雙相不銹鋼的應(yīng)用日益廣泛，為了幫助用戶(hù)更好地認(rèn)識(shí)、選擇、加工和應(yīng)用這類(lèi)不銹鋼，本文將介紹雙相不銹鋼特性，并圍繞雙相不銹鋼應(yīng)用難點(diǎn)之一（加工和焊接），給出加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實(shí)用信息。
內(nèi)容包括：雙相不銹鋼的歷史、化學(xué)成分、冶金學(xué)、耐腐蝕性能、力學(xué)性能、物理性能、技術(shù)條件、質(zhì)量控制、切割、成形、焊接、應(yīng)用等，力順不銹鋼知識(shí)版塊將逐條闡述。
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、奧氏體兩種不銹鋼晶粒組成，所以被稱(chēng)為 雙相。
下圖中，黃顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被藍(lán)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。
雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體兩相顯微組織
雙相結(jié)構(gòu)使得這類(lèi)不銹鋼集許多優(yōu)異特性于一身
高強(qiáng)度
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。
良好的韌性和延展性
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。
ASTM 和EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙相不銹鋼***低力學(xué)性能限值
優(yōu)異的耐腐蝕性
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。
對(duì)于耐氯離子點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力而言，不銹鋼的鉻、鉬和氮含量是***重要的。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。雙相不銹鋼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2101?，也有相當(dāng)于6%鉬不銹鋼耐蝕性的牌號(hào)，如SAF 2507?。
雙相不銹鋼具有非常好的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）性能，這個(gè)特性是從鐵素體這一方“繼承”來(lái)的。所有雙相不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(kāi)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(lái)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(yōu)勢(shì)
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?，雙相不銹鋼在價(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。
瑞典斯德哥爾摩的雙相不銹鋼橋 ©Outokumpu
雙相不銹鋼的發(fā)展歷史
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(kāi)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(wèn)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(zhuān)利。二戰(zhàn)后，AISI 329型不銹鋼成為公認(rèn)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(zhuān)為提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）性能而研制的雙相不銹鋼牌號(hào)之一。后來(lái)，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(guò)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年不銹鋼精煉工藝，即氬氧脫碳(AOD)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(lái)的諸多進(jìn)步之一便是合金元素氮的刻意添加。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(chēng)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(kāi)發(fā)及市場(chǎng)對(duì)具有優(yōu)異耐氯離子腐蝕性能、良好的制造加工性和高強(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，可以減輕平臺(tái)的重量，使這種不銹鋼的應(yīng)用有很大的吸引力。
雙相不銹鋼可按照耐腐蝕性能排序，耐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類(lèi)：
1. 不添加鉬的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼如2304；
2. 標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼如2205，是主要的鋼種，占雙相不銹鋼用量的80%以上；
3. 25Cr雙相不銹鋼如合金255，PREN*（耐點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)）值小于40；
4. 超級(jí)雙相不銹鋼（PREN值40～45）， 含25％～26%Cr，與含25%Cr雙相不銹鋼如2507相比，鉬和氮的含量增加；
5. 特超級(jí)雙相不銹鋼，PREN值超過(guò)45的高合金化雙相不銹鋼
* PREN = %Cr+3.3(%Mo+0.5%W) +16%N
表1 給出了鍛軋雙相不銹鋼和鑄造雙相不銹鋼的化學(xué)成分，為便于比較，第一代雙相不銹鋼和常用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％）
* zui大值，除非指明范圍或說(shuō)明是zui小值。- 標(biāo)準(zhǔn)中未指明。
** 這一種鋼zui初沒(méi)有添加氮，被認(rèn)為是未加氮的第一代雙相不銹鋼。（來(lái)源：國(guó)際鉬協(xié)會(huì)）
國(guó)際鉬協(xié)會(huì)：是一個(gè)以科學(xué)為宗旨的非贏利性行業(yè)協(xié)會(huì)，成立于1989年。目前，其會(huì)員代表著全球85%以上的鉬礦山產(chǎn)量和幾乎全部的冶煉能力。國(guó)際鉬協(xié)會(huì)具有前瞻性的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，旨在提高人們對(duì)鉬的認(rèn)知，促進(jìn)鉬及含鉬材料的應(yīng)用。通過(guò)舉辦專(zhuān)題講座和培訓(xùn)，提供技術(shù)咨詢(xún)、出版技術(shù)手冊(cè)、案例研究、行業(yè)簡(jiǎn)報(bào)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及網(wǎng)站和微信公眾號(hào)等途徑，向制造商、工程師、設(shè)計(jì)師、材料決策者和廣大公眾介紹含鉬材料的特性及適用性，宣傳鉬對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的積極作用。我們資助科研項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域或擴(kuò)大現(xiàn)有的終端應(yīng)用。我們還協(xié)調(diào)業(yè)內(nèi)各方應(yīng)對(duì)法規(guī)并利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)促進(jìn)法規(guī)的合理化。
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