探析超级马氏体不锈钢的特性

超级马氏体不锈钢是在20世纪90年代被启用的。它作为奥氏体不锈钢和双相不锈钢的一种较便宜的替代钢用于海底管道。这种钢和标准马氏体钢相比具有相当的性能和更优越的焊接性。由于合金元素含量低，所以比奥氏体和双相不锈钢便宜。当前这些钢用于石化工业的油、气采集管道或工艺流程上的管道，这些管道中流动的油、气含有未经分离和处理的高CO₂和H₂S。

相对于常用的马氏体类钢，这种钢主要是通过降低碳含量到0.02%或更低来改进焊接性。这样可以得到“软”的低碳马氏体，比标准的马氏体型钢具有更高的抗氢致裂纹能力。虽然这些钢在某些场合可以在焊态使用，然而为了优化其性能仍然要求进行回火。为了补偿降低碳的影响，在这类钢中加入镍以促进形成奥氏体并扩大相图中的奥氏体回线区域，从而改进材料的淬硬性。钢中加钼是为了改进耐腐蚀性能，加钛可以形成TiC使碳稳定，同时又可作为晶粒细化剂。Marshall和Farrar^[15]调查了超级马氏体不锈钢，把它分成低合金、中合金和高合金三类。表4-8列出了代表这三类超级马氏体钢的名义成分。

表4-8 低合金、中合金和高合金超级马氏体钢的名义成分

注：引自：MarshallandFarrar^[15]。

①某些质量分数小于0.01%，其他高至0.08%。

②质量分数由微量至0.3%。

这些钢开发得很快，经常出现拥有专利的新成分，直到写本书的时候还缺乏超级马氏体不锈钢的工业标准。这些钢的力学性能和标准马氏体不锈钢相当，规定的最低屈服强度为625～760MPa（90～110ksi），拉伸强度为830～900MPa（120～130ksi），断后伸长率（延性）为18%～25%。这些性能代表了淬火+回火的母材金属性能。超级马氏体不锈钢凝固形成铁素体，所以有很强的抗凝固裂纹的能力。由于碳含量低，生成“软”的马氏体，所以对氢致裂纹也不敏感。焊态的硬度一般低于30HRC（大约300HV）。

为了和母材金属强度和耐腐蚀能力匹配，实验中已经用了成分匹配的焊接材料，但至今能用于实际工作的等匹配的焊接材料还很有限。双相不锈钢如2209钢可以用来得到韧度和延性好的焊接熔敷金属，但相对超级马氏体不锈钢母材只能得到强度上低匹配的焊缝。更高强度的w（Cr）=25%的超级双相不锈钢填充金属（商业名为Zeron100）能够提供焊态下的近等强度匹配焊缝，用这种方法已经在北海和其他地方铺设了许多英里的海水下管道。一开始有些管道是在焊态下使用的，然而在HAZ发现晶间腐蚀^[16]，后来发现很短时间的PWHT[在650℃（1200°F）加热5min接着水淬]就解决了晶间腐蚀的问题。而在w（Cr）=22%的双相钢根部焊缝和w（Cr）=25%的超级双相钢填充焊缝中并没有产生不良的析出物。直到写本书时，这种方法还普遍用于焊接超级马氏体不锈钢的海洋工程管道。必须注意：如果要采用通常的加热时间较长的PWHT时，就不能用双相不锈钢填充金属，这是由于在长时间PWHT中会析出金属化合物而引起脆化，在第7章中将对此进行详细描述。

和标准的w（Cr）=12%～13%的马氏体不锈钢类似，超级马氏体不锈钢焊态组织主要是马氏体，但在室温微观组织中可能含有一些铁素体。由于这种钢高的镍含量和很低的碳含量，Balmforth相组分图（图3-22和图4-12）在目前形式下不能用于这类钢来精确地预测其铁素体含量。

Gooch和合作者在TWI（英国焊接研究所）开发了一张初始的相组分图（图4-16，即3.5节提到的图3-21）来预测低碳13%Cr钢热影响区的铁素体含量。由于评估的钢种少，特别是镍含量高的钢更少，所以这张相组分图只能定性地而不是严格定量地预测微观组织。这张图是在HAZ组织上开发的，所以是否能用于焊缝金属也是成问题的。

图4-16 超级马氏体不锈钢热影响区的铁素体含量

（引自Gooch等）[17]

在中合金类，特别是高合金类超级马氏体不锈钢中，高的镍含量剧烈降低加热时开始形成奥氏体的温度Ac₁，由TWI开发的Ac₁关系式可知w（Ni）=4%的钢其Ac₁可能降低到500℃（930°F），这就使PWHT产生问题，因为对马氏体不锈钢回火温度一般要求超过600℃（1110°F），低于600℃时扩散速度低，回火时间将十分长。(www.xing528.com)

TWI提出下面的关系式来预测w（Cr）=13%和w（C）<0.05%的马氏体不锈钢的Ac₁温度。

Ac₁（℃）=850-1500（C+N）-50Ni-25Mn+25Si+25Mo+20（Cr-10） （4-3）

Marshall和Farrar^[15]指出：对于低合金类超级马氏体不锈钢，实际Ac₁在650℃（1200°F）左右，而高合金类在630℃（1170°F）左右，这些温度显著高于TWI的预测值。由于这种分歧，必须精心选择焊后的回火温度，并用实验来验证，以防止由于发生部分奥氏体相变而引起不希望的组织硬化。

值得注意的是：镍在降低Ac₁方面有很强的效应，而钼可以用来抵消其作用。如果在PWHT中又生成了奥氏体，则材料性能会下降，然而也需指出中合金类，特别是高合金类超级马氏体钢在供货态下常会含有大量残留奥氏体，对韧度产生有利影响^[15]。

图4-17 超级马氏体不锈钢硬度随回火时间-温度参数的变化

（引自Gooch等^[17]）译者注：原文图例为“●C>0.03%；○0.01%>C>0.03%；△C>0.01%”。根据前后文和常识改为视图中的图例。

在使用等匹配填充金属时建议进行PWHT使马氏体回火，这样会降低10%～20%强度，但提高了韧度和延性。如前所述，高的镍含量会降低Ac₁温度，所以要限制PWHT的温度使其低于这个Ac₁温度。而在高于Ac₁的温度回火会再生成奥氏体而使性能下降。这是因为在高于Ac₁温度的回火中形成的奥氏体除非残留到室温，否则在冷却时将转变为不经回火的“新生”马氏体。也需要指出：在制造超级马氏体不锈钢管道时，通常采用5min650℃（1200°F）的短时PWHT，而650℃高于很多钢的Ac₁温度。图4-17示出了回火时间和温度对超级马氏体不锈钢软化的影响。回火时间和温度的复合影响用Larson-Miller指数P来表示，请注意：对于不同碳含量钢的软化曲线，其软化速度（斜率）是相同的，然而碳含量高的钢在高P值出现了时效（硬化）效应。

图4-18示出了回火温度对形成奥氏体的影响，请注意：回火温度为600℃（1110°F）时，在13Cr-6Ni钢中可以残留多达30%的奥氏体。

图4-18 13%Cr超级马氏体不锈钢中高温奥氏体含量和到室温时残留的奥氏体含量

（引自Gooch等^[17]）

可以期望超级马氏体不锈钢还将作为油、气传输工业和在其他应用中的重要工程材料继续发展。至今这种钢的焊接冶金和组织-性能关系仍继续成为大量研究工作的主题。而这种钢在焊接冶金和焊接性研究方面的进展将成为其广泛应用的关键。