双相不锈钢全面介绍

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双相不锈钢全面介绍

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https://m.renrendoc.com/paper/389200261.html

双相不锈钢是一种兼具奥氏体和铁素体优点的高性能不锈钢，自1927年发现双相组织以来，经过三代发展，已成为许多工业领域的重要材料。本文将全面介绍双相不锈钢的化学成分、力学性能、组织结构、焊接性能以及应用局限性等多个方面。

双相不锈钢的发展历程

双相不锈钢的发展可以追溯到1927年双相组织的发现。经过三代发展，双相不锈钢已经形成了较为完善的体系。

第一代双相不锈钢：以AISI329钢为代表，含高铬、钼，耐局部腐蚀性能好，但含碳量较高（约0.1%）。这类不锈钢在焊接状态下存在局限性，焊缝的热影响区由于铁素体过多而韧性低，耐腐蚀性明显低于基体金属，仅用于非焊接状态下的特定应用。
第二代双相不锈钢：随着氩氧脱碳精炼工艺的发明，含氮的双相不锈钢应运而生。大多数属于超低碳型，并含有钼、铜或硅等提高耐蚀性的元素。代表牌号为SAF2205。
第三代双相不锈钢：也称为超级双相不锈钢，牌号有SAF2507、UR52N+、Zeron100等。这类钢的特点是含碳量低，含高钼和氮，铁素体含量40~45%，具有优良的耐孔蚀性能。

双相不锈钢的组织结构

在铁基固溶体组织中，铁素体相与奥氏体相约各占一半，但最少相的含量必须达到30%以上的钢称为双相不锈钢。这种组织结构使得双相不锈钢能够集中奥氏体和铁素体的优点，同时最大限度地减少两相的缺点。

奥氏体相：具有良好的塑性和韧性，但导热性能差，线膨胀系数大，焊接应力和变形都比较大。
铁素体相：导热性能和线膨胀系数都小于奥氏体不锈钢，并且具有较高的强度及耐氯离子应力腐蚀性能，但塑性较差，存在475℃脆化和δ相析出脆化以及高温晶粒粗化脆化现象。

性能最佳的双相不锈钢成分是铁素体的含量在60%-40%，奥氏体的含量在40%-60%之间。任何一种组织的大幅度减少都会造成双相钢的性能减弱。

双相不锈钢的化学成分和力学性能

下表列出了部分奥氏体不锈钢和双相不锈钢的典型化学成分对比：

钢种	C	Cr	Ni	Mo	N	PREN
308L	0.03	20	10	-	-	20
316L	0.03	18	12	2	-	25
2205	0.03	22	5	3	0.15	34
2507	0.03	25	7	4	0.25	42

双相不锈钢典型钢种的室温力学性能如下：

钢种	标准牌号	σ0.2/MPa	σb/Mpa	δ5/%	AK/J
AISI304	UNS S30400	210	515～690	45	＞300
AISI430	UNS S43000	205	450	20	-
SAF2304	UNS S32304	400	600～820	25	300
SAF2205	UNS S31803	450	680～880	25	250
SAF2507	UNS S32750	550	800～1000	25	230

双相不锈钢力学性能的影响因素主要有合金元素、晶粒度以及相比例等。双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的2～3倍，SAF2507钢的屈服强度比其他双相不锈钢的高原因在于氮元素的强化作用。而在奥氏体不锈钢的内部晶粒之间有更多的滑移面，所以它的延伸率明显高于双相不锈钢。

在双相钢中的主要合金元素Cr、Ni、Mo、N等对钢的各项性能都起到了很重要的作用。双相不锈钢的晶粒度对其屈服强度和韧性起重要作用。细小的晶粒使钢材具有较高的屈服强度和韧性。而晶粒度的增加也会引起脆性转变温度的升高，例如IN-744钢，当晶粒尺寸由2μm增加到25μm时，脆性转变温度大约由-130℃上升至-45℃，所以晶粒度的增加会降低钢材的低温冲击韧性。

双相不锈钢接头的耐腐蚀性能

双相不锈钢不仅有很好的力学性能，而且还具有十分优异的耐点蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能。它的接头也有很好的耐点蚀和耐氯化物应力腐蚀开裂性能，晶间腐蚀性能也不低于母材，但抗H2S应力腐蚀开裂能力较差。接头耐蚀性最不良的地方是近缝区（HAZ），主要原因是近缝区析出第二相（铬的氮化物）形成了“贫铬”层所导致。

点蚀和缝隙腐蚀

双相不锈钢的抗点蚀和缝隙腐蚀能力主要由Cr、Mo和Ni元素含量决定，用来衡量这种抗腐蚀性能的指数就是PREN值（抗点蚀当量），PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%。抗点蚀当量PREN的计算式定量地描述了Cr、Mo、N元素对它的影响。公式只考虑了Cr、Mo、N的作用，没有考虑组织的不均匀和析出相的影响。选择合适的固溶处理温度使两相分别具有相当的PREN值，才能使钢具有最佳的耐点蚀性能。

应力腐蚀

双相不锈钢的屈服强度比普通不锈钢高，所以产生应力腐蚀开裂（SCC）的临界应力值也高；钢中第二相的存在对裂纹的扩展起机械屏障作用，延长了裂纹的扩展期；在中性氯化物介质中，不锈钢多以点蚀为SCC的裂源，而双相不锈钢的成分和组织特点使点蚀不易形成，延长了点蚀的孕育期。所以抗双相不锈钢抗SCC能力很强。各种不锈钢和双相钢的SCC敏感性还与温度和氯化物的浓度有关，在较宽的氯离子浓度范围内SCC是否发生取决于温度。

耐腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是由于腐蚀和循环应力的联合作用而引起的一种腐蚀形态，所受的应力大部分循环应力。当循环应力比较小而腐蚀介质较强时，腐蚀疲劳源往往产生于表面区的非金属夹杂上，这又是产生局部腐蚀的地方，而对于双相不锈钢尤其是高铬双相不锈钢来说，既具备了很高的抗局部腐蚀的能力又有很高的强度，所以双相不锈钢的抗腐蚀疲劳能力也很强。由于双相不锈钢既有良好的耐腐蚀性又有很高的硬度，所以它的在磨损腐蚀性能也很好。经过实践许多例子证明双相不锈钢的耐晶间腐蚀、耐均匀腐蚀等方面都有很优异的性能。