雙相不銹鋼介紹

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(guān)，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(yīng)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，黃顏色的奧氏體相被藍色的鐵素體相所包圍。當雙相不銹鋼熔化后，它從液態(tài)凝固時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。其結(jié)果是顯微組織中大約50%為奧氏體相，50%為鐵素體相。

雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體兩相顯微結(jié)構(gòu)

雙相不銹鋼的特性

01高強度

雙相不銹鋼的強度大約是常規(guī)奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼強度的2倍。因此設(shè)計師在某些應(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度。

 

02良好的韌性和延展性

盡管雙相不銹鋼強度高，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。但還達不到奧氏體不銹鋼的優(yōu)異程度。

ASTM和EN標準規(guī)定的雙相不銹鋼最低力學性能極限

03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(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(jīng)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(yīng)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(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(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。因此，在有較大應(yīng)力腐蝕風險的化工行業(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。

04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。

雙相不銹鋼的化學成分

一般認為，雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30％～70%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(chǎn)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(fù)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?/span>

除了相平衡以外，有關(guān)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。σ相和χ相在高鉻、高鉬不銹鋼中形成，并優(yōu)先在鐵素體相內(nèi)析出。氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中保持足夠量的氮非常重要。隨著雙相不銹鋼制造經(jīng)驗的增加，人們越來越認識到控制較窄的成分范圍的重要性。2205雙相不銹鋼（UNS S31803，表1）最初設(shè)定的成分范圍過寬，經(jīng)驗表明，為了得到最佳的耐腐蝕性能及避免金屬間相的形成，S31803的鉻、鉬和氮含量應(yīng)保持在含量范圍的中上限，由此引出了成分范圍較窄的改進型2205雙相鋼UNS S32205（表1）。

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。不銹鋼的耐腐蝕性能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(jié)構(gòu)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-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回火色的形成和去除。雙相不銹鋼的酸洗和去除回火色要比奧氏體不銹鋼困難。

鉬

鉬能提高不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕的能力。當不銹鋼中鉻含量至少為18％時，鉬在氯離子環(huán)境中耐點蝕和縫隙腐蝕的能力是鉻的三倍。鉬是鐵素體形成元素，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

氮提高奧氏體和雙相不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力，它還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。含氮雙相不銹鋼韌性的改善得益于其較高的奧氏體含量和較少的金屬間相。氮沒有阻止金屬間相的析出，但可推遲金屬間相的形成，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。氮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(diào)整鎳含量以達到適當?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互平衡才能獲得雙相組織。

鎳

鎳是穩(wěn)定奧氏體的元素，鎳促使不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)從體心立方結(jié)構(gòu)（鐵素體）轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)（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氮有效。面心立方結(jié)構(gòu)使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 加鎳后由體心立方晶體結(jié)構(gòu)（少鎳或無鎳）變?yōu)槊嫘牧⒎剑ㄖ辽?%Ni-300系）結(jié)構(gòu)。含有中等鎳量的雙相不銹鋼組織中一些晶粒是鐵素體，另一些是奧氏體，理想狀態(tài)是二者數(shù)量相等（圖2）

圖2 增加含鎳量后不銹鋼的組織從鐵素體（左）變?yōu)閮上啵ㄖ校僮優(yōu)閵W氏體（右）（圖片由Outkumpu提供，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

1奧氏體-鐵素體相平衡

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）可看出：這些合金以鐵素體（a）相凝固，然后隨著溫度的下降，部分鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體（g）（取決于合金成分）。當從固溶退火溫度水淬時，在室溫下可獲得大約50%鐵素體和50%奧氏體的金相組織。增加氮含量可提高鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度，并改善雙相不銹鋼尤其是熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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）

雙相不銹鋼軋制產(chǎn)品或加工后的產(chǎn)品中鐵素體和奧氏體的相對數(shù)量取決于其化學成分和熱加工歷史。如相圖所顯示，成分上微小的變化可能對兩相的相對體積分數(shù)有較大影響。某單一合金元素會促進鐵素體或奧氏體的形成。金相組織中鐵素體/奧氏體的相平衡可通過如下的多變量線性回歸來預(yù)測：

Creq = %Cr + 1.73 %Si + 0.88 %Mo

Nieq = %Ni + 24.55 %C + 21.75 %N + 0.4 %Cu

% 鐵素體 = -20.93 + 4.01 Creq – 5.6 Nieq + 0.016 T

T（℃）是退火溫度，1050-1150°C，元素含量為重量百分數(shù)（wt%）

通過調(diào)整鉻、鉬、鎳和氮的含量，并控制好加熱操作，可獲得所希望的相平衡即鐵素體相比例為45-50%，其余為奧氏體相。

對于雙相不銹鋼的軋制生產(chǎn)來說，在適當?shù)墓倘芡嘶饻囟冗M行固溶退火處理，隨后立刻進行水淬，可得到最佳結(jié)果。重要的是，使材料從離開加熱爐到水淬之間的時間盡可能地短，這樣便最大程度地減少了熱量損失，而在水淬至室溫之前，熱量損失可能導(dǎo)致有害相的析出。

對于雙相不銹鋼的焊接來說，必須針對每一種牌號和焊接配置給出最佳的熱輸入，以便冷卻速度能夠足夠快從而避免有害相的析出，但又不是太快以至于熔合線附近保留了過量的鐵素體。在實踐中，當焊接斷面尺寸差異較大的部件或采用低熱輸入焊接厚斷面時，可能出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，厚斷面上的薄焊縫淬火過快，沒有留出充足的時間使足量的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，結(jié)果導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)鐵素體過量。

由于氮可提高從鐵素體開始形成奧氏體的溫度，見圖3，它也加快了鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的速度。因此，如果不銹鋼中含氮，即使在相對快速的冷卻速度下，奧氏體數(shù)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，這一效應(yīng)可減少焊縫熱影響區(qū)鐵素體過量的可能性。

2析出相

有害相在臨界溫度下若干分鐘便可形成，見圖4的2205和2507雙相不銹鋼等溫析出圖。析出相會顯著降低不銹鋼的耐腐蝕性和韌性，因此，在析出溫度范圍累積停留的時間如成形操作、尤其是退火后的焊接和冷卻時間必須盡可能地縮短。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出耐腐蝕性能最大化并可延遲有害相析出的現(xiàn)代雙相不銹鋼牌號，它們使加工制造得以順利完成。可是一旦形成有害相，只能通過完全的固溶退火及隨后的水淬來去除。

圖4 2205雙相不銹鋼在1050℃的等溫析出動力學曲線

σ相（圖5）和其它金屬間相如χ相

圖5 在850℃時效處理40min的2205樣品，其顯微組織顯示了在奧氏體/鐵素體晶界σ相的析出（箭頭）。照片中的鐵素體相（F）比奧氏體相（A）顏色深

如果在700℃-1000℃的溫度范圍冷卻速度過慢，則σ相和和其它金屬間相如χ相會在低于奧氏體形成溫度的溫度下從鐵素體相中析出。為避免鋼廠軋制產(chǎn)品中出現(xiàn)σ相，可控制退火溫度，確保鋼從退火溫度盡快地水淬冷卻，以避開σ相的形成區(qū)間（圖6）。

圖6 2205雙相不銹鋼在1050℃的等溫析出動力學曲線

雙相不銹鋼固溶退火之后必須立即水淬   Bosch-Gotthard-Hutte

鋼中鉬和鉻含量越高，形成σ相的傾向越大，因此比2205牌號更高級的較高合金化牌號受影響最大。合金元素含量越高，金屬間相的析出越快，如圖4所示，2507牌號的析出曲線在2205的左側(cè)（時間更短）。經(jīng)濟型雙相不銹鋼2304不太容易形成金屬間相，而更容易發(fā)生氮化物的析出。

σ相的存在降低了雙相不銹鋼的耐點蝕性能，原因是周圍區(qū)域發(fā)生了鉻和鉬的貧化，導(dǎo)致析出物旁邊區(qū)域耐腐蝕性能的降低。當發(fā)生金屬間相析出時，材料的韌性和延展性也大幅降低。

氮化鉻的析出

對于某些牌號，在臨界溫度停留僅1-2分鐘即發(fā)生氮化鉻的析出，它可以由于在600℃-900℃溫度區(qū)間冷卻過慢而發(fā)生在晶界或相界。在大多數(shù)雙相不銹鋼中，氮化物的形成不是很常見，但在某些經(jīng)濟型雙相鋼中可能是個問題，因為與較高合金化的雙相不銹鋼牌號相比，經(jīng)濟型牌號的氮含量相對較高，氮的溶解度較低。同避免σ相的方法類似，軋鋼廠采用固溶退火后水淬的方法可避免氮化鉻的形成。

氮化鉻也會在焊接部件的焊縫金屬和熱影響區(qū)析出，由于熔合線附近十分快速的冷卻而帶來的高鐵素體含量會導(dǎo)致氮的過飽和。氮在鐵素體中的溶解度很低且隨溫度降低而進一步降低。所以如果氮沒有留在鐵素體中，它可在冷卻中以氮化鉻析出。較慢的冷卻速率會造成氮化物的析出與奧氏體再形成之間的競爭。較多的奧氏體可以溶解較多的氮，減少氮在鐵素體晶粒中的過飽和及氮化鉻的量。通過采用較高熱輸入（較慢冷卻速率），或在焊縫金屬中添加奧氏體形成元素鎳，或在保護氣體中加氮，可提高奧氏體含量，從而減少氮化鉻在焊縫的析出。

如果形成較大量的氮化鉻，會對耐腐蝕性能和韌性有不利的影響。

α‘相

α’相在低于525℃的鐵素體相中形成，其形成所需要的時間比前面討論的其它相所需時間長得多。α‘相的形成開始會造成硬度的增大，后面會造成韌性的損失（圖4）。

當鐵素體不銹鋼長時間暴露在475℃左右的溫度后，其中的α’相會造成常溫韌性的喪失，這就是所謂的475℃脆性。幸運的是，由于雙相不銹鋼含有50%的奧氏體，這種硬化和脆化的效果不像它在全鐵素體鋼中那樣有害。它對雙相不銹鋼有影響，在高鉬牌號中影響最顯著，在經(jīng)濟型牌號中影響小得多。

由于發(fā)生脆化需要較長的時間，所以在加工制造時α‘相脆性極少成為問題。有一個例外即雙相不銹鋼與碳鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力消除處理，必須仔細評估。必須避免在α’相形成溫度300℃-525℃范圍（或700℃-950℃，2205金屬間相的形成溫度范圍）的任何熱處理操作。如果被要求進行應(yīng)力消除處理，則最好咨詢復(fù)合板生產(chǎn)廠家的意見。

雙相不銹鋼使用溫度的上限受到α‘相形成的制約。壓力容器設(shè)計規(guī)范已確立了最大許用設(shè)計應(yīng)力下的使用溫度上限值。德國TüV規(guī)范區(qū)別對待了焊接和非焊接結(jié)構(gòu)件，它的溫度上限值比ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范更保守。壓力容器設(shè)計規(guī)范對各種雙相不銹鋼規(guī)定的溫度限值見表2。第二代雙相不銹鋼碳含量都很低，因此，通常無需考慮碳化物的有害影響。表3綜合了許多重要的析出反應(yīng)和雙相不銹鋼的溫度限值。

表2 壓力容器規(guī)范中雙相不銹鋼最大許用應(yīng)力值下的溫度極限

表3 雙相不銹鋼中析出反應(yīng)和其他特征反應(yīng)的典型溫度

 

力學性能

雙相不銹鋼力學性能優(yōu)異，標準雙相不銹鋼牌號的力學性能見表4。它們在固溶退火狀態(tài)下的室溫屈服強度是未添加氮的標準奧氏體不銹鋼的兩倍多，這樣設(shè)計師在某些應(yīng)用中就可減小壁厚。圖7比較了室溫到300℃溫度區(qū)間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼屈服強度。由于鐵素體相有475℃ 脆性的危險，所以雙相不銹鋼不應(yīng)長時間用于溫度高于壓力容器設(shè)計規(guī)范規(guī)定的條件 （見表2）。

表4  ASTM和EN雙相不銹鋼板最低力學性能限值

圖7 雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼在室溫到300℃溫度范圍典型屈服強度的對比

鍛軋雙相不銹鋼的力學性能是高度各向異性的，即性能隨測試樣品的方向而變化。這種各向異性是由拉長了的晶粒和熱軋或冷軋產(chǎn)生的晶體織構(gòu)造成的。盡管雙相不銹鋼的凝固組織通常是各向同性的，但它經(jīng)過軋制或鍛造及后續(xù)的退火，組織中存在兩相。最終產(chǎn)品兩相的形貌揭示出加工的方向性，雙相不銹鋼垂直于軋制方向的強度比沿軋制方向的強度高。沖擊試樣的缺口垂直于軋制方向時的沖擊韌性高于沿軋制方向時。試樣“縱向”（L－T）夏比沖擊試樣測得的韌性高于其他方向的試驗結(jié)果。一個雙相不銹鋼板橫向試樣的沖擊功一般相當于一個縱向試樣的1/2至2/3。

普拉德霍灣垂直支撐架上24英寸2205雙相不銹鋼保溫管道的安裝@ Arco Exploration and Production Tecnnology

盡管雙相不銹鋼強度高，但它們?nèi)员憩F(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－脆性的轉(zhuǎn)變是平緩的。雙相不銹鋼即使在很低的環(huán)境溫度如-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－脆性轉(zhuǎn)變，在低至深冷溫度的條件下仍保持優(yōu)異的韌性。表5給出了標準奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼在拉伸試驗中最小延伸率的比較。

表5 根據(jù)ASTM A 240和EN 10088-2的要求，雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼延展性的比較

盡管雙相不銹鋼的高屈服強度允許厚度減薄，但由于彎曲和楊氏模量的限制，在制造過程中也會帶來困難。由于雙相不銹鋼強度較高，其變形需要更大的外力，因此在彎曲操作中的回彈比奧氏體不銹鋼要大，兩種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼回彈的比較見圖8。雙相不銹鋼的延展性比奧氏體不銹鋼差，為避免斷裂需要增加彎曲半徑。

圖8 2毫米（0.08英寸）厚的雙相不銹鋼板與316L奧氏體不銹鋼板回彈的比較 

由于雙相不銹鋼較高的硬度和高加工硬化率，與標準奧氏體不銹鋼相比，它降低了機加工操作中工具的壽命或需要更多的機加工次數(shù)。在成型或彎曲操作之間可能需要退火，因為雙相不銹鋼的延展性差不多是奧氏體不銹鋼的一半。冷加工對2205雙相不銹鋼力學性能的影響見圖9。

圖9 冷加工對2205雙相不銹鋼力學性能的影響（來源：寶鋼）

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(yīng)用的環(huán)境中都顯示出很高的耐腐蝕性能，值得注意的是它們在某些情況下具有非常明顯的優(yōu)勢，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(zhì)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(jié)構(gòu)在可能發(fā)生氯化物應(yīng)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30%的鐵素體，則其耐氯化物應(yīng)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(yīng)用中耐蝕性不高。

01耐酸腐蝕性能

為了說明雙相不銹鋼在強酸溶液中的耐腐蝕性能，圖10給出了在硫酸溶液中的腐蝕數(shù)據(jù)。介質(zhì)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)境及中等濃度熱溶液的強還原性環(huán)境。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(nèi)，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。在還原性環(huán)境有酸濃縮的濕/干界面，腐蝕尤其是鐵素體的腐蝕就會開始并快速進展。因此雙相不銹鋼耐氧化性腐蝕的性能使它們成為硝酸裝置和強有機酸中優(yōu)良的候選材料。

圖10 在不通氣硫酸溶液中0.1mm/年）等腐蝕曲線（實驗室采用試劑級的硫酸）

圖11顯示了在沸點溫度下，在50％醋酸和不同含量甲酸的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(zhì)，但2205和其他雙相不銹鋼在許多涉及高溫有機酸的工藝中占優(yōu)勢，而且由于它們耐點蝕和耐應(yīng)力腐蝕，也可用于鹵代烴工藝。

圖11 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

02耐堿腐蝕性能

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(zhì)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。

03耐點蝕和縫隙腐蝕性能

為討論不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的性能，引入臨界點蝕溫度這一概念是有用的。對于某一個氯化物環(huán)境，每個牌號的不銹鋼都可用一個溫度來描述其特征，高于此溫度則點蝕開始產(chǎn)生，并且24小時之內(nèi)可發(fā)展到肉眼可見的程度。低于此溫度則不發(fā)生點蝕。這一溫度即所謂的臨界點蝕溫度（CPT）。它是對特定的不銹鋼牌號和特定環(huán)境的表征。由于點蝕的起始發(fā)生從統(tǒng)計學上看是隨機的，而且CPT對牌號或產(chǎn)品的微小變化敏感，因此，對于不同牌號的不銹鋼，其CPT通常以一個溫度范圍來表示。然而，采用ASTM G 1501標準介紹的研究方法，有可能通過電化學測量法來準確和可靠地測定CPT。

縫隙腐蝕常常發(fā)生在接頭墊圈部位，沉積物的下面以及螺栓連接的縫隙處。縫隙腐蝕也有一個類似的臨界溫度。臨界縫隙腐蝕溫度（CCT）取決于不銹鋼試樣、氯化物環(huán)境和縫隙的特性（緊密度，長度等）。由于縫隙的幾何形狀以及實際中很難再現(xiàn)同樣縫隙的尺寸，CCT的測量數(shù)據(jù)要比CPT更分散。對于同樣的鋼種和腐蝕環(huán)境，CCT往往比CPT低15～20℃（27～36℉）。

雙相不銹鋼的高鉻、鉬和氮含量使其在含水環(huán)境中具有非常好的耐氯離子局部腐蝕的性能。根據(jù)合金含量的不同，某些雙相不銹鋼牌號已躋身于性能最好的不銹鋼之列。由于雙相不銹鋼的鉻含量相對較高，所以具有高耐腐蝕性而且非常經(jīng)濟。

圖12給出了按照ASTM G 482（6% FeCl3）測定的固溶退火狀態(tài)下各種不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕性能的比較。材料焊接狀態(tài)下的臨界溫度要低一些。臨界點蝕或縫隙腐蝕溫度越高，則表明材料耐腐蝕起始發(fā)生的能力越高。2205不銹鋼的CPT和CCT都顯著高于316不銹鋼。這使2205鋼成為用途廣泛的材料，適用于因蒸發(fā)導(dǎo)致氯離子濃縮的環(huán)境，例如熱交換器的蒸汽空間或保溫層的下面。2205雙相鋼的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(yīng)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。在苛刻的海水應(yīng)用環(huán)境中，如薄壁熱交換器管，或表面有沉積物或有縫隙時，2205不銹鋼沒有足夠的耐縫隙腐蝕能力。然而，CCT高于2205的高合金化雙相不銹鋼如超級雙相不銹鋼和特超級雙相不銹鋼，已經(jīng)用于許多既要求高強度又要求高耐氯離子腐蝕的苛刻海水條件。盡管超級雙相不銹鋼在較低溫度的海水中不發(fā)生腐蝕，但其在高溫下的應(yīng)用有一定的局限性。特超級雙相不銹鋼更好的耐腐蝕性將雙相不銹鋼的應(yīng)用擴展到強腐蝕性的氯離子環(huán)境如高溫熱帶的海水環(huán)境尤其是存在縫隙的場合。

圖12 非焊接態(tài)奧氏體不銹鋼（左）和雙相不銹鋼（右）在固溶態(tài)的臨界點蝕和縫隙腐蝕溫度（按ASTM G48在6%FeCl3溶液中試驗后評定）

因為CPT與材料和特定環(huán)境成函數(shù)關(guān)系，有可能對單一要素的影響進行研究。利用按照ASTM G48 A法確定的CPT，采用回歸分析法得出鋼的成分（每種元素作為一個獨立變量）和測定的CPT（相關(guān)變量）的關(guān)系。結(jié)果顯示只有鉻、鉬、鎢和氮對CPT有穩(wěn)定的影響。關(guān)系式如下：

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

式中4個合金元素乘以各自的回歸常數(shù)之和通常被稱為耐點蝕當量值（PRE）。不同研究者給出的氮的系數(shù)不同，通常使用16，22和30。根據(jù)PRE的大小可以給本系列的鋼種進行排序。但要注意避免對這一關(guān)系式的過分依賴。式中合金元素為“獨立變量”，但實際并不真正獨立，因為試驗的鋼是平衡成分。這種關(guān)系不是線性或交叉關(guān)系，例如鉻和鉬的協(xié)同作用被忽略。此關(guān)系式假定只針對理想狀態(tài)的材料，但是沒有考慮金屬間相、非金屬相的影響，或?qū)δ臀g性不利影響的不恰當?shù)臒崽幚怼?/span>

04耐應(yīng)力腐蝕斷裂

雙相不銹鋼最早期的某些應(yīng)用是基于它們耐氯化物應(yīng)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(yīng)力腐蝕斷裂性能。雙相不銹鋼在化學加工工業(yè)的許多應(yīng)用是代替奧氏體不銹鋼，用于有很大的應(yīng)力腐蝕斷裂危險的場合。

然而，和許多材料一樣，雙相不銹鋼在特定條件下也易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。這種情況可能發(fā)生于高溫、含氯化物的環(huán)境或易于促使氫致開裂的介質(zhì)條件。雙相不銹鋼可能會發(fā)生應(yīng)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)的液滴蒸發(fā)試驗（系統(tǒng)中的溫度可能高于常壓下的溫度）。

圖13給出了若干軋制退火的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在苛刻的氯化物介質(zhì)中的相對耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能。得出這些數(shù)據(jù)的液滴蒸發(fā)試驗腐蝕條件很苛刻，因為試驗溫度為120℃（248℉）的高溫，并且氯化物溶液由于蒸發(fā)而濃縮。試驗中三種雙相不銹鋼UNS S32101、2205和2507最終在所受應(yīng)力達到其屈服強度的某一百分比時發(fā)生斷裂，但這一百分數(shù)比316不銹鋼相應(yīng)的百分比值高得多。由于雙相鋼在常壓下的氯化物水溶液中能夠耐應(yīng)力腐蝕斷裂，例如耐保溫層下的腐蝕，所以在已知304和316不銹鋼會發(fā)生斷裂的氯化物介質(zhì)中，可以考慮使用雙相不銹鋼。

圖13 軋制退火的奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼在120℃氯化鈉溶液液滴蒸發(fā)試驗中的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能（斷裂引起的應(yīng)力以屈服強度的百分比表示）

表6總結(jié)了在不同腐蝕程度的各類試驗介質(zhì)中，幾種不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂行為。表的上部所列介質(zhì)由于含有酸性鹽而條件苛刻，表的下部由于溫度高而條件苛刻。表中間的介質(zhì)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(yīng)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(zhì)條件。

表6 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(yīng)力腐蝕斷裂性能比較

耐氫致應(yīng)力腐蝕受多種因素影響，不僅與鐵素體含量有關(guān)，而且與強度、溫度、充氫條件、外加應(yīng)力等有關(guān)。雙相不銹鋼盡管對氫致開裂敏感，但只要仔細評估和控制操作條件，在含氫介質(zhì)中仍可以利用其強度優(yōu)勢。這些應(yīng)用中最突出的是輸送弱酸氣體和鹽水混合物的高強度管道。圖14說明了2205雙相不銹鋼在含氯化鈉的酸性介質(zhì)中不發(fā)生腐蝕和易發(fā)生腐蝕的條件范圍。

圖14 2205雙相不銹鋼在20%氯化鈉-硫化氫介質(zhì)中腐蝕情況得電化學預(yù)測和實驗結(jié)果

固溶處理對雙相不銹鋼組織與性能的影響[2]

01雙相不銹鋼得理化性能受固溶溫度的影響顯著，溫度降低時（900~1000℃），其塑性和耐蝕性較差，其原因在于鋼中σ相的析出。

02σ相這類富Cr、Mo脆性析出相的析出與固溶工藝有關(guān)，固溶溫度較低時（900℃），σ相大量析出，從而導(dǎo)致不銹鋼塑性惡化、耐蝕性能降低；隨固溶溫度升高，σ相逐漸回溶，析出量減少；當固溶溫度升高至1050℃后，σ相充分固溶，不銹鋼的塑性及耐蝕性能明顯改善。

03雙相不銹鋼中鐵素體含量隨固溶溫度的升高而增加，但鐵素體與奧氏體兩相比例受固溶處理后的冷速影響不大。

雙相不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域

01紙漿和造紙

二十世紀三十年代雙相不銹鋼的首次應(yīng)用之一便是在亞硫酸鹽造紙工業(yè)。如今，雙相不銹鋼用作紙漿造紙工業(yè)的漂白設(shè)備、蒸煮器、木片儲罐、黑液和白液儲罐以及吸水輥外殼等。由于雙相不銹鋼強度高，耐腐蝕性能優(yōu)越，對于同樣的壓力等級，允許使用壁厚較薄的板材，因此現(xiàn)在雙相不銹鋼已經(jīng)取代了奧氏體不銹鋼和碳鋼的應(yīng)用。加工制造壁厚較薄的板材，其綜合材料成本較低，焊接時間較短，運輸和裝卸費用也較低。

02海水淡化

海水淡化由于其高氯化物含量、高溫的腐蝕性工藝環(huán)境，使材料經(jīng)受了最嚴格的一種考驗。海水淡化的歷史基本上是材料發(fā)展的歷史，因為海水淡化業(yè)的客戶需要在滿足耐腐蝕性要求與將投資控制在可承受范圍的要求之間尋求平衡。早期的海水淡化項目中，多級閃蒸（MSF）和多效（MED）海水淡化設(shè)備的蒸發(fā)器使用碳鋼制造。后來，MSF蒸發(fā)器一般用316L 奧氏體不銹鋼包覆。MED蒸發(fā)室先是采用環(huán)氧樹脂涂層，后來用不銹鋼包覆。

使用雙相不銹鋼的好處是它的高強度（是傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼的兩倍）與高耐腐蝕性能相結(jié)合。因此，雙相不銹鋼蒸發(fā)器可用更薄的鋼板制造，所需的材料和焊接較少。其它好處包括容易處理，對環(huán)境的綜合影響較少。

關(guān)于雙相不銹鋼的理念在2003年有了突破，2205雙相不銹鋼被用來制造實體雙相鋼蒸發(fā)器，安裝在利比亞的Melittah MSF設(shè)備和Zuara MED設(shè)備中。

雙相不銹鋼應(yīng)用于海水淡化的下一個階段起始于2004年，兩種不同類型的雙相不銹鋼被用于蒸發(fā)器裝置：采用耐腐蝕性能好的2205制造在最惡劣條件下使用的部件，使用2304制作不太惡劣條件下使用的部件。

采用2205和UNS S32101兩種雙相鋼結(jié)合的理念建造了三套多級閃蒸MSF設(shè)備：Taweelah B （阿布扎比，產(chǎn)能69.2百萬加侖/天（MIGD））， Jebel Ali L2 （迪拜，55 MIGD） 和RAS Abu Fontas B2 （卡塔爾，30 MIGD）。

用S32101和2205雙相不銹鋼制造的多級閃蒸海水淡化裝置 Outokumpu

03石油和天然氣

在油氣工業(yè)中，雙相鋼在幫助抵抗惡劣條件方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。這是由于其強度、耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能優(yōu)于標準的奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼點蝕當量值（PREN）通常高于40。

雙相不銹鋼主要應(yīng)用在流體管、工藝管線系統(tǒng)和設(shè)備，如分離裝置、洗滌裝置和泵。在海下，這些材料用于井下生產(chǎn)管道、管件和集合管、采氣樹零件、流體管和運輸腐蝕性油氣的管線。超級雙相不銹鋼（25％Cr）因為強度高，經(jīng)常用于棒材、鍛件、鑄件、薄板、厚板、管材、緊固件等。超級雙相鋼還具有優(yōu)良的抗疲勞性能以及與其他高合金不銹鋼良好的電偶相容性。

使用液壓線進行井口操作控制要用到臍帶纜，它也用于化學品注入。自從鋼臍帶纜被引入市場以來，雙相不銹鋼一直是最常用的材料。最近幾年，開發(fā)深海油氣田成為趨勢，這需要更長的臍帶纜。提高材料的強度可降低臍帶纜的重量，這樣長度可以更長。目前將臍帶纜用在溫水中，并正在開發(fā)新概念，將立管引入臍帶纜。因此，這些趨勢要求更好的耐腐蝕性能和機械強度。已開發(fā)出比超級雙相不銹鋼耐腐蝕性更好、強度更高的新型特超級雙相不銹鋼用于臍帶纜。

用于海上石油和天然氣開采的2507臍帶纜 Sandvik

04食品和飲料

在食品和飲料工業(yè)中，經(jīng)濟型雙相鋼也證明了其價值。這種材料在西班牙的兩個項目中得到應(yīng)用，一個食品儲存庫和一個酒品儲存庫。在巴塞羅那港，Emypro SA建造的食品儲罐全部采用S32101，取代了EN304/304L。在西班牙南部的代米耶爾，由西班牙儲罐制造商Martinez Sole 為 Garcia Carrión 建造的酒品儲存庫，第一次使用了雙相不銹鋼：S32101和2304，作為304/316L低成本的替代品，用于建造所有新儲罐的頂蓋和最上層頂板。

高31米的2205雙相不銹鋼儲罐的一部分 ?Outokumpu

05建筑工業(yè)

雙相鋼不斷在橋梁建造中發(fā)揮重要作用，橋梁在腐蝕和含鹽環(huán)境使用，同時要求較高的承載強度。有兩個實例均來自于亞洲，分別是香港的昂船洲大橋和新加坡的雙螺旋步行橋，它們均使用了2205雙相不銹鋼。2006年昂船洲大橋使用了2000噸2205雙相鋼板材和管材，其表層部分由中國的制造廠用定制尺寸的板材建造。板材經(jīng)過拋光和噴丸處理，以便在白天和晚上均能有最佳的反射性。

香港昂船洲大橋  Ove Arup & Partners

位于卡塔爾多哈新國際機場的世界最大的不銹鋼屋面使用含鉬的經(jīng)濟型雙相不銹鋼（S32003）建造。航站樓最突出的特點是它的波浪形屋頂，據(jù)說是世界上最大的不銹鋼屋頂。屋頂面積約為195000平方米（210萬平方英尺），使用了約1600噸（350萬磅）雙相不銹鋼。在選擇不銹鋼牌號時必須考慮幾個因素，其中最重要的是機場離大海的距離。屋頂不僅要抵抗中東地區(qū)的高溫和濕度，還必須能經(jīng)受鹽的腐蝕。與其他鋼種相比，選擇雙相不銹鋼材的其他因素包括成本和良好的強度重量比。

卡塔爾多哈哈馬德國際機場航站樓的雙相不銹鋼屋面 Hmad International Airport