相组织转变、组织再结晶的 完全程度、二次相析出及元素配分等，而这些因素 的变化对 DSS 的力学性能的影响是不同的[26−27] . 随固溶温度的升高，实验钢断后伸长率均呈先升 高后降低的变化趋势. 利用场发射扫描电镜观察 不同固溶温度下实验钢宏观及纤维区断口形貌， 结果如图 7 所示. 除 1050 ℃ 固溶样品外，其余宏 观断口均具有明显的颈缩现象，呈杯锥状韧性断 (a) (b) (c) 图 4    不同固溶温度下析出相和组织的背散射电子形貌. （a）1000 ℃；（b）1050 ℃；（c）1080 ℃ Fig.4    Backscattered electron observation of precipitates and microstructure at different annealing temperatures: (a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1080 ℃ · 1342 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期