{首页主词},&

雙相不銹鋼實用指南

2025-03-20 15:07:16 作者：本網發(fā)布來源：材易通分享至：

雙相不銹鋼概述

雙相不銹鋼之所以被稱為“雙相”，是因為它具有兩種不同的微觀結構相——奧氏體（Austenite）和鐵素體（Ferrite）——共存于同一材料中。雙相不銹鋼是一類集優(yōu)良的耐腐蝕、高強度和易于制造加工等諸多優(yōu)異性能于一身的鋼種。它們的物理性能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。雙相不銹鋼的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕能力與其鉻、鉬、鎢和氮含量有關，可以類似于316不銹鋼，也可高于海水用不銹鋼如6%Mo奧氏體不銹鋼。所有雙相不銹鋼耐氯化物應力腐蝕斷裂的能力均明顯強于300 系列奧氏體不銹鋼，而且其強度也大大高于奧氏體不銹鋼，同時表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。

雙相不銹鋼的制造加工與奧氏體不銹鋼的制造加工有許多相似之處，但也有重要區(qū)別。雙相不銹鋼的高合金含量和高強度等要求在制造工藝上作某些改變。雙相不銹鋼的加工制造不同于一般不銹鋼，但并不困難。

雙相不銹鋼已有近80年的歷史，它是種混合顯微組織，奧氏體相和鐵素體相大約各占一半。早期的牌號是鉻、鎳和鉬的合金。1930年在瑞典生產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)這些牌號是為了減少早期高碳奧氏體不銹鋼的品間腐蝕問題。1930年芬蘭生產出雙相不銹鋼鑄件，1936年，Uranus50的前身在法國獲得專利。二戰(zhàn)后，AISI329型不銹鋼成為公認的鋼種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力腐蝕斷裂(SCC)性能而研制的雙相不銹鋼牌號之一;后來，鍛軋和鑄造雙相不銹鋼牌號均用于各種加工工業(yè)的應用，包括容器、熱交換器和泵。

這些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。這些局限因素使第一代雙相不銹鋼的應用僅限于非焊接狀態(tài)下的一些特定應用。1968年不銹鋼精煉工藝，即氬氧脫碳(AOD)的發(fā)明使一系列新不銹鋼鋼種的產生成為可能。AOD所帶來的諸多進步之一便是合金元素氮的添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態(tài)下HAZ的韌性和耐腐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)及市場對具有優(yōu)異耐氯離子腐蝕性能、良好的制造加工性和高強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并廣泛用于海上石油平臺集氣管線和處理設施。由于這種鋼的強度高，管的壁厚可減薄，可以減輕平臺的重量，使這種不銹鋼的應用有很大的吸引力。

最新研究：

最新的研究進展在雙相不銹鋼領域主要集中在性能提升、焊接技術、腐蝕行為研究以及新材料的開發(fā)等方面。以下是一些具體的研究成果和進展：

性能提升：上海交通大學王曉東教授團隊在雙相不銹鋼的性能提升及機制方面取得了重要進展。他們通過調控冷軋和再結晶工藝，獲得了由細晶奧氏體和雙峰晶粒分布的鐵素體組成的高氮雙相不銹鋼。這種材料在抑制TRIP效應的同時，通過提高兩相位錯增殖和存儲能力實現(xiàn)了強度和塑性的卓越結合，屈服強度顯著提高，總延伸率保持在高水平。這一研究成果發(fā)表在《Acta Materialia》上。
焊接性能及接頭耐腐蝕性能：有研究關注了雙相不銹鋼焊接性能及接頭耐腐蝕性能的研究現(xiàn)狀，探討了焊接工藝參數(shù)對雙相不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響，以及不同焊接方法對耐腐蝕性能的影響。
選擇性腐蝕行為：研究了022Cr25Ni7Mo4N雙相不銹鋼的選擇性腐蝕行為與兩相組織的關系，發(fā)現(xiàn)雙相不銹鋼的選擇性腐蝕傾向與溶液環(huán)境及電位相關，且與材料成分有關。通過控制化學成分和熱處理工藝，可以改善雙相不銹鋼的選擇性腐蝕行為。
梯度納米雙相結構：長春工業(yè)大學與河海大學相關團隊合作，提出了構筑梯度納米雙相異質結構的策略，以改善雙相不銹鋼的強塑性。通過超聲表面深滾壓組合低溫短時退火的制備方法，實現(xiàn)了梯度納米雙相異質結構，顯著提高了雙相不銹鋼的屈服強度和延伸率。該研究成果發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》上。
中國雙相不銹鋼的發(fā)展及研究進展：中國雙相不銹鋼的研發(fā)與國際同步，注重工藝改進和技術進步，在組織控制及性能提升、熱塑性和析出相等多方面的研究及進步。特別是在雙相不銹鋼組織及性能平衡調控、低溫沖擊韌性研究及提升性能方面的進展，將有力支撐中國雙相不銹鋼產量的增長及應用的拓展。
市場分析報告：《2024-2030年中國雙相不銹鋼行業(yè)研究與戰(zhàn)略咨詢報告》提供了對中國雙相不銹鋼行業(yè)市場發(fā)展環(huán)境、整體運行態(tài)勢的分析，以及市場競爭格局和重點企業(yè)經營狀況的深入研究。

雙相不銹鋼的分類

同奧氏體不銹鋼一樣，雙相不銹鋼是一類按腐蝕特性排列的鋼種，腐蝕性能取決于它們的合金成分。雙相不銹鋼一直在不斷發(fā)展，現(xiàn)代雙相不銹鋼可分為5種類型:

不加鉬的經濟型雙相不銹鋼如 2304；
標準雙相不銹鋼如 2205，是主要的鋼種，占雙相鋼用量的80%以上;
25Cr雙相不銹鋼如合金255，PREN*值小于40;
超級雙相不銹鋼，PREN值 40~45含25%~26%Cr，與含25%Cr雙相不銹鋼相比，鉬和氮的含量增加，如2507;
特超級雙相不銹鋼，PREN值超過45的高合金化雙相不銹鋼。

備注：*PREN = 點蝕當量數(shù)

=%Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N

此外，還有一些經濟型雙相不銹鋼，如AL 2003（低鎳雙相不銹鋼），適用于成本敏感的應用場合。雙相不銹鋼的性能特點包括高強度、良好的耐腐蝕性（尤其是耐氯化物應力腐蝕和點蝕）、優(yōu)異的焊接性能、較高的韌性等。這些特性使得雙相不銹鋼在海洋工程、化工、造紙、石油、海水淡化等領域有著廣泛的應用。在海洋工程中，雙相不銹鋼因其耐海水腐蝕和耐點蝕性能，被用于制造海洋平臺、海底管線、鉆井平臺、水下生產設施等。例如，沙特的海水淡化裝置就使用了雙相不銹鋼制造，以應對海水高氯離子濃度帶來的腐蝕挑戰(zhàn)。隨著材料科學的進步，雙相不銹鋼的創(chuàng)新和新牌號的開發(fā)仍在繼續(xù)，未來可能會有更多高性能或低成本的雙相不銹鋼材料問世，以滿足不同工程應用的需求。

化學成分和合金元素的作用

雙相不銹鋼的化學成分

一般認為，雙相不銹鋼的相平衡比例為30%~70%的鐵素體比奧氏體時，可以獲得良好的性能。但雙相不銹鋼常常被認為是鐵素體和奧氏體大致各占一半，在目前的商品化生產中，為了獲得最佳的韌性和加工特性，傾向于奧氏體的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是鉻、鉬、氮和鎳之間的相互作用是非常復雜的。為了獲得穩(wěn)定的有利于加工和制造的雙相組織，必須注意使每種元素有適當?shù)暮俊?/p>

除了相平衡以外，有關雙相不銹鋼及其化學組成的第二個主要問題是溫度升高時有害金屬間相的形成。高鉻高鉬不銹鋼中形成σ相和x相，并優(yōu)先在鐵素體相內析出，氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中你持足夠量的氮是很重要的。隨著雙相不銹鋼制造經驗的增加，控制窄的成分范圍的重要性變得越來越明顯。

表1 鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學成分”(重量%)

合金元素在雙相不銹鋼中的作用

鉻

鋼中鉻含量必須不低于10.5%才能形成穩(wěn)定的含鉻鈍化膜保護鋼不受大氣腐蝕。不銹鋼的耐蝕性隨鉻含量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素，鋼中加鉻可促使體心立方結構的鐵素體形成。鋼中鉻含量較高時，需要加入更多的鎳才能形成奧氏體或雙相(鐵素體一奧氏體)組織，較高的鉻量也能促進金屬間相的形成。奧氏體不銹鋼鉻含量至少為16%，雙相不銹鋼鉻含量至少為20%。鉻還能增加鋼在高溫下的抗氧化能力。鉻的這一作用很重要它影響熱處理或焊接后氧化皮或叫火色的形成和去除。雙相不銹鋼的酸洗和去除叫火色要比奧氏體不銹鋼困難。
鉬

鉬與鉻的協(xié)同作用能提高不銹鋼的耐點蝕的能力。當不銹鋼中鉻含量至少為18%時，鉬在含氯化物的環(huán)境中耐點蝕和縫隙腐蝕的能力是鉻的三倍。鉬是鐵體形成元素，同時也增大了不銹鋼形成金屬間相的傾向。因此，奧氏體不銹鋼的鉬含量通常小于約7.5%，雙相不銹鋼的鉬含量小于4%。
氮

氮增加奧氏體和雙相不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力。它能顯著地提高鋼的強度。事實上它是最有效的固溶強化元素和低成本合金元素。含氮雙相不銹鋼切性的改善得益于其較高的奧氏體含量和金屬間相含量的降低。氮并沒有阻止金屬間相的析出，但延緩了金屬間相的形成，使得有足夠的時間進行雙相不銹鋼的加工和制造。氮被添加到鉻和鉬含量高的高耐蝕性奧氏體和雙相不銹鋼中，以抵消它們形成σ相的傾向。

氮是強奧氏體形成元素，在奧氏體不銹鋼中能代替部分鎳。氨可降低層錯能并提高奧氏體的加工硬化率，它還通過固溶強化提高了奧氏體的強度。雙相不銹鋼一般都添加氮并調整鎳含量以便獲得適當?shù)南嗥胶狻ｈF素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮相平衡才能獲得雙相組織。
鎳

鎳是穩(wěn)定奧氏體的元素，鎳促使不銹鋼的品體結構從體心立方結構(鐵素體)轉化為面心立方結構(奧氏體)。鐵素體不銹鋼含極少的鎳或不含鎳，雙相不銹鋼含鎳量為低至中等，如1.5%~7%，300系奧氏體不銹鋼至少含有6%的鎳(見圖1、2)。添加鎳延緩了奧氏體不銹鋼中有害金屬間相的形成，但是在雙相不銹鋼中鎳的延緩作用遠不如氨有效。面心立方結構使得奧氏體不銹鋼具有極佳的韌性。雙相不銹鋼中有近一半是奧氏體組織，因此雙相鋼的韌性比鐵素體不銹鋼顯著提高。

圖1 加鎳后由體心立方品體結構(少鎳或無鎳)變?yōu)槊嫘牧⒎?至少6%Ni-300系)結構。

圖2 增加含鎳量后不銹鋼的組織從鐵素體(左)變?yōu)閮上?中)，再變?yōu)閵W氏體(右)(這三張金相圖片是由Outokumpu提供的，顯示光學顯微鏡下放大的拋光和蝕刻的試樣，雙相組織中，鐵素體被染色，呈暗色相)

雙相不銹鋼的冶金學

Fe-Cr-Ni合金三元相圖是雙相不銹鋼冶金行為的指路圖。從鐵含量為68%處的三元截面圖(圖3)可以看出:這些合金以鐵素體(α)凝固，當溫度下降至1000℃(1832°F)左右時，部分鐵素體會轉變成奧氏體(γ)(取決于合金成分)。在較低溫度下，處于平衡態(tài)的鐵素體和奧氏體幾乎沒有進一步的改變。從圖3還可看出增加氮的影響。從熱力學觀點看，因這部分奧氏體是由鐵素體轉變而來的，合金不可能跳過奧氏體的平衡態(tài)。然而，當繼續(xù)冷卻至較低溫度時，碳化物、氮化物、σ相以及其他金屬間相都成為可能的顯微結構組分。氮的另一有效作用是提高了奧氏體開始從鐵素體轉變的溫度，見圖3，提高了鐵素體轉變?yōu)閵W氏體的比例。因此，即使在快速冷卻條件下，奧氏體量也幾乎能達到平衡狀態(tài)時的水平。對第二代雙相不銹鋼而言，這效應會減少 HAZ 鐵素體過量的問題,”

圖3 在68%Fe 處的Fe-Cr-Ni 三元截面相圖(鎳和鉻量的微小變化可引起雙相不銹鋼中奧氏體和鐵素體數(shù)量較大的變化)

鋼的等溫析出圖如圖4。碳化鉻和氮化鉻在某溫度開始析出的時間是相對較“慢”的，也就1~2分鐘。雙相不銹鋼比鐵素體不銹鋼或高合金奧氏體不銹鋼析出要慢，這里部分是由于碳和氮元素在低鎳奧氏體相中的溶解度高，氮有可能延緩碳化物的析出。得出的結論是:雙相不銹鋼牌號在冷卻時抗敏化能力相對要強。這些牌號中碳化物和氮化物的形成動力學在一定程度上受到鉻:鉬及鎳諸元素的影響，因此，所有含氮雙相不銹鋼牌號的析出動力學都與2205鋼的相類似。α相和χ相析出的溫度略高但是與碳化物和氮化物析出的時間大致相同。含合金化元素鉻、鉬、鎳更多的雙相不銹鋼牌號比 2205鋼的α相和χ相析出動力更快;含這些元素較少的牌號則較慢。

圖4 2205雙相不銹鋼在 1050℃(1920℉)的等溫析出動力學曲線(為便于比較，列出雙相不銹鋼 2304和 2507)

壓力容器設計規(guī)范中制訂的各種雙相不銹鋼的溫度極限值見表2。表3綜合了雙相不銹鋼的一些重要析出反應和析出的溫度極限。

表2 壓力容器規(guī)范中雙相不銹鋼最大許用應力值下的溫度極限上限

表3 雙相不銹鋼中析出反應和其他特征反應的典型溫度

雙相不銹鋼的耐腐蝕性能

雙相不銹鋼在絕大多數(shù)標準奧氏體不銹鋼應用的環(huán)境都顯示出高的耐蝕性能，這是由于它們含鉻量高，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的腐蝕。雙相不銹鋼相對較高的鉻、鉬和氮含量也使它們具有很好的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能，其雙相結構在可能發(fā)生氯化物應力腐蝕斷裂的環(huán)境是一個優(yōu)勢。如果雙相不銹鋼的顯微組織中含有至少 25%到 30%的鐵素體，則其耐氯化物應力腐蝕斷裂的性能遠比奧氏體不銹鋼 304 或316強。但鐵素體易發(fā)生氫脆，因此雙相不銹鋼在氫有可能進入金屬的環(huán)境或應用中耐蝕性不高，會發(fā)生氫脆。

耐酸腐蝕

圖5給出了雙相不銹鋼在硫酸溶液的腐蝕數(shù)據。介質條件從低酸濃度的弱還原性環(huán)境到高濃度的氧化性環(huán)境及中等濃度的強還原性環(huán)境的熱溶液不等。2205和2507雙相不銹鋼在酸濃度最大約15%的溶液中，性能優(yōu)于許多高鎳奧氏體不銹鋼，在酸濃度至少為40%的范圍內，雙相鋼優(yōu)于316或317不銹鋼。雙相不銹鋼在這種含氯化物的氧化性酸中也很有用。雙相不銹鋼的含鎳量不足以耐受中等濃度硫酸溶液或鹽酸的強還原性腐蝕。在酸濃縮處還原性環(huán)境濕/干的界面，則腐蝕尤其是鐵素體的腐蝕就會開始并快速進展。雙相不銹鋼耐氧化性腐蝕的性能使它們成為硝酸和強有機酸裝置優(yōu)良的候選材料。

圖5 在不通氣硫酸溶液中0.1mm/年(0.004 in/年)等腐蝕曲線(實驗室采用試劑級的硫酸)

圖6表示在沸點溫度下，50%醋酸和不同含量甲酸混和溶液中雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的腐蝕。盡管304和316不銹鋼可用于室溫和中等溫度下的強有機酸介質，但2205 和其他雙相不銹鋼在許多涉及高溫有機酸介質的工藝中占優(yōu)勢，而且由于它們耐點蝕和耐應力腐蝕，也可用于鹵代烴工藝介質中。

圖6 雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在50%醋酸和不同含量甲酸的沸騰混合溶液中的腐蝕

耐堿腐蝕

雙相不銹鋼的高含鉻量和鐵素體相的存在使其在堿性介質中具有良好的性能。在中等溫度下，其腐蝕速度低于標準奧氏體不銹鋼的腐蝕速度。

耐點蝕和縫隙腐蝕

需要先了解的概念：

1）在特殊的氯化物環(huán)境中，每一種不銹鋼都可用一個溫度來描述其特征，高于此溫度點蝕開始出現(xiàn)，并且24 小時之內可發(fā)展成肉眼可見的大小。低于此溫度則在無限長的時間內不會產生點蝕。這一溫度即所謂的臨界點蝕溫度(CPT)，對于不同牌號的 CPT 通常以一個溫度范圍來表示。

2）縫隙腐蝕也有一個類似的臨界溫度稱為臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)。CCT與不銹鋼不同試樣、氯化物環(huán)境和縫隙的特性(緊度，長度等)有關。

雙相不銹鋼中的高鉻、鉬和氮使其在水的環(huán)境中具有非常好的耐氯化物局部腐蝕性能。在這方面，即使是極低合金化的雙相不銹鋼牌號也大大優(yōu)于316型不銹鋼。根據合金含量，一些雙相不銹鋼牌號甚至路身于高性能不銹鋼的行列。由于雙相不銹鋼的鉻含量相對高，從而具有高耐蝕性而且非常經濟。

圖7給出了按照 ASTM G 48 (6%FeCl;)測定的一些不銹鋼在固溶處理狀態(tài)下的耐點蝕和縫隙腐蝕性能的比較。材料焊接態(tài)的臨界溫度要低一些。較高的臨界點蝕或縫隙腐蝕溫度表明該鋼對這種類型腐蝕源具有較大的抗力。2205 鋼的CPT和 CCT 都大大高于316 型鋼。這使2205鋼成為有多方面用途的材料，例如用在由于蒸發(fā)而使氯化物濃縮的環(huán)境，像在熱交換器的蒸汽空間或隔熱層的下面。2205 鋼的CPT還表明它可用在堿水和脫氣鹽水中。它還成功地用于脫氣海水中，在這些應用中，通過高流速的海水或用其他方法使鋼的表面沒有沉積物。在苛刻的應用中，如薄壁熱交換器管，或表面有沉積物或有縫隙時，2205鋼在海水中則沒有足夠的耐縫隙腐蝕能力。然而，比2205鋼具有更高CCT的高合金化雙相不銹鋼，如超級雙相不銹鋼，已經在許多苛刻的海水條件下使用，在這些環(huán)境下，既需要鋼的強度又要有耐氯化物的能力。

圖7 非焊接態(tài)奧氏體不銹鋼(左側)和雙相不銹鋼(右側)在固溶態(tài)的臨界點蝕和縫隙腐蝕溫度

耐應力腐蝕斷裂

雙相不銹鋼最早期的某些應用是基于它們耐氯化物應力腐蝕斷裂(SCC)的性能。與具有類似耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼表現(xiàn)出明顯優(yōu)越的耐應力腐蝕斷裂性能。雙相不銹鋼在化學加工工業(yè)的許多應用都是在有很大的應力腐蝕斷裂危險的場合，代替奧氏體不銹鋼的使用。然而，和其他所有材料一樣，雙相不銹鋼在特定條件下也易于發(fā)生應力腐蝕斷裂。這種情況可能發(fā)生于高溫、含氯化物的環(huán)境或存在促使氫致斷裂的介質條件。雙相不銹鋼可能會發(fā)生應力腐蝕斷裂的環(huán)境條件如42%的沸騰氯化鎂溶液試驗，金屬處于高溫并暴露于加壓含水氯化物系統(tǒng)的液滴熱發(fā)試驗，系統(tǒng)中的溫度可能高于常壓下的溫度。

表4總結了在不同腐蝕程度的各類試驗介質中，幾種不銹鋼的氯化物應力腐蝕斷裂行為。表左右兩側介質分別由于含有酸性鹽和溫度高，介質條件苛刻。表中間的介質條件不那么苛刻。鉬含量小于4%的標準奧氏體不銹鋼在所有這些條件下均發(fā)生氯化物應力腐蝕斷裂，而雙相不銹鋼能夠耐受上述中間范圍的溫和介質條件。

表4 非焊接的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在加速實驗室試驗中的耐應力腐蝕斷裂性能比較

雙相不銹鋼的力學性能

雙相不銹鋼力學性能優(yōu)異，它們在固溶狀態(tài)下的室溫屈服強度比未添加氮的標準奧氏體不銹鋼高兩倍多。室溫到300℃(570°F)范圍內幾種雙相不銹鋼的典型屈服強度與316L奧氏體不銹鋼的對比見圖9。

圖9 室溫到300'℃(572℉)范圍內幾種雙相不銹鋼的典型屈服強度與316L奧氏體不銹鋼屈服強度的對比

表5 ASTM和EN標準中雙相不銹鋼中板的力學性能最小值

表6 根據ASTM A240 和EN 10088-2的要求，雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼塑性的比較

盡管雙相不銹鋼的強度高，但它們表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。與碳鋼或鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼塑性一脆性的轉變是漸進的。雙相不銹鋼即使在很低的溫度如-40℃/F下仍保持良好的韌性;但是雙相不銹鋼的韌性和塑性通常比奧氏體不銹鋼差。奧氏體不銹鋼一般沒有塑性一脆性轉變，在低至深冷溫度的條件下仍保持優(yōu)異的韌性。

雙相不銹鋼的物理性能

表7給出了一組雙相不銹鋼室溫下的物理性能，表8是升高溫度下的性能指標，為便于比較，也包括碳鋼和奧氏體不銹鋼數(shù)據。

表7 室溫下雙相不銹鋼與碳鋼和奧氏體不銹鋼物理性能的比較