最近，石油和天然氣公司以及雙相鋼生產(chǎn)商、供應(yīng)商們?yōu)镮SO 17781新標(biāo)準(zhǔn)制質(zhì)量控制試驗方法，其中重點關(guān)注如何檢測偶爾殘留在超級雙相不銹鋼偏析區(qū)的金屬間相。為量化顯微組織對近海用途材料氫脆敏感性的影響，Aperam公司做了一些實驗，本文就以上研究成果加以介紹。
超級雙相鋼S32750是雙相不銹鋼家族中抗腐蝕能力最強(qiáng)的鋼種之一，替代鎳基合金825這類材料極具競爭力。超級雙相不銹鋼由于含鉻和鉬較高，對金屬間相如σ相的析出更敏感。于是整個生產(chǎn)過程中就必須特別小心，以減少有害相的析出。 近十年間，就如何最佳優(yōu)化熱處理條件，諸如溫度、保溫時間、從加熱爐到淬火轉(zhuǎn)移時間、冷卻速率和分批堆垛等，大量論文得以發(fā)表，而且每篇論文得到了制造商反饋、最終用戶體驗以及NORSOK技術(shù)規(guī)范要求的有力支持。這樣，隨著我們對雙相鋼體驗和理解的日益加深，我們有能力解決新的問題和關(guān)注點。 就在最近，油氣開采公司和雙相鋼制造商及供應(yīng)商進(jìn)行了一次技術(shù)交流。此次交流的目的就是共同制訂質(zhì)量控制試驗方法及相關(guān)要求，以最終建立新的ISO 17781標(biāo)準(zhǔn)“鐵素體/奧氏體（雙相）不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制的測試方法”。 交流期間還重點討論如何檢測熱處理條件不當(dāng)和偏析區(qū)共同引發(fā)的金屬間相。 傳統(tǒng)鑄造工藝中的凝固過程，會因溶質(zhì)分凝而引發(fā)化學(xué)成分的輕微局部改變。雖然所有合金或多或少都存在這個問題，但引發(fā)的后果會因合金等級以及最終用途而不同。例如超級雙相不銹鋼扁平材，偏析區(qū)通常出現(xiàn)在中間厚度附近，那里的奧氏體形成元素（Ni, N…）和鐵素體形成元素（Cr, Mo…）含量均較高，導(dǎo)致相平衡發(fā)生輕微變化，并局部提高了抗點蝕性。然而，因鉻和鉬元素含量較高，使得這些區(qū)域更易受金屬間相（如σ相）析出的影響。因此，即使固溶退火處理得當(dāng)，這些相也會以所謂中心金屬間發(fā)紋的形式出現(xiàn)。
作為質(zhì)量控制過程的一部分，評估這些中心金屬間發(fā)紋對材料應(yīng)用中性能的影響是很重要的，而對油氣行業(yè)海底系統(tǒng)常用的陰極保護(hù)材料做相關(guān)氫脆性能評估，則更為重要。例如，超級雙相鋼帶材可用于有縫焊管接頭，只需幾道軌道焊縫，就可使厚度減薄、重量減輕以及疲勞強(qiáng)度提高。這類應(yīng)用要求鉻鉬元素含量較高，以獲得42.5%的抗點蝕當(dāng)量值（PREN = Cr%+3.3Mo%+16N%）。
出于上述考慮，Aperam公司推出了一個針對超級雙相鋼DX2507（PREN=42.5）的內(nèi)部研究計劃，最近獲得NORSOK扁平材生產(chǎn)資格。該研究模擬海水陰極保護(hù)環(huán)境，對偏析區(qū)含有和/沒有含有金屬間相時，對氫脆性能的影響進(jìn)行了評估，研究結(jié)果公布在《不銹鋼世界》2017年年會上。 研究啟動之初，我們先在相同厚度2.1mm處、經(jīng)冷軋和固溶退火的薄板上獲得大面積顯微組織，然后選擇幾種合適的熱處理條件，如圖2所示。 每個熱處理條件相互進(jìn)行比較，再與交付后條件進(jìn)行比較。 對于僅出現(xiàn)中心金屬間相發(fā)紋的那些條件， 對4個金相樣品進(jìn)行掃描來搜尋“最差”地方，采用背散射電子模式突出顯示呈白色金屬間相的SEM圖像是經(jīng)x500放大率拍攝。幸虧采用自動灰度閾值法，我們才得以在這個“最差”地方處，確定了金屬間相體積分?jǐn)?shù)，然后，通過利用鋼板厚度平衡該處高度（假設(shè)該處以外的鋼板厚度鐵素體體積分?jǐn)?shù)為零），計算出全厚度平均金屬間相體積分?jǐn)?shù)。接著，對暴露在海水環(huán)境中陰極保護(hù)材料的剩余塑性進(jìn)行測量。參照海底應(yīng)用條件，將拉伸試樣浸泡在溫度4℃、電位-1100mV（SCE）、含有0.5M NaCl的水溶液中，采用慢應(yīng)變率拉伸（SSRT）技術(shù)進(jìn)行測試。上述試驗條件基本上模擬了1000m深海中Al-In犧牲陽極的陰極保護(hù)。 在人工海水中執(zhí)行的第一組SSRT測試僅為參考，是為強(qiáng)調(diào)顯微組織的變化對材料機(jī)械性能可能產(chǎn)生的影響。將斷面收縮率Z%（即斷裂面投影截面積除以拉伸試樣的標(biāo)稱截面積）測量值作為材料塑性的一項指標(biāo)，最小值Z%對應(yīng)著最大塑性。全部繪制拉伸曲線在拉伸試驗條件下的散射中都非常接近， “全厚度σ相” 除外，其表現(xiàn)出最低塑性。 對于第二組測試，采用模擬陰極保護(hù)執(zhí)行SSRT試驗。
圖3 在中間-厚度交付后條件下，熱處理（NaOH蝕刻）和顯微組織量化之后，獲得的一組顯微組織（σ相量化是通過掃描電子顯微鏡圖像分析而來，鐵素體體積分?jǐn)?shù)是經(jīng)Berha蝕刻后采用光學(xué)顯微鏡圖像分析測量得到，奧氏體晶間距是參照DNV-RP-F112規(guī)范推薦方法獲得）。
所有結(jié)果都可以用斷面收縮率（RAR）表達(dá)，具有陰極保護(hù)和沒有陰極保護(hù)所獲得的兩組結(jié)果進(jìn)行比較。RAR越高，氫脆（HE）敏感性就越低。一方面，我們可以看到“粗晶顯微組織”賦予材料最高氫脆敏感性。另一方面，又看到“粗晶”或“細(xì)晶發(fā)紋”以及“無σ相”，維持塑性在較高水平。此外，我們觀察到中心金屬間相發(fā)紋的邊緣沒有任何二次裂紋�？紤]到 “全厚度上σ相”，RAR值只是因參考值較低而人為地顯得高。 總之，我們觀察到，沒有陰極保護(hù)時，具有全厚度σ相（1.8%）的雙相不銹鋼表現(xiàn)出最低塑性。而在陰極保護(hù)狀態(tài)下，具有粗晶顯微組織的雙相鋼性能變得與具有全厚度σ相的等同。這意味著，比起含有1.8%σ相的雙相鋼，粗晶顯微組織（7.0μm的奧氏體間隙）的氫脆敏感性更高。與此同時，沒有發(fā)現(xiàn)中心金屬間相發(fā)紋（σ相多達(dá)0.08%）對氫脆敏感性有影響。本研究旨在突出強(qiáng)調(diào)偏析區(qū)內(nèi)金屬間相析出以及氫脆的影響。這些結(jié)果表明，處理氫脆時，解決奧氏體間隙為首要，特別是可能存在于偏析區(qū)金屬間相上的奧氏體。其次，熱處理條件不當(dāng)意味著有金屬間相析出時，氫脆敏感性將相應(yīng)升高。 ISO 17781標(biāo)準(zhǔn)允許人們在顯微組織評估和普通腐蝕試驗之間建立聯(lián)系。此外，相比SSRT試驗，為清楚地檢查出有害相的存在，點蝕測試方式則更容易些。
