雙相不銹鋼特性概述
雙相不銹鋼因?yàn)槠浣鹣囡@微組織由鐵素體和奧氏體兩種不銹鋼晶粒組成，所以被稱為 “雙相”。下圖中，藍(lán)顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被淺色的鐵素體相海洋所包圍。當(dāng)雙相不銹鋼熔化后，它從液態(tài)凝固時(shí)首先凝固成完全的鐵素體結(jié)構(gòu)，隨著材料冷卻到室溫，大約有一半的鐵素體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體晶粒（“島嶼”）。其結(jié)果是，顯微組織中大約50%為奧氏體相，50%為鐵素體相。
雙相結(jié)構(gòu)使得這類不銹鋼集許多優(yōu)異特性于一身，這種結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高：雙相不銹鋼的強(qiáng)度大約是常規(guī)奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼強(qiáng)度的2倍。因此設(shè)計(jì)師在某些應(yīng)用中就可減薄壁厚。下圖比較了室溫到300℃的溫度區(qū)間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度。
盡管雙相不銹鋼強(qiáng)度高，但它們表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的韌性和延展性明顯優(yōu)于鐵素體不銹鋼和碳鋼，即使在很低的溫度如－40℃/F下仍保持良好的韌性。但還達(dá)不到奧氏體不銹鋼的優(yōu)異程度。
不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于其化學(xué)成分。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，雙相不銹鋼都顯示出較高的耐蝕性能，這是由于它們鉻含量高，在氧化性酸中很有利，并且含有足夠量的鉬和鎳，能耐中等還原性酸介質(zhì)的腐蝕。
雙相不銹鋼耐氯離子點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力，取決于其鉻、鉬、鎢和氮含量。雙相不銹鋼相對(duì)較高的鉻、鉬和氮含量使它們具有很好的耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能。它們有一系列不同的耐腐蝕性能，既有相當(dāng)于316不銹鋼耐蝕性的牌號(hào)，如經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼21011，也有相當(dāng)于6%鉬不銹鋼耐蝕性的牌號(hào)，如SAF 25077。
雙相不銹鋼具有非常好的耐應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）性能，這個(gè)特性是從鐵素體這一方“繼承”來的。所有雙相不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的能力均明顯優(yōu)于300系奧氏體不銹鋼。而標(biāo)準(zhǔn)的奧氏體不銹鋼牌號(hào)如304和316，在有氯離子、潮濕空氣和溫度升高的條件下，可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。因此，在有較大應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的化工行業(yè)許多應(yīng)用，常常采用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼的使用。
而在物理物理性能方面，介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。與具有相同耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼牌號(hào)相比，雙相不銹鋼中鎳、鉬含量較低。因?yàn)楹辖鹪睾康停p相不銹鋼在價(jià)格上可能有優(yōu)勢(shì)，尤其是在合金附加費(fèi)較高時(shí)。此外，由于雙相不銹鋼較高的屈服強(qiáng)度，其斷面尺寸常常可減薄。與采用奧氏體不銹鋼的方案相比，采用雙相不銹鋼可顯著地降低成本，減輕重量。
雙相不銹鋼的發(fā)展歷程
雙相不銹鋼已有80多年的歷史。早期的牌號(hào)是鉻、鎳和鉬的合金。1930年在瑞典生產(chǎn)出第一批鍛軋雙相不銹鋼并用于亞硫酸鹽造紙工業(yè)，開發(fā)這些牌號(hào)是為了減少早期高碳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產(chǎn)出雙相不銹鋼鑄件。1936年Uranus 50 的前身在法國(guó)獲得專利。二戰(zhàn)后，AISI 329型不銹鋼成為成熟的牌號(hào)并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是第一代專為提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）性能而研制的第一代雙相不銹鋼牌號(hào)之一。后來，鍛軋和鑄造雙相不銹鋼牌號(hào)均用于各種加工工業(yè)的應(yīng)用，包括容器、熱交換器和泵。
第一代雙相不銹鋼有良好的性能表現(xiàn)，但在焊接狀態(tài)下有局限性。焊縫的熱影響區(qū)（HAZ）由于鐵素體過多而韌性低，并且耐腐蝕性能明顯低于母材。這些局限性使第一代雙相不銹鋼的應(yīng)用，僅限于非焊接狀態(tài)下的一些特定應(yīng)用。1968年不銹鋼精煉和氬氧脫碳(AOD)工藝的發(fā)明，使一系列新不銹鋼鋼種的產(chǎn)生成為可能。AOD所帶來的諸多進(jìn)步之一便是氮作為合金元素的刻意添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態(tài)下HAZ的韌性和耐蝕性接近于母材的性能。隨著奧氏體穩(wěn)定性的提高，氮還降低了有害金屬間相的形成速率。
含氮的雙相不銹鋼被稱為第二代雙相不銹鋼。這一新的商品化進(jìn)展始于70年代后期，正好與北海海上油氣田的開發(fā)及市場(chǎng)對(duì)具有優(yōu)異耐氯離子腐蝕性能、良好的加工性能和高強(qiáng)度的不銹鋼需求相吻合。2205成為第二代雙相不銹鋼的主要牌號(hào)并廣泛用于海上石油平臺(tái)集氣管線和處理設(shè)施。由于這種鋼的強(qiáng)度高，因此壁厚可減薄，從而可以減輕平臺(tái)的重量，因此這種不銹鋼的應(yīng)用有很大的吸引力。
雙相不銹鋼包含一系列耐腐蝕特性各不相同的牌號(hào)，其耐腐蝕性能取決于它們的合金成分。
本文根據(jù)耐腐蝕性，將現(xiàn)代雙相不銹鋼分為五類:
1. 不刻意添加鉬的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，如2304；
2. 含鉬的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，如S32003;
3. Cr含量約22%、Mo含量3%的標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，如2205，是主要的牌號(hào)，約占雙相不銹鋼用量的60%；
4. Cr含量約為25%、Mo含量為3%的超級(jí)雙相不銹鋼，PREN值40～45，如2507；
5. 特超級(jí)雙相不銹鋼，Cr和Mo含量高于超級(jí)雙相不銹鋼，PREN值大于45，如S32707
不銹鋼耐局部腐蝕性能與其合金元素含量有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。能夠增加耐點(diǎn)蝕能力的元素主要有Cr, Mo, and N. W。盡管W不常用，但它的有效貢獻(xiàn)約為Mo的一半（以重量百分比計(jì)）。不銹鋼在氯離子溶液中的相對(duì)耐點(diǎn)蝕能力與不銹鋼成分之間的關(guān)系可以用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來描述，叫做耐點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)（PREN）。奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的PREN計(jì)算公式如下：
PREN（耐點(diǎn)蝕當(dāng)量）= %Cr+3.3(%Mo+0.5%W) +16%N
表1 給出了第二代鍛軋雙相不銹鋼和鑄造雙相不銹鋼的化學(xué)成分和PREN值范圍，為便于比較，第一代雙相不銹鋼和最常用的奧氏體不銹鋼也包括在其中。
表1 鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學(xué)成分 (重量%) 和PREN值范圍*
(為便于比較，也列出了奧氏體鋼牌號(hào))
- 最大值，除非指明范圍或說明是最小值。- 標(biāo)準(zhǔn)中未指明。
