雙相不銹鋼(duplex stainless steel)

　　一種在固溶組織中鐵素體相和奧氏體相約各占一半的不銹鋼。在雙相不銹鋼中，較少相的含量應在30%以上。由于兩相組織的特點，通過正確控制化學成分和熱處理工藝，雙相不銹鋼能兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點，它將奧氏體不銹鋼所具有的優良韌性和焊接性，與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起，使雙相不銹鋼作為可焊接的結構材料發展十分迅速，80年代以來已成為和馬氏體型、奧氏體型、鐵素體型不銹鋼并列的一個鋼類。

　　簡史 雙相不銹鋼的發展開始于20世紀30年代，法國人在1935年獲得第一個專利。雙相不銹鋼已發展了三代，第一代雙相不銹鋼以美國40年代開發的329鋼為代表，含高鉻、鉬，耐局部腐蝕性能好，但含碳量較高(≤0.1%碳)，因此焊接時失去相的平衡及沿晶界析出碳化物導致耐蝕性及韌性下降，焊后必須經過。726熱處理，一般用于鑄鍛件，在應用和發展上受到限制。50年代蘇聯發展了含穩定元素鈦的08×21H5T和08×21H6M2T鋼，德國也有1.4582，法國有Uranus50，英國有Ferralium255，日本在美國329基礎上降碳，提出了，這些鋼都可作為可焊接的結構件使用，隨后至60年代中期瑞典開發了著名的3RE60鋼，他是第一代雙相不銹鋼的代表鋼種，特點是超低碳，含鉻量為18%，焊接及成型性能良好，廣泛代替AISl304L、316L用作耐氯離子應力腐蝕的材料，該鋼的問題是在焊接熱影響區易出現單相鐵素體組織，導致耐應力腐蝕及晶間腐蝕性能下降。70年代以來，隨著二次精煉技術AOD和VOD等方法的出現與普及，容易煉出超低碳(碳≤0.03%)的鋼，同時發現氮作為奧氏體形成元素對雙相不銹鋼有重要作用，在焊接接頭熱影響區快速熱循環冷卻時，氮促進了高溫下形成的鐵素體逆轉變為足夠量的二次奧氏體以維持必要的相平衡，提高了焊接接頭的耐蝕性，氮還可以提高富氮奧氏體相的耐孔蝕能力，與富鉻、鉬的鐵素體相取得平衡，提高了材料整體的耐孔蝕性能。此外，氮還能減輕鉻、鎳等元素在兩相中分布的差異，降低選擇腐蝕的傾向性，正是利用氮元素的獨特效果，以及較容易獲得超低碳鋼，改進了第一代雙相不銹鋼的缺點，從而開創了第二代新型的含氮雙相不銹鋼，開發了新的應用領域。第二代雙相不銹鋼，不論是18Cr型，還是22Cr和25Cr型大多數屬于超低碳型，并且含有鉬、銅或硅等提高耐蝕性的元素。針對酸性油井井管及管線用鋼瑞典開發出了SAF2205，此鋼已納入美國的ASTMA’789和A790標準。日本有近10個廠家都在生產雙相不銹鋼，應用范圍很寬，包括工業用水及海水熱交換器，尿素高壓設備，硝酸設備等。法國有URANus系列，英國有ZE-RON鑄鋼系列，德國也有納標的系列牌號。80年代后期發展的超級雙相不銹鋼(Super DSS)是屬于第三代雙相不銹鋼，牌號有SAF2507，uR52N+，Zeron100等，這類鋼的特點是含碳量低(碳0.01%～0.02%)，含高鉬和高氮(鉬約4%，氮約0.3%)，鋼中鐵素體含量40%～45%，此類鋼具有優良的耐孔蝕性能，孔蝕抗力當量值(PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)大于40。中國自70年代中期開始發展雙相不銹鋼，冶金部鋼鐵研究總院最早從事這方面的工作，以發展含氮雙相不銹鋼為主，至今已有耐應力腐蝕，耐孔蝕與縫隙腐蝕，耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕的簡單系列牌號。

　　雙相不銹鋼主要代表牌號如表1所示，各雙相不銹鋼牌號之間的發展關系如圖1所示。

　　性能特點　(1)雙相不銹鋼在低應力下有良好的耐中性氯化物應力腐蝕性能。一般應用在70℃以上中性氯化物溶液中的18-8型奧氏體不銹鋼容易發生應力腐蝕破裂，像在微量氯化物及硫化氫的工業介質中使用的這類不銹鋼的熱交換器、蒸發器等都存在著產生應力腐蝕破裂的傾向，而雙相不銹鋼卻能耐蝕。例如含18%Cr的00Cr18Ni5M03Si2鋼耐應力腐蝕的典型介質條件是：Cl<1000×10-6，<150℃，pH≥7;H2s～5000ppm，Cl-約30×10-6，<150℃，pH≥7。(2)含鉬雙相不銹鋼有良好的耐孔蝕性能。含18%Cr的雙相不銹鋼與AISl316L相當。含25%鉻的、尤其是含氮的高鉻雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能超過了AISl316L。(3)有較高的強度和韌性，綜合力學性能好，屈服強度是18-8型奧氏體不銹鋼的2倍。(4)焊接性良好，熱裂傾向小，焊前不需預熱，焊后不需熱處理。(5)熱加工溫度范圍比18-8型奧氏體不銹鋼寬，抗力小，采用8t錠型可順利生產大鍛件，含低鉻(18%鉻)的雙相不銹鋼可不經過鍛造，直接軋制開坯生產鋼板。(6)冷加工時比18-8型奧氏體不銹鋼加工硬化效應大，在管、板承受變形初期抗力較大，需施加較大應力才能變形。(7)仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜用在高于350℃的工作條件下。雙相不銹鋼中鉻含量愈低，a相脆性的危害性也愈小。(8)與奧氏體不銹鋼相比，導熱系數大，線膨脹系數小，易進行設備的襯里和生產復合板。

　　顯微組織和二次相的析出 雙相不銹鋼常規固溶處理(1000～1100C)后的組織是α+γ相隨熱處理溫度升高，a相數量增多，至1300～1350℃，將成為單一的n相組織。圖2是幾個典型牌號的固溶溫度與鋼中鐵素體含量的關系。因此，在焊接時，近焊縫的熱影響區瞬時會出現單一鐵素體組織，引起晶粒長大，但是如果雙相不銹鋼的成分能夠得到很好的平衡，有可能在a/a晶界在焊后冷卻過程中出現部分a相的逆轉變成y相，從而使熱影響區保持與母材相匹配的性能。

　　雙相不銹鋼的相變復雜，尤其是含鉻、鉬都較高的鋼，在350～1000℃進行等溫時效或不正確熱處理時，除a和7兩相外，還有各種其他的二次相析出，這些相主要由不穩定的a相中析出或轉變來的，有σ相、Cr2N、x相、R相、π相、M7C3、M23C6等，在350～550℃還有鐵素體的調幅分解，變成富鉻和貧鉻的α‘+α區。這些相中以σ相最為重要，它嚴重影響鋼的韌性和耐蝕。

　　力學性能 固溶態雙相不銹鋼典型牌號的常溫力學性能列于表2。

　　雙相不銹鋼的屈服強度一般為奧氏體不銹鋼的2倍，隨鋼中合金元素的增加，強度也增高，主要是由于鉻、鉬，還有氮的固溶強化作用。雙相不銹鋼的強度取決于a相，較好的塑、韌性來自γ相。

　　雙相不銹鋼的各向異性明顯，縱、橫向的σb、σs相同，但橫向的δ值，尤其是Ak值卻大大下降。

　　固溶態雙相不銹鋼的脆性轉變溫度一般發生在-60℃或更低溫度，這一點可滿足實際應用的需要。

　　如前所述，溫度高于300℃由于a相的分解產生眾多的脆性相。在600～900℃范圍主要是σ相使鋼沖擊韌性嚴重下降，σ相達到4%時，Ak值就可降到臨界沖擊值27J。低于500℃屬于475℃脆性區，即使在300℃左右也會產生長時低溫脆性。

　　耐腐蝕性能 雙相不銹鋼不僅有良好的綜合力學性能，更有吸引力的是它的耐蝕性，例如耐孔蝕、應力腐蝕和晶間腐蝕等局部腐蝕性能，在許多腐蝕環境中，在鋼中鉻、鉬含量相同的條件下，雙相不銹鋼有著和奧氏體不銹鋼相當的，甚至更優良的耐蝕性。

　　(1)孔蝕。雙相不銹鋼的孔蝕抗力首先與鋼中鉻、鉬含量有關，現代雙相不銹鋼中一些牌號含氮元素，特別在含氯化物環境中進一步提高了鋼的耐孔蝕性能?？孜g抗力當量值(PRE)與鉻、鉬、氮含量關系式如下：PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%PRE值與臨界孔蝕溫度(CPT)之間存在線性關系，見圖3。

　　這里需要說明的是，PRE只考慮了元素的影響，沒有考慮顯微組織的不均勻性。如果鐵素體和奧氏體相的PRE不相同，必然造成弱相的優先侵蝕，因此，像對超級SAF2205鋼必須進行合適的熱處理以求得兩相間熱力學的平衡和得到相同的PRE值。此外，在α/γ相界優先析出的γ’相和σ相等，或由于如γ’相本身鉻含量偏低，或由于析出相本身鉻、鉬含量高，造成周圍基體的鉻、鉬元素貧化，容易出現孔蝕。

　　(2)應力腐蝕破裂(SCC)。雙相不銹鋼的耐SCC性能與鋼的化學成分和兩相組織有關。一般奧氏體不銹鋼在含氯環境中高于70℃時對應力腐蝕破裂敏感，但是雙相不銹鋼卻較少敏感。實驗表明，既使是低合金含量的23Cr-4Ni鋼也要優于AISl316L和AISl304L，并且隨鋼中含鉻、鉬量提高，雙相不銹鋼的應力腐蝕抗力也增加。

　　雙相不銹鋼在中性氯化物介質中耐應力腐蝕性能優良的原因，一是有比奧氏體鋼高的屈服強度。二是第二相對基體中的scc裂紋的擴展有機械阻擋作用，例如以α相為基體時，γ相對裂紋起阻擋作用，裂紋在α相中發生和擴展，遇到γ相時裂紋尖端或沿α/γ相界擴展，或是中斷，或是改變方向，繞過γ相，在鄰近的α相中又復出現;相反，以7相為基體時，a相也起相同的作用。這正是說明雙相不銹鋼的SCC裂紋往往分支多，擴展無一定方向，走向彎曲，裂紋擴展速度緩慢的原因，并且以沿晶與穿晶的混合形態出現為多數。當兩相含量相當，各占50%左右時，隨試驗介質不同，α相或了相都可以阻擋scc裂紋擴展。三是第二相的電化學保護作用，00Cr18Ni5Mo3Si2鋼經Cacl2介質進行應力腐蝕試驗后通過斷口金相觀察，發現α相有陽極溶解的痕跡。這表明在裂紋擴展過程中，伴隨α相的陽極溶解，.γ相從而得到了陰極保護，因此裂紋不易穿過7相，也就是說γ相抑制了裂紋的擴展。四是在中性含Cl-的介質中，SCC多以孔蝕為起點，雙相不銹鋼的孔蝕誘導期長，即使一旦形成由于第二相的屏障作用又不易擴展成應力集中系數較大的尖角形孔蝕坑，而且蝕坑分散度也較大，避免了外加應力集中在個別少數裂紋上，從而減緩了SCC的擴展速度。

　　需要指出的是在高應力和苛刻的含氯環境中，雙相不銹鋼仍遭到SCC。

　　(3)晶間腐蝕。雙相不銹鋼碳含量低，化學成分平衡的優化使鋼在高溫敏化冷卻時或焊后在近縫熱影響區形成二次奧氏體γ’。一方面γ’提高碳、氮的溶解度，另一方面γ’增加了相界面，從而減少了單位面積上碳化物(M23C6)的析出量。這使雙相不銹鋼不容易形成連續的貧鉻區，減輕了鋼的晶間腐蝕傾向，甚至不產生晶間腐蝕。

　　(4)腐蝕疲勞。雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼有更高的強度，所以它更耐疲勞，兩相的細晶組織也有助于疲勞強度的提高。在腐蝕介質中腐蝕與疲勞的交互作用復雜，鋼的腐蝕疲勞抗力與孔蝕抗力有密切關系。腐蝕疲勞裂紋源往往出現在夾雜、滑移帶或相界等處，這些地方往往是優先產生蝕坑處。

　　應用在雙相不銹鋼沒有進入市場前，對于AISl304和316不能適用的苛刻腐蝕環境使用的都是含高鎳的奧氏體不銹鋼。70年代中期以來的使用經驗表明雙相不銹鋼不僅比一般奧氏體鋼更耐蝕，而且節鎳，以及具有好的綜合性能：強度、韌性和可焊性。因此，雙相不銹鋼適于多種用途，尤其在含氯的介質中應用更為廣泛。當然，在某一單一性能方面，其他類型鋼種可能超過雙相不銹鋼，但是從綜合性能來考慮，雙相不銹鋼往往是最突出的。

　　在化工、石油化工、造紙、能源以及油、氣等工業中的應用，雙相不銹鋼都贏得一席之地。近年發現高PRE值雙相不銹鋼的生物相容性好，可用于人體內移植的不銹鋼材料。