鐵素體鋼簡(jiǎn)介

含鉻大于14%的低碳鉻不銹鋼，含鉻大于27%的任何含碳量的鉻不銹鋼，以及在上述成分基礎(chǔ)上再添加有鉬、鈦、鈮、硅、鋁、、鎢、釩等元素的不銹鋼，化學(xué)成分中形成鐵素體的元素占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，基體組織為鐵素。這類(lèi)鋼在淬火（固溶）狀態(tài)下的組織為鐵素體，退火及時(shí)效狀態(tài)的組織中則可見(jiàn)到少量碳化物及金屬間化合物。

屬于這一類(lèi)的有Cr_l7、Cr₁₇Mo₂Ti、Cr₂₅，Cr₂₅Mo₃Ti、Cr₂₈等 。

傳統(tǒng)的鐵素體/馬氏體鋼的工作溫度最高只能達(dá)到550～600 ℃，氧化物彌散強(qiáng)化（OxideDispersion St rengthened ，ODS） 鐵素體鋼能將工作溫度提高到700 ℃。穩(wěn)定的納米氧化物顆粒賦予了材料優(yōu)異的高溫蠕變性能。ODS 鐵素體鋼具有BCC 晶體結(jié)構(gòu)，在200dpa 的中子輻照條件下仍有非常低的輻照腫脹率。此外，ODS 鐵素體鋼還具有優(yōu)異的抗氧化和抗腐蝕性。因此，ODS 鐵素體鋼可用于快反應(yīng)堆和國(guó)際第Ⅳ代高級(jí)反應(yīng)堆中的包層材料，第一壁材料及高溫結(jié)構(gòu)件。ODS 鐵素體鋼的開(kāi)發(fā)對(duì)提高反應(yīng)堆的熱效率、減少環(huán)境污染、保證反應(yīng)堆的安全性和長(zhǎng)壽命運(yùn)行具有重要意義。

合金元素( Fe 、Cr 、Ti 、W、Ta 、C) 滿足低活化的要求。Cr含量的確定要綜合考慮延性、斷裂韌性和耐腐蝕性。W添加的目的是通過(guò)固溶強(qiáng)化提高高溫強(qiáng)度。同時(shí)添加Ti和Y₂O₃有利于獲得納米尺度的氧化物顆粒，這大大提高了蠕變性能。ODS鐵素體鋼的制備用得最多的是熱擠壓工藝：首先在高純Ar氣氛中利用機(jī)械合金化（MA）將Y₂O₃顆粒均勻分散在基體中，然后將合金粉末密閉在低碳鋼管中并在1150℃進(jìn)行熱擠壓。熱擠壓后的母管進(jìn)行多道次的冷軋，在每道次冷軋之間進(jìn)行中間熱處理，最終熱處理后得到薄壁的包層管。

ODS 鐵素體鋼制備的關(guān)鍵有兩個(gè)：一是獲得均勻分布的納米氧化物顆粒和適量的殘余α2Fe ，從而提高蠕變性能；二是熱擠壓工藝制備薄壁包層管的工藝及改變拉長(zhǎng)晶粒形貌以消除材料的各向異性。重點(diǎn)分析Y₂O₃ 顆粒的溶解/ 析出、殘余α2Fe 的形成、薄壁包層管制備工程中的中間熱處理和改變拉長(zhǎng)晶粒形貌的方法 。

鐵素體鋼Y2O3的溶解/析出

在氧化物顆粒（Y₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和MgAl₂O₄）中，Y₂O₃是最有效的強(qiáng)化相，由于其具有溶解/ 析出機(jī)制。在機(jī)械合金化過(guò)程中，Y₂O₃ 顆粒發(fā)生溶解，并在熱擠壓時(shí)（1000℃）以Y₂Ti₂O復(fù)雜氧化物（2nm）的形式析出并且析出的氧化物顆粒的粒徑小于添加的Y₂O₃的粒徑。這對(duì)增強(qiáng)相的粒徑、晶粒度、馬氏體相變和ODS鐵素體鋼的高溫蠕變性能都有至關(guān)重要的作用。Ti的添加有助于Y₂O₃的溶解，這不僅有利于獲得更加細(xì)小的氧化物增強(qiáng)相，而且能使增強(qiáng)相在基體中的分布更加均勻。氧化物的粒徑由不添加Ti 前的10～30nm降低到添加Ti后的1～10nm。然而，Ti含量過(guò)高會(huì)引起冷變形的困難，降低了材料的冷加工性。

為了平衡強(qiáng)度和可加工性， Ti的濃度確定為0.2 %。當(dāng)O含量較高時(shí)，形成的Y₂Ti₂O復(fù)雜氧化物為立方Y(jié)₂ TiO₇ ( Y/O = 1∶1) 是穩(wěn)定的。當(dāng)O含量不足時(shí)，形成的是六方結(jié)構(gòu)的Y₂TiO₅ ( Y/ Ti = 2∶1) 。Y₂O₃2TiO₂納米復(fù)雜氧化物顆粒在析出的同時(shí)還與鐵素體基體保持共格，氧化物和基體之間的晶格錯(cuò)配度為0.5% 。

鐵素體鋼殘余α2Fe 的形成

MA 粉末是由超細(xì)α2Fe 晶粒構(gòu)成的。在熱擠壓過(guò)程中，只有部分α2Fe 能轉(zhuǎn)變成γ2Fe ，形成了一種特別的由γ2Fe 和拉長(zhǎng)晶粒構(gòu)成的雙相組織。拉長(zhǎng)的晶粒為熱擠壓時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe 的α2Fe 晶粒。將該拉長(zhǎng)的鐵素體(α)稱(chēng)為殘余α2Fe ，以區(qū)別于在最終熱處理中通過(guò)γ→α擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的鐵素體(α) 。殘余α2Fe 的形成可通過(guò)Ti含量和過(guò)剩O 濃度( EX. O) 來(lái)控制。EX. O定義為總的氧濃度(OTotal) 減去以Y₂O₃形式存在的氧(OY2O3) ：EX. O = [OTotal ] - [OY₂O₃ ]過(guò)剩O 意味著O 與Y結(jié)合并形成Y2Ti₂O復(fù)雜氧化物顆粒。9Cr2ODS 鐵素體鋼的高溫強(qiáng)度很大程度上取決于EX. O。EX. O的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)Fe2Y和Fe₂O₃粉末的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。用Fe2Y取代部分Y₂O₃ 粉末能降低EX.O，而添加Fe₂O₃能增加EX. O 。

用于反應(yīng)堆的薄壁包層管的直徑為8.5±0. 4mm ，厚0. 5 ±0. 03mm。薄壁包層管的制備有兩個(gè)難點(diǎn)：一是納米氧化物顆粒的存在及大變形量使材料硬化，不通過(guò)中間熱處理難以進(jìn)行軋制；二是軋制后得到的針狀拉長(zhǎng)晶粒形貌使材料的周向蠕變性能下降、延性變差，所以改變包層管的各向異性對(duì)提高內(nèi)蠕變斷裂強(qiáng)度至關(guān)重要。

鐵素體鋼中間熱處理

中間熱處理的目的是通過(guò)回復(fù)軟化來(lái)降低硬度，以便于后續(xù)冷軋。中間熱處理是軋制過(guò)程的關(guān)鍵，它不僅影響到冷軋，而且對(duì)最終的顯微組織有重要的影響。

1.一步熱處理　一步熱處理工藝為：1250 ℃ ×30min →空冷。在室溫生成鐵素體相而不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此能降低硬度。母管的晶粒細(xì)小，硬度是348Hv。第一次冷軋后硬度升高到395Hv ，通過(guò)一步熱處理可將硬度降低到母管的水平。二次冷軋后的中間熱處理將硬度降得比母管還要低，這是因?yàn)閼?yīng)變能的積累容易導(dǎo)致再結(jié)晶的發(fā)生?？梢?jiàn)，高溫?zé)崽幚砣菀讓?dǎo)致中間熱處理過(guò)程中出現(xiàn)部分再結(jié)晶。雖然以50 %的壓下量冷軋時(shí)硬度能限制在350Hv ，但是最終熱處理后仍保留了部分拉長(zhǎng)晶粒，表明再結(jié)晶不能完全進(jìn)行。

一步熱處理在溫度低于1100 ℃時(shí)不能將硬度降低到400Hv 以下，但是如果溫度高于1150 ℃，雖然硬度能降低到400Hv 以下，但是容易在中間熱處理時(shí)發(fā)生部分再結(jié)晶，不利于最終熱處理實(shí)現(xiàn)完全再結(jié)晶。

2.兩步熱處理　由一步熱處理可得出，在中間熱處理過(guò)程中一旦發(fā)生再結(jié)晶，最終的熱處理就不能得到再結(jié)晶組織。兩步熱處理的目的是在中間熱處理中只通過(guò)回復(fù)軟化來(lái)降低硬度以便于后續(xù)冷軋，而不發(fā)生再結(jié)晶，保持了{(lán)111}〈110〉冷軋織構(gòu)。這確保了最終熱處理獲得理想的再結(jié)晶組織。兩步熱處理的工藝為：1050 ℃×30min →1250 ℃×30min →空冷。

通常，二步熱處理的溫度選為1200 ℃，使硬度降低到足以進(jìn)行冷軋。在中間熱處理的過(guò)程中回復(fù)晶粒結(jié)構(gòu)保持下來(lái)，儲(chǔ)存了適當(dāng)?shù)哪芰?，?dǎo)致在最終的熱處理過(guò)程中均勻形核和再結(jié)晶長(zhǎng)大。這種特別的熱處理使得可以穩(wěn)定地制備薄壁包層管。

鐵素體鋼晶粒形貌控制

冷軋使得包層管沿軋制方向形成拉長(zhǎng)的晶粒，晶粒直徑為500nm ，長(zhǎng)/ 徑比為10220。這使得軸向和周向力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，引起延性的下降，不利于精密的薄壁包層管的成形。此外，細(xì)小的針狀晶粒容易發(fā)生晶界滑移，降低了高溫蠕變性能。因此，獲得等軸晶粒是開(kāi)發(fā)高性能ODS 鐵素體鋼包層管的重要環(huán)節(jié)，改變晶粒形貌是通過(guò)最終熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有再結(jié)晶熱處理，馬氏體相變（γ→α′） 和α→γ相變?nèi)N方法 。

ODS 鐵素體鋼雖然在制備工藝方面取得了較大的進(jìn)展，但是結(jié)合該材料嚴(yán)酷的使用環(huán)境及安全性考慮，還有很多問(wèn)題急需研究。離子輻照對(duì)ODS鐵素體鋼的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、顯微組織的影響及其疲勞性能還有待進(jìn)一步研究，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)以便于材料的設(shè)計(jì)。對(duì)于復(fù)雜的包層結(jié)構(gòu)，高性能的焊接是安全運(yùn)行的保證，焊接接頭的設(shè)計(jì)及其輻照性能、蠕變性能也有待研究。液相金屬塊反應(yīng)堆中使用液Pb合金作為冷卻劑后，雖然提高了熱交換效率，但是對(duì)材料抗腐蝕性提出了更高的要求，所以O(shè)DS鐵素體鋼在高溫液態(tài)金屬中的腐蝕也是一個(gè)很重要的方面。此外，如何制備大型的構(gòu)件以擴(kuò)展ODS鐵素體鋼的應(yīng)用領(lǐng)域仍是一個(gè)難題 。2100433B

奧氏體－鐵素體鋼

這類(lèi)鋼因擴(kuò)大γ區(qū)和穩(wěn)定奧氏體元素的作用程度，不足以使鋼在常溫或很高的溫度下具有純奧氏體組織，因此為奧氏體－鐵素體復(fù)相狀態(tài)，其鐵素體量也因成分及加熱溫度不同而可在較大的范圍內(nèi)變化。屬于這一類(lèi)的不銹鋼很多，如低碳的18－8鉻鎳鋼，加鈦、鈮、鉬的18－8鉻鎳鋼，特別是在鑄鋼的組織中均可見(jiàn)到鐵素體，此外含鉻大于14～15%而碳低于0．2%的鉻錳不銹鋼（如Cr17Mnll），以及現(xiàn)研究的和已獲得應(yīng)用的大多數(shù)鉻錳氮不銹鋼等。與純奧氏體不銹鋼比較，這類(lèi)鋼的優(yōu)點(diǎn)很多，如屈服強(qiáng)度較高，抗晶間腐蝕的能力較高，應(yīng)力腐蝕的敏感性低，焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的傾向小，鑄造流動(dòng)性好等等。缺點(diǎn)是壓力加工性能較差，點(diǎn)腐蝕傾向較大，易產(chǎn)生c相脆性，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出弱磁性等。所有這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均來(lái)源于組織中的鐵素體。

雙相不銹鋼也稱(chēng)奧氏體—鐵素體不銹鋼，這類(lèi)鋼種綜合了鐵素體鋼和奧氏體鋼的很多有意特性。由于鉻和氮的含量很高，而且在通常情況下鉬的含量也很高，雙相不銹鋼具有優(yōu)良的抗點(diǎn)觸和抗均勻腐蝕的性能。而雙相顯微結(jié)構(gòu)則有助于雙相不銹鋼的高強(qiáng)度和高抗應(yīng)力腐蝕破裂性能。另外，雙相不銹鋼還具有優(yōu)良的可焊性能。

主要品種：卷材、中厚板、棒材

鋼種牌號(hào)

鋼種牌號(hào)/名稱(chēng)

EN ASTM UNS

化學(xué)成分， %

碳最大 氮 鉻 鎳 鉬

1.4362 S32304 SAF 2304R

1.4410 S32750 SAF 2507R

1.4462 S32205 NAS329J3L

1.4162 S32101 LDX2101

- A789 S31500

0.03 0.10 23 4.8 0.3

0.03 0.27 25 7 4

0.03 0.17 22 5.7 3.1

0.04 0.22 21.5 1.5 0.3

0.03 0.10 19 5.25 3.0

機(jī)械性能

牌號(hào) 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 延展率

MPa MPa %

牌號(hào) 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 延展率 最大硬度

MPa MPa % Brielle

1.4362 420 650 20

1.4410 550 750 15

1.4462 480 700 20

1.4162 — — —

S31500 460 680 20

S32304 400 600 25 290

S32750 550 795 15 310

S32205 450 620 25 293

S32101 530 750 30 —

S31500 550 600 25 2902100433B

l 高強(qiáng)度

l 一般具有很高的抗腐蝕性能

l 優(yōu)良的抗沖刷腐蝕性

l 優(yōu)良的耐疲勞性能

l 很高的能量吸收性能

l 優(yōu)良的可焊性能