双相不锈钢评估：标准及检测方法的思考

国际钼协会大中华区总代表Gaetano Ronchi博士

双相不锈钢（超级双相不锈钢）具有优异的机械性能，且具有铁素体-奥氏体双相组织的特点。在焊接、热加工和热处理等加工过程中，可能会形成不同类型的金属间相和析出化合物，影响双相钢的性能。 本报告的目的是想告诉大家，采用合适的检测方法和认定标准的重要性。 一、双相不锈钢和金属间相 锻轧双相不锈钢的化学成分（重量%）和PREN范围（PREN-耐点蚀当量数）。第二代双相不锈钢按氮含量定义, 氮合金化可以使热影响区的韧性和耐腐蚀性接近母材，有可能降低有害金属间相的形成速率。

双相不锈钢和超级双相不锈钢具有优异的力学性能和腐蚀性能。但是，不同类型的金属间相是使用中存在的主要问题。在焊接、热加工和热处理等加工过程中会有不同的金属间相析出，从而影响韧性和耐腐蚀性。镍和铬含量的微小变化对双相不锈钢中奥氏体和铁素体的数量有很大影响。

为了研究S双相不锈钢微观组织的析出行为及其达到平衡条件的途径，采用电弧热处理技术形成多级别微观组织。 热循环使相平衡发生变化，因此，必须确保部件每个部位的相平衡在可接受的范围内。左图的开裂失效发生在2507管板与碳钢壳体连接焊缝的热影响区。开裂仅发生在2507母材，开裂位置有明显σ相析出。右图是热输入量和/或层间温度过高造成σ相析出导致泄漏。

二、无损/现场检测 如前所述，相平衡很重要，因为它决定了合金的整体性能：铁素体相提供强度、抗氯化物应力腐蚀开裂、铁磁性和抗凝固开裂的性能，奥氏体相提供韧性、耐腐蚀性和耐氢致开裂的性能。铁素体含量30/70通常被人们所接受。 1、相失衡的区域： 1）淬火过快造成铁素体相含量高 2）焊缝热影响区极易出现不平衡 需要特别关注：弧击和焊接喷溅、TIG焊根道次、螺柱焊缝、热输入量很低的焊缝、自熔焊缝（无填充）。

γ 过低(

焊缝金属中 γ >90%大量应力腐蚀开裂止于α 热影响区 2、双相不锈钢金属间相“现场”无损检测 双相不锈钢性能取决于相比，工业生产中铁素体相和其它金属间相的量化倍受关注，不仅检测结果要可靠，而且要操作便捷。 简单介绍三种无损检测方法： 方法一：检测铁素体含量 A：铁素体检测仪 铁素体检测仪利用磁导原理，广泛用于焊缝金属铁素体含量检测。由于铁素体是磁性相，该方法是测量感应电流探头与金属表面接触产生的磁场。结果以铁素体数（FN）为单位，并通过计算自动转换为%FE。铁素体检测仪检测的特点和弊端： 1）对接触面的光洁度非常敏感不适用于边角部位 2）对变形/应力敏感 3）对相变敏感 4）热影响区尺寸小，不宜控制 5）缺乏适用的普适标定法 B、相图

WRC-1992 diagram 这种方法的缺点是获得的值精度较低，因为图中的线条只是按一些参考值绘制的，而且中间所有的点都是以图表形式显示，很难精准，并且所采用的插值方法有很大关系。 不同的双相钢产品类型可能得出不同的测量值，因此轧制材料可能不同于铸造或焊接材料。校准偏移值应基于特定产品和厚度系数（如果相关的话）。 方法二：双相不锈钢表面现场电化学检测 现行ASTM电化学检测方法(ASTM G5, G61, G150, G108)受到取样的限制。部件表面现场检测可以克服该局限性。该检测法以受检部件为工作电极，参比电极和对电极放在浸透试验溶液的衬垫上。

上述方法在可靠性和准确性方面均不适用于HAZ(热影响区)检测。他们不能用于非常局部的检测。在足够的放大倍数下，金相网格法(后面将介绍) 是获得热影响区相关结果的唯一方法。 方法三：现场电化学检测双相不锈钢铸件中的σ相

为了开发连接器的现场检测，我们首先需要制备σ相析出量不同的试样。这些试样取自一个不含σ相的固溶退火连接器，然后对试样进行899℃（1650 °F），5或20分钟热处理。从而得到三种试样，它们在σ温度范围的暴露时间分别为0、5或20分钟。 为了验证该方法，对多种连接器进行了检测试验，并将现场检测结果与A923测试方法在相同连接器的试验结果进行比较。请注意，当试样的A923测试合格时，测量电流远低于50微安，当试样的A923测试不合格时，测量电流大于50微安。

ASTM A923试验结果和+600mV电位（相对于SCE)100秒测量的电流值。现场恒电位测量结果与ASTM A923试验结果非常吻合

三、双相不锈钢金属间相检测标准

ASTM（如A240 板材标准）标准及传统产品规范均未包含检测母材和焊缝有害相的金相切片、冲击和腐蚀试验。20世纪80年代中期，合格用户制定了专有技术规范，增加检测内容及要求。在有些情况下，用户认为补充检测会增加成本，没有必要，供应商也认可。从而造成某些项目使用了劣质双相不锈钢产品（母材或加工制作不达标）。

目前已有两个重要标准对检测DSS母材和焊缝中的金属间相做出规定。 ASTM A923-14 ：奥氏体/铁素体双相不锈钢有害金属间相检测的标准试验方法： 试验方法A—用于双相不锈钢浸蚀组织分类的氢氧化钠腐蚀试验（第3-7节） 试验方法B—用于双相不锈钢组织分类的夏比冲击试验（第8-13节） 试验方法C—用于双相不锈钢组织分类的氯化铁腐蚀试验（第14-20节）ASTM A923-14 ASTM A293最初只涉及个别双相不锈钢牌号，而且只针对母材。目的是检测σ相，不包括χ、氮化物或α‘。检测方法有三种： 金相切片：测试方法A：金相试样在NaOH中浸蚀，不显示氮化物 冲击韧性试验 ：试验方法B：-40°C夏比冲击韧性试验。54J的验收标准似乎与金属间相的大量存在无关。达到54J的母材，焊接后存在σ相，实际应用中会显现出来。 腐蚀试验 ：ASTM A923-14 腐蚀试验 用于超级双相钢的试验方法C是按照ASTM G48在40°C 进行24小时试验。研究表明，对于双相不锈钢铸件和锻件，这个温度太低。试验温度50°C 更便于识别。ASTM A923未对焊缝进行详细阐述。该标准规定两种试样：焊缝取样且全面打磨，表面为“加工态”试样，仅打磨切割边。NORSOK、TWI和IIW等机构只要求对切割面打磨，以便在焊接状态下测试焊缝根部。

该图显示了焊缝的焊态根部和酸洗根部之间的巨大差异（ASTM均允许）。酸洗后根部的耐蚀性明显提高，但是，加工制造中可能无法进行酸洗。 多年来，A293标准饱受批评。虽经多次修订，但仍不能完全满足油气公司的要求。在ISO的支持下，油气行业的用户根据自己的需求编写了一个更适合本行业的标准(ISO 17781)，2017年首次颁布。 ISO 17781-2017 石油石化和天然气行业--铁素体/奥氏体(双相)不锈钢微观组织质量控制试验方法。本标准适用于从经济型到特超型所有双相不锈钢牌号。它涵盖所有的主要生产流程，包括锻造、铸造和HIP(热等静压)，但不包括增材制造。它还涵盖了所有双相钢牌号的焊缝。每个牌号和每种产品类型都有各自的筛选标准。接头焊态组织有其特殊要求。 ISO 17781-2017试验方法包含： 1）微观组织分析 首先在低倍镜下检查金相切片，扫描整个样本。然后在高倍镜下检查受影响的区域。第三相通常出现在铸件和焊缝的晶界三相点和枝晶间距处。 2）铁素体含量检测 浸蚀通常分为两步进行：10%草酸和20%-40%氢氧化钠或氢氧化钾。浸蚀后可看到σ相和χ相，以及未纳入ASTM A293的氮化物。 3）V型缺口冲击韧性试验 部分双相钢产品冲击韧性要求 4）腐蚀试验 ISO 17781-2017试验采用高合金双相钢G48腐蚀试验标准和经济型双相钢ASTM A1084 试验标准。标准规定了每个牌号的试验温度，验收标准为最大重量损失(4 g/m2)，且放大倍数为X20时无点蚀迹象。这是因为氮化物可以在没有任何可见点蚀的情况下造成严重的重量损失。该试验还包括焊缝试验，包括取样位置和制备，不同牌号有不同的指标和参数。 四、总结 1、双相不锈钢(DSS)具有铁素体-奥氏体双相微观组织。在焊接、热加工和热处理等加工制造过程中，可能会形成不同类型的金属间相和析出化合物，它们会影响钢的性能。 2、无损检测和现场检测操作简便，但操作时需慎重。它们具有重要的参考价值，但一般不作为评估工艺和产品是否符合预期使用条件的依据。 3、ISO 17781对检测要求和判定标准要求很高。试验的目的是防止不达标的材料进入油气行业。不过，在其它许多行业，由于质量原因，双相不锈钢也出现一些问题。其它行业在采购或加工双相不锈钢时，没有理由不采用ISO 17781标准。

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