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雙相不銹鋼的特點、分類及發展

2018-10-12 11:51:07 作者：本網整理來源：鉬和含鉬材料的世界分享至：

雙相不銹鋼特性概述

雙相不銹鋼因為其金相顯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，黃顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被藍色的鐵素體相海洋所包圍。當雙相不銹鋼熔化后，它從液態凝固時首先凝固成完全的鐵素體結構，隨著材料冷卻到室溫，大約有一半的鐵素體晶粒轉變為奧氏體晶粒（“島嶼”）。其結果是，顯微組織中大約50%為奧氏體相，50%為鐵素體相。

雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體兩相顯微組織

雙相結構使得這類不銹鋼集許多優異特性于一身

高強度：

雙相不銹鋼的強度大約是常規奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼強度的2倍。因此設計師在某些應用中就可減薄壁厚。下圖比較了室溫到300℃的溫度區間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼的屈服強度。

良好的韌性和延展性：

盡管雙相不銹鋼強度高，但它們表現出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的韌性和延展性明顯優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。但還達不到奧氏體不銹鋼的優異程度。

ASTM 和EN標準規定的雙相不銹鋼最低力學性能限值

優異的耐腐蝕性

不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于其化學成分。在大多數應用環境中，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的腐蝕。

雙相不銹鋼耐氯離子點蝕和縫隙腐蝕的能力，取決于其鉻、鉬、鎢和氮含量。雙相不銹鋼相對較高的鉻、鉬和氮含量使它們具有很好的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能。它們有一系列不同的耐腐蝕性能，既有相當于316不銹鋼耐蝕性的牌號，如經濟型雙相不銹鋼2101?，也有相當于6%鉬不銹鋼耐蝕性的牌號，如SAF 2507?。

雙相不銹鋼具有非常好的耐應力腐蝕開裂（SCC）性能，這個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力腐蝕開裂的能力均明顯優于300系奧氏體不銹鋼。而標準的奧氏體不銹鋼牌號如304和316，在有氯離子、潮濕空氣和溫度升高的條件下，可能會發生應力腐蝕開裂。因此，在有較大應力腐蝕風險的化工行業許多應用，常常采用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼的使用。

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。

成本優勢

與具有相同耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼牌號相比，雙相不銹鋼中鎳、鉬含量較低。因為合金元素含量低，雙相不銹鋼在價格上可能有優勢，尤其是在合金附加費較高時。此外，由于雙相不銹鋼較高的屈服強度，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。

瑞典斯德哥爾摩的雙相不銹鋼橋 Outokumpu

雙相不銹鋼的發展歷程

雙相不銹鋼已有80多年的歷史。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，開發這些牌號是為了減少早期高碳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產出雙相不銹鋼鑄件。1936年Uranus 50 的前身在法國獲得專利。二戰后，AISI 329型不銹鋼成為成熟的牌號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）性能而研制的第一代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的應用，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，但在焊接狀態下有局限性。焊縫的熱影響區（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用，僅限于非焊接狀態下的一些特定應用。1968年不銹鋼精煉和氬氧脫碳（AOD）工藝的發明，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下HAZ的韌性和耐蝕性接近于母材的性能。隨著奧氏體穩定性的提高，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及市場對具有優異耐氯離子腐蝕性能、良好的加工性能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，因此壁厚可減薄，從而可以減輕平臺的重量，因此這種不銹鋼的應用有很大的吸引力。

雙相不銹鋼包含一系列耐腐蝕特性各不相同的牌號，其耐腐蝕性能取決于它們的合金成分。本文根據耐腐蝕性，將現代雙相不銹鋼分為五類：

1. 不刻意添加鉬的經濟型雙相不銹鋼，如2304；2. 含鉬的經濟型雙相不銹鋼，如S32003;3. Cr含量約22%、Mo含量3%的標準雙相不銹鋼，如2205，是主要的牌號，約占雙相不銹鋼用量的60%；4. Cr含量約為25%、Mo含量為3%的超級雙相不銹鋼，PREN值40～45，如2507；5. 特超級雙相不銹鋼，Cr和Mo含量高于超級雙相不銹鋼，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的相關關系。能夠增加耐點蝕能力的元素主要有Cr, Mo, and N. W。盡管W不常用，但它的有效貢獻約為Mo的一半（以重量百分比計）。不銹鋼在氯離子溶液中的相對耐點蝕能力與不銹鋼成分之間的關系可以用一個經驗關系式來描述，叫做耐點蝕當量數（PREN）。奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的PREN計算公式如下：

PREN（耐點蝕當量）= %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成分（重量%）和PREN值范圍*

（為便于比較，也列出了奧氏體鋼牌號）