在鋼鐵材料的生產(chǎn)過程中，鋼材通常要經(jīng)過多次不同的加熱過程，如鍛造、軋制前的均熱過程，冷軋不同道次間的退火過程以及成品的最終熱處理過程。生產(chǎn)過程中，某些情況下材料表面會產(chǎn)生各種缺陷，如裂紋、折疊等。當裂紋剛剛產(chǎn)生時，裂紋兩邊為新鮮金屬表面，不存在任何氧化情況。鋼坯在隨后的生產(chǎn)過程中經(jīng)歷不同的加熱過程，在裂紋兩側的新鮮金屬表面就會產(chǎn)生不同的氧化行為以及積累不同的氧化產(chǎn)物。越是在靠前的工序產(chǎn)生的裂紋，經(jīng)歷的加熱過程越多，氧化也更加充分，反之亦然。這也成為在缺陷分析過程中判斷裂紋產(chǎn)生工序的一個重要判據(jù)。

2507不銹鋼為一種超級雙相不銹鋼，是指點蝕當量值大于40、鉻質量分數(shù)為25％、高鉬高氮的鋼。具有良好的耐蝕與力學綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美，一般用于苛刻的介質條件，如化工和海洋工程等領域。

本文通過研究2507雙相不銹鋼的裂紋氧化行為，獲得該類鋼種在經(jīng)歷不同加熱過程的氧化產(chǎn)物演化行為，希望能為判斷分析表面缺陷（裂紋）產(chǎn)生的工序提供技術支撐。

加工10ｍｍ×10ｍｍ×100ｍｍ試樣，在試樣中部使用線切割預制深度為2ｍｍ割槽，然后通過德國zwick150HFP5100高頻疲勞試驗機預制4ｍｍ長裂紋。

2507雙相不銹鋼的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示?？梢钥吹?，鋼管的生產(chǎn)共經(jīng)歷了4次熱處理，即均熱、兩次軟化處理和成品熱處理，熱處理制度均為1200℃＋50min。如果裂紋產(chǎn)生于二次冷軋工序，則在成品狀態(tài)時其只經(jīng)歷了成品熱處理的一道熱處理工序（對應圖1中1號試樣）。如果裂紋產(chǎn)生于管坯處，則成品經(jīng)歷了全流程的4次熱處理（對應圖1中4號試樣）。裂紋產(chǎn)生于不同的工序，則會導致成品有不同的熱處理經(jīng)歷，從而成品處裂紋的氧化形貌和成分也會存在差異。因此本文設計了四種熱處理制度，來模擬裂紋產(chǎn)生于不同工序時所對應的熱處理經(jīng)歷，為成品上裂紋產(chǎn)生工序的判別提供技術支撐。

試樣編號所對應的裂紋形成工序到成品時經(jīng)歷的熱處理制度以及模擬試驗采用的熱處理制度如表１所示。

使用蔡司ultra55掃描電鏡對裂紋的氧化情況進行形貌觀察，并使用牛津Incaxmax50能譜儀對氧化產(chǎn)物進行成分分析。

圖2為不同熱處理狀態(tài)下預制裂紋的氧化情況?？梢钥吹剑?200℃＋50min（1號試樣）時，裂紋已經(jīng)存在氧化情況，但氧化層較薄，并不明顯；在1200℃＋100min（2號試樣）時，裂紋的氧化層明顯變厚，并且存在一定的梯度，即靠近表面部位的氧化層較厚，靠近根部部位的較??；在1200℃＋150min（3號試樣）時，裂紋的氧化情況并未發(fā)生明顯變化，這可能是由于氧化達到了一定的平衡狀態(tài)，沒有明顯的擴散；而在1200℃＋200min（4號試樣）時，可以看到裂紋氧化明顯加速，氧化層的厚度快速增加，遠大于其他三種情況。關于基體中的氧化點，可以看到３號試樣已經(jīng)有明顯的氧化點分布在裂紋兩側，而4號試樣更加明顯。結合氧化層的厚度和裂紋兩側氧化點的出現(xiàn)情況，可為判斷裂紋產(chǎn)生的工序提供形態(tài)上的技術支撐。

2.2.1 1號試樣

圖3為1號試樣（經(jīng)歷成品熱處理，裂紋形成于成品熱處理前）的氧化層和基體的能譜分析結果?？梢钥吹剑趸瘜拥闹饕煞譃镃r、Mn和Fe的氧化物，其中Cr和Mn的元素含量較高，這也和它們與氧的親和度較高有關。

2.2.2 2號試樣

圖4為2號試樣（經(jīng)歷成品熱處理＋1次軟化處理，裂紋形成于二次軟化處理前）的氧化層和基體的能譜分析結果。與1號試樣不同，2號試樣的氧化層已經(jīng)具有一定的厚度。在氧化層的中心部位，氧化層以氧化鐵為主，Cr和Mn元素含量較低。在靠近基體的位置，氧化物的組成與1號試樣相同，以Cr和Mn為主，而Fe含量較低。

2.2.3 ３號試樣

3號試樣（經(jīng)歷成品熱處理＋2次軟化處理，裂紋形成于一次軟化處理前）裂紋的能譜分析結果與2號試樣類似，但3號試樣在裂紋兩側出現(xiàn)了明顯的氧化點，圖5為氧化點能譜分析的結果?？梢钥吹?，氧化點的主要成分為Si，應為O元素擴展進基體，與Si結合形成氧化硅顆粒。這也是3號試樣與2號試樣的主要區(qū)別。

2.2.4 ４號試樣

圖6為4號試樣（經(jīng)歷成品熱處理＋2次軟化處理＋穿管均熱處理，裂紋形成于穿管均熱處理前）的能譜分析結果?？梢钥吹剑鸭y頭部氧化層的成分與3號試樣沒有明顯差異，中部為氧化鐵，邊部為氧化鉻，顆粒為氧化硅。但氧化層的厚度明顯大于3號試樣。

由于4號試樣氧化較為充分，因此其裂紋中部的氧化物也呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。圖7為裂紋中部的氧化物成分，可以看到存在Mo的氧化物顆粒。這可能是在長時間的高溫氛圍內，基體中的Mo元素和擴散在基體中的O元素結合，形成了Mo的氧化物。并且還在裂紋根部發(fā)現(xiàn)了Cr的氮化物，這可能是因裂紋根部空氣量較少，O元素含量低，而N元素含量高，因此Cr元素與N元素結合形成了Cr的氮化物，結果如圖8所示。

為了進一步確認氧化物的分層情況，使用線掃描對4號試樣的裂紋進行了線分析，其結果如圖9所示。從圖9中可以清楚地看到，在裂紋氧化層的中部Fe占據(jù)主導地位形成氧化鐵，而在氧化鐵的兩側為 Mn的氧化物占據(jù)主導，更外側（接近基體處）為Cr的氧化物。Si的氧化物以氧化顆粒的形式存在基體中。這與能譜點分析的結果一致，但可較為清楚地發(fā)現(xiàn)Mn與Cr的位置并不完全重疊。胡灶福等的研究發(fā)現(xiàn)，在高鉻鑄鐵中高于600℃時氧化過程受控機制轉變?yōu)镃r₂O₃和顆粒狀MnCr₂O₄復合氧化膜的生長。隨著氧化程度的進一步加劇，氧化層結構還會轉變?yōu)閮葘覥r₂O₃、MnCr₂O₄和（Mn，F(xiàn)e）₂O₃多層結構。

通過對上述4個試樣裂紋氧化情況的形貌和成分分析，可以看到試樣經(jīng)過四種工況條件后，裂紋形貌和成分呈現(xiàn)出明顯的不同。

在形貌上，隨著熱處理時間的增加，即隨著裂紋經(jīng)歷的工序增加，裂紋的氧化厚度增加。只經(jīng)歷成品熱處理試樣（1號）裂紋的氧化層較細，經(jīng)歷成品熱處理＋1次軟化處理試樣（2號）裂紋的氧化層變厚，經(jīng)歷成品熱處理 ＋2次軟化處理試樣（3號）裂紋兩側的基體中出現(xiàn)了氧化物顆粒，經(jīng)歷成品熱處理 ＋2次軟化處理試樣＋穿管均熱處理試樣（4號）裂紋氧化層進一步變厚且裂紋中間存在粗大的氧化物顆粒。由此可以看到，在不同工序產(chǎn)生的裂紋，由于其晶粒的熱處理工序區(qū)別而導致了裂紋氧化形貌的差異，從而可以根據(jù)裂紋形貌來判斷裂紋產(chǎn)生的工序。

從成分上分析，只經(jīng)歷成品熱處理試樣（1號）裂紋的氧化層主要為Cr的氧化物。經(jīng)歷成品熱處理和軟化處理試樣（2號和3號）裂紋氧化層的組成變?yōu)閺秃闲?，從中間到基體的氧化元素依次為Fe、Mn、Cr、Si元素在基體內形成顆粒狀氧化物。經(jīng)歷成品熱處理＋軟化處理＋穿管均熱處理試樣（4號）裂紋的氧化層在中部和根部呈現(xiàn)出差異，在中部形成了Mo的氧化物，而在裂紋根部則形成了Cr的氮化物。這可能與氧化環(huán)境有關，因為隨著裂紋的深入，空氣含量降低，O元素含量降低，導致了反應動力學的差異。因此可以看到在不同工序產(chǎn)生的裂紋，由于其經(jīng)歷的熱處理工序區(qū)別而導致裂紋氧化物組成的差異，從而可以根據(jù)裂紋氧化物組成來判斷裂紋產(chǎn)生的工序。

綜上所述，產(chǎn)生于不同工序的裂紋，由于其熱處理經(jīng)歷不同，導致了裂紋氧化物的形貌和組成上的差異，從而可以以此為依據(jù)來判斷裂紋形成的工序，為表面質量改善提供技術支撐。具體可見表2。

采用預制裂紋的方式，通過不同的熱處理工藝來模擬裂紋經(jīng)歷不同的熱加工過程，使用掃描電鏡和能譜對裂紋氧化層的形貌和成分組成進行了分析，結論如下：

（1）形貌上，隨著熱處理時間的增加，裂紋的氧化厚度增加。

（2）成分方面，隨著時間的增加，其氧化物組成、基體中是否存在顆粒氧化物等也存在著明顯的差異。

（3）可以通過表面裂紋的氧化形態(tài)及成分組成來判斷裂紋產(chǎn)生工序，從而為2507不銹鋼現(xiàn)場表面質量改善提供技術支撐。