一文读懂双相不锈钢-再谈双相不锈钢的相关特性及其发展历史

双相不锈钢介绍

双相不锈钢是文读一类集优良的耐腐蚀、高强度和易于制造加工等诸多优异性能于一身的懂双钢种。它们的相不锈钢相关物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间，但更接近于铁素体不锈钢和碳钢。再谈双相不锈钢的双相耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀能力与其铬、钼、不锈钨和氮含量有关，特性可以类似于316不锈钢，发展也可高于海水用不锈钢如6%Mo奥氏体不锈钢。历史所有双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀断裂的文读能力均明显强于300系列奥氏体不锈钢，而且其强度也大大高于奥氏体不锈钢，懂双同时表现出良好的相不锈钢相关塑性和韧性。

双相不锈钢因为其金相显微组织由铁素体和奥氏体两种不锈钢晶粒组成，再谈所以被称为“双相”。双相下图中，不锈黄颜色的奥氏体相被蓝色的铁素体相所包围。当双相不锈钢熔化后，它从液态凝固时首先凝固成完全的铁素体结构，随着材料冷却到室温，大约有一半的铁素体晶粒转变为奥氏体晶粒。其结果是显微组织中大约50%为奥氏体相，50%为铁素体相。

双相不锈钢具有奥氏体和铁素体两相显微结构

双相不锈钢的特性

高强度

双相不锈钢的强度大约是常规奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢强度的2倍。因此设计师在某些应用中就可减薄壁厚。下图比较了室温到300℃的温度区间几种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢的屈服强度。

良好的韧性和延展性

尽管双相不锈钢强度高，但它们表现出良好的塑性和韧性。双相不锈钢的韧性和延展性明显优于铁素体不锈钢和碳钢，即使在很低的温度如－40℃/F下仍保持良好的韧性。但还达不到奥氏体不锈钢的优异程度。

ASTM和EN标准规定的双相不锈钢最低力学性能极限

耐腐蚀性

不锈钢的耐腐蚀性主要取决于其化学成分。在大多数应用环境中，双相不锈钢都显示出较高的耐蚀性能，这是由于它们铬含量高，在氧化性酸中很有利，并且含有足够量的钼和镍，能耐中等还原性酸介质的腐蚀。

双相不锈钢耐氯离子点蚀和缝隙腐蚀的能力，取决于其铬、钼、钨和氮含量。双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量使它们具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能。它们有一系列不同的耐腐蚀性能，既有相当于316不锈钢耐蚀性的牌号，如经济型双相不锈钢2101©，也有相当于6%钼不锈钢耐蚀性的牌号，如SAF2507©。

双相不锈钢具有非常好的耐应力腐蚀开裂（SCC）性能，这个特性是从铁素体这一方“继承”来的。所有双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀开裂的能力均明显优于300系奥氏体不锈钢。而标准的奥氏体不锈钢牌号如304和3在有氯离子、潮湿空气和温度升高的条件下，可能会发生应力腐蚀开裂。因此，在有较大应力腐蚀风险的化工行业许多应用，常常采用双相不锈钢来代替奥氏体不锈钢的使用。

物理性能

介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间，但更接近于铁素体不锈钢和碳钢。

双相不锈钢的化学成分

一般认为，双相不锈钢中铁素体相与奥氏体相的比例为30％～70%时，可以获得良好的性能。但双相不锈钢常常被认为是铁素体和奥氏体大致各占一半，在目前的商品化生产中，为了获得最佳的韧性和加工特性，倾向于奥氏体的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是铬、钼、氮和镍之间的相互作用是非常复杂的。为了获得稳定的有利于加工和制造的双相组织，必须注意使每种元素有适当的含量。

除了相平衡以外，有关双相不锈钢及其化学组成的第二个主要问题是温度升高时有害金属间相的形成。σ相和χ相在高铬、高钼不锈钢中形成，并优先在铁素体相内析出。氮的添加大大延迟了这些相的形成。因此在固溶体中保持足够量的氮非常重要。随着双相不锈钢制造经验的增加，人们越来越认识到控制较窄的成分范围的重要性。2205双相不锈钢（UNSS318表1）最初设定的成分范围过宽，经验表明，为了得到最佳的耐腐蚀性能及避免金属间相的形成，S31803的铬、钼和氮含量应保持在含量范围的中上限，由此引出了成分范围较窄的改进型2205双相钢UNSS32205（表1）。

表1锻轧和铸造双相不锈钢的化学成分*（重量%）

合金元素在双相不锈钢中的作用

铬

钢中铬含量必须不低于10.5％才能形成稳定的含铬钝化膜，保护钢不受大气腐蚀。不锈钢的耐腐蚀性能随铬含量的增加而增加。铬是铁素体形成元素，钢中加铬可促使体心立方结构的铁素体形成。钢中铬含量较高时，需要加入更多的镍才能形成奥氏体或双相（铁素体-奥氏体）组织。较高的铬量也能促进金属间相的形成。奥氏体不锈钢铬含量至少为16％，双相不锈钢铬含量至少为20％。铬还能增加钢在高温下的抗氧化能力，铬的这一作用很重要，它影响热处理或焊接后氧化皮或回火色的形成和去除。双相不锈钢的酸洗和去除回火色要比奥氏体不锈钢困难。

钼

钼能提高不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的能力。当不锈钢中铬含量至少为18％时，钼在氯离子环境中耐点蚀和缝隙腐蚀的能力是铬的三倍。钼是铁素体形成元素，同时也增大了不锈钢形成金属间相的倾向。因此，奥氏体不锈钢的钼含量通常小于约7.5％，双相不锈钢的钼含量小于4％。

氮

氮提高奥氏体和双相不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力，它还能显著地提高钢的强度。事实上它是最有效的固溶强化元素和低成本合金元素。含氮双相不锈钢韧性的改善得益于其较高的奥氏体含量和较少的金属间相。氮没有阻止金属间相的析出，但可推迟金属间相的形成，使得有足够的时间进行双相不锈钢的加工和制造。氮被添加到铬和钼含量高的高耐蚀性奥氏体和双相不锈钢中，以抵消它们形成σ相的倾向。

氮是强奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中能代替部分镍。氮可降低层错能并提高奥氏体的加工硬化率。它还通过固溶强化提高了奥氏体的强度。双相不锈钢一般都添加氮并调整镍含量以达到适当的相平衡。铁素体形成元素铬和钼与奥氏体形成元素镍和氮相互平衡才能获得双相组织。

镍

镍是稳定奥氏体的元素，镍促使不锈钢的晶体结构从体心立方结构（铁素体）转化为面心立方结构（奥氏体）。铁素体不锈钢含极少的镍或不含镍，双相不锈钢含镍量为低至中等，如1.5%～7％，300系奥氏体不锈钢至少含有6％的镍（见图2）。添加镍延缓了奥氏体不锈钢中有害金属间相的形成，但是在双相不锈钢中镍的延缓作用远不如氮有效。面心立方结构使奥氏体不锈钢具有极佳的韧性。双相不锈钢中有近一半是奥氏体组织，因此双相钢的韧性比铁素体不锈钢显著提高。

图1加镍后由体心立方晶体结构（少镍或无镍）变为面心立方（至少6%Ni-300系）结构。含有中等镍量的双相不锈钢组织中一些晶粒是铁素体，另一些是奥氏体，理想状态是二者数量相等（图2）

图2增加含镍量后不锈钢的组织从铁素体（左）变为两相（中），再变为奥氏体（右）

双相不锈钢的冶金学

奥氏体-铁素体相平衡

Fe-Cr-Ni合金三元相图是双相不锈钢冶金行为的指路图。从铁含量为68％处的三元截面图（图3）可看出：这些合金以铁素体(a)相凝固，然后随着温度的下降，部分铁素体转变成奥氏体(g)（取决于合金成分）。当从固溶退火温度水淬时，在室温下可获得大约50%铁素体和50%奥氏体的金相组织。增加氮含量可提高铁素体向奥氏体转变的起始温度，并改善双相不锈钢尤其是热影响区的结构稳定性。

图3在68%Fe处的Fe-Cr-Ni三元截面相图

（镍和铬量的微小变化可引起双相不锈钢中奥氏体和铁素体数量较大的变化）

双相不锈钢轧制产品或加工后的产品中铁素体和奥氏体的相对数量取决于其化学成分和热加工历史。如相图所显示，成分上微小的变化可能对两相的相对体积分数有较大影响。某单一合金元素会促进铁素体或奥氏体的形成。金相组织中铁素体/奥氏体的相平衡可通过如下的多变量线性回归来预测：

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

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

%铁素体=-20.93+4.01Creq–5.6Nieq+0.016T

T（℃）是退火温度，101150°C，元素含量为重量百分数（wt%）

通过调整铬、钼、镍和氮的含量，并控制好加热操作，可获得所希望的相平衡即铁素体相比例为50%，其余为奥氏体相。

对于双相不锈钢的轧制生产来说，在适当的固溶退火温度进行固溶退火处理，随后立刻进行水淬，可得到最佳结果。重要的是，使材料从离开加热炉到水淬之间的时间尽可能地短，这样便最大程度地减少了热量损失，而在水淬至室温之前，热量损失可能导致有害相的析出。

对于双相不锈钢的焊接来说，必须针对每一种牌号和焊接配置给出最佳的热输入，以便冷却速度能够足够快从而避免有害相的析出，但又不是太快以至于熔合线附近保留了过量的铁素体。在实践中，当焊接断面尺寸差异较大的部件或采用低热输入焊接厚断面时，可能出现这种情况。在这种情况下，厚断面上的薄焊缝淬火过快，没有留出充足的时间使足量的铁素体转变为奥氏体，结果导致焊接热影响区铁素体过量。

由于氮可提高从铁素体开始形成奥氏体的温度，见图它也加快了铁素体转变为奥氏体的速度。因此，如果不锈钢中含氮，即使在相对快速的冷却速度下，奥氏体数量也几乎能达到平衡状态时的水平。对第二代双相不锈钢而言，这一效应可减少焊缝热影响区铁素体过量的可能性。

析出相

有害相在临界温度下若干分钟便可形成，见图4的2205和2507双相不锈钢等温析出图。析出相会显著降低不锈钢的耐腐蚀性和韧性，因此，在析出温度范围累积停留的时间如成形操作、尤其是退火后的焊接和冷却时间必须尽可能地缩短。现在已经开发出耐腐蚀性能最大化并可延迟有害相析出的现代双相不锈钢牌号，它们使加工制造得以顺利完成。可是一旦形成有害相，只能通过完全的固溶退火及随后的水淬来去除。

图42205双相不锈钢在1050℃的等温析出动力学曲线

σ相（图5）和其它金属间相如χ相

图5在850℃时效处理40min的2205样品，其显微组织显示了在奥氏体/铁素体晶界σ相的析出（箭头）。照片中的铁素体相(F)比奥氏体相(A)颜色深

如果在700℃-1000℃的温度范围冷却速度过慢，则σ相和和其它金属间相如χ相会在低于奥氏体形成温度的温度下从铁素体相中析出。为避免钢厂轧制产品中出现σ相，可控制退火温度，确保钢从退火温度尽快地水淬冷却，以避开σ相的形成区间（图6）。

图62205双相不锈钢在1050℃的等温析出动力学曲线

双相不锈钢固溶退火之后必须立即水淬©Bosch-Gotthard-Hutte

钢中钼和铬含量越高，形成σ相的倾向越大，因此比2205牌号更高级的较高合金化牌号受影响最大。合金元素含量越高，金属间相的析出越快，如图4所示，2507牌号的析出曲线在2205的左侧（时间更短）。经济型双相不锈钢2304不太容易形成金属间相，而更容易发生氮化物的析出。

σ相的存在降低了双相不锈钢的耐点蚀性能，原因是周围区域发生了铬和钼的贫化，导致析出物旁边区域耐腐蚀性能的降低。当发生金属间相析出时，材料的韧性和延展性也大幅降低。

氮化铬的析出

对于某些牌号，在临界温度停留仅2分钟即发生氮化铬的析出，它可以由于在600℃-900℃温度区间冷却过慢而发生在晶界或相界。在大多数双相不锈钢中，氮化物的形成不是很常见，但在某些经济型双相钢中可能是个问题，因为与较高合金化的双相不锈钢牌号相比，经济型牌号的氮含量相对较高，氮的溶解度较低。同避免σ相的方法类似，轧钢厂采用固溶退火后水淬的方法可避免氮化铬的形成。

氮化铬也会在焊接部件的焊缝金属和热影响区析出，由于熔合线附近十分快速的冷却而带来的高铁素体含量会导致氮的过饱和。氮在铁素体中的溶解度很低且随温度降低而进一步降低。所以如果氮没有留在铁素体中，它可在冷却中以氮化铬析出。较慢的冷却速率会造成氮化物的析出与奥氏体再形成之间的竞争。较多的奥氏体可以溶解较多的氮，减少氮在铁素体晶粒中的过饱和及氮化铬的量。通过采用较高热输入（较慢冷却速率），或在焊缝金属中添加奥氏体形成元素镍，或在保护气体中加氮，可提高奥氏体含量，从而减少氮化铬在焊缝的析出。

如果形成较大量的氮化铬，会对耐腐蚀性能和韧性有不利的影响。

α'相

α'相在低于525℃的铁素体相中形成，其形成所需要的时间比前面讨论的其它相所需时间长得多。α'相的形成开始会造成硬度的增大，后面会造成韧性的损失（图4）。

当铁素体不锈钢长时间暴露在475℃左右的温度后，其中的α'相会造成常温韧性的丧失，这就是所谓的475℃脆性。幸运的是，由于双相不锈钢含有50%的奥氏体，这种硬化和脆化的效果不像它在全铁素体钢中那样有害。它对双相不锈钢有影响，在高钼牌号中影响最显著，在经济型牌号中影响小得多。

由于发生脆化需要较长的时间，所以在加工制造时α'相脆性极少成为问题。有一个例外即双相不锈钢与碳钢的复合结构的应力消除处理，必须仔细评估。必须避免在α'相形成温度300℃-525℃范围（或700℃-950℃，2205金属间相的形成温度范围）的任何热处理操作。如果被要求进行应力消除处理，则最好咨询复合板生产厂家的意见。

双相不锈钢使用温度的上限受到α'相形成的制约。压力容器设计规范已确立了最大许用设计应力下的使用温度上限值。德国TüV规范区别对待了焊接和非焊接结构件，它的温度上限值比ASME锅炉和压力容器规范更保守。压力容器设计规范对各种双相不锈钢规定的温度限值见表2。第二代双相不锈钢碳含量都很低，因此，通常无需考虑碳化物的有害影响。表3综合了许多重要的析出反应和双相不锈钢的温度限值。

表2压力容器规范中双相不锈钢最大许用应力值下的温度极限

表3双相不锈钢中析出反应和其他特征反应的典型温度

力学性能

双相不锈钢力学性能优异，标准双相不锈钢牌号的力学性能见表4。它们在固溶退火状态下的室温屈服强度是未添加氮的标准奥氏体不锈钢的两倍多，这样设计师在某些应用中就可减小壁厚。图7比较了室温到300℃温度区间几种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢屈服强度。由于铁素体相有475℃脆性的危险，所以双相不锈钢不应长时间用于温度高于压力容器设计规范规定的条件(见表2)。

表4ASTM和EN双相不锈钢板最低力学性能限值

图7双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢在室温到300℃温度范围典型屈服强度的对比

锻轧双相不锈钢的力学性能是高度各向异性的，即性能随测试样品的方向而变化。这种各向异性是由拉长了的晶粒和热轧或冷轧产生的晶体织构造成的。尽管双相不锈钢的凝固组织通常是各向同性的，但它经过轧制或锻造及后续的退火，组织中存在两相。最终产品两相的形貌揭示出加工的方向性，双相不锈钢垂直于轧制方向的强度比沿轧制方向的强度高。冲击试样的缺口垂直于轧制方向时的冲击韧性高于沿轧制方向时。试样“纵向”(L－T)夏比冲击试样测得的韧性高于其他方向的试验结果。一个双相不锈钢板横向试样的冲击功一般相当于一个纵向试样的1/2至2/3。

普拉德霍湾垂直支撑架上24英寸2205双相不锈钢保温管道的安装@ArcoExplorationandProductionTecnnology

尽管双相不锈钢强度高，但它们仍表现出良好的塑性和韧性。与碳钢或铁素体不锈钢相比，双相不锈钢塑性－脆性的转变是平缓的。双相不锈钢即使在很低的环境温度如-40℃/F下仍保持良好的韧性；但是双相不锈钢的韧性和塑性通常比奥氏体不锈钢差。奥氏体不锈钢一般没有塑性－脆性转变，在低至深冷温度的条件下仍保持优异的韧性。表5给出了标准奥氏体不锈钢和双相不锈钢在拉伸试验中最小延伸率的比较。

表5根据ASTMA240和EN1002的要求，双相不锈钢与奥氏体不锈钢延展性的比较

尽管双相不锈钢的高屈服强度允许厚度减薄，但由于弯曲和杨氏模量的限制，在制造过程中也会带来困难。由于双相不锈钢强度较高，其变形需要更大的外力，因此在弯曲操作中的回弹比奥氏体不锈钢要大，两种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢回弹的比较见图8。双相不锈钢的延展性比奥氏体不锈钢差，为避免断裂需要增加弯曲半径。

图82毫米（0.08英寸）厚的双相不锈钢板与316L奥氏体不锈钢板回弹的比较

由于双相不锈钢较高的硬度和高加工硬化率，与标准奥氏体不锈钢相比，它降低了机加工操作中工具的寿命或需要更多的机加工次数。在成型或弯曲操作之间可能需要退火，因为双相不锈钢的延展性差不多是奥氏体不锈钢的一半。冷加工对2205双相不锈钢力学性能的影响见图9。

双相不锈钢的耐腐蚀性能

双相不锈钢在绝大多数标准奥氏体不锈钢应用的环境中都显示出很高的耐腐蚀性能，值得注意的是它们在某些情况下具有非常明显的优势，这是由于它们含铬量高，在氧化性酸中很有利，并且含有足够量的钼和镍，能耐中等还原性酸介质的腐蚀。双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量也使它们具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能，其双相结构在可能发生氯化物应力腐蚀断裂的环境是一个优势。如果双相不锈钢的显微组织中含有至少30%的铁素体，则其耐氯化物应力腐蚀断裂的性能远比奥氏体不锈钢304或316强。但铁素体易发生氢脆，因此双相不锈钢在氢有可能进入金属的环境或应用中耐蚀性不高。

耐酸腐蚀性能

为了说明双相不锈钢在强酸溶液中的耐腐蚀性能，图10给出了在硫酸溶液中的腐蚀数据。介质条件从低酸浓度的弱还原性环境到高浓度的氧化性环境及中等浓度热溶液的强还原性环境。2205和2507双相不锈钢在酸浓度最大约15％的溶液中，性能优于许多高镍奥氏体不锈钢；在酸浓度至少为40％的范围内，双相钢优于316或317不锈钢。双相不锈钢在这种含氯化物的氧化性酸中也很有用。双相不锈钢的含镍量不足以耐受中等浓度硫酸溶液或盐酸的强还原性腐蚀。在还原性环境有酸浓缩的湿/干界面，腐蚀尤其是铁素体的腐蚀就会开始并快速进展。因此双相不锈钢耐氧化性腐蚀的性能使它们成为硝酸装置和强有机酸中优良的候选材料。

图10在不通气硫酸溶液中0.1mm/年）等腐蚀曲线（实验室采用试剂级的硫酸）

图11显示了在沸点温度下，在50％醋酸和不同含量甲酸的混和溶液中双相不锈钢和奥氏体不锈钢的腐蚀。尽管304和316不锈钢可用于室温和中等温度下的强有机酸介质，但2205和其他双相不锈钢在许多涉及高温有机酸的工艺中占优势，而且由于它们耐点蚀和耐应力腐蚀，也可用于卤代烃工艺。

图11双相不锈钢和奥氏体不锈钢在50%醋酸和不同含量甲酸的沸腾混合溶液中的腐蚀

耐碱腐蚀性能

双相不锈钢的高含铬量和铁素体相的存在使其在碱性介质中具有良好的性能。在中等温度下，其腐蚀速度低于标准奥氏体不锈钢的腐蚀速度。

耐点蚀和缝隙腐蚀性能

为讨论不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的性能，引入临界点蚀温度这一概念是有用的。对于某一个氯化物环境，每个牌号的不锈钢都可用一个温度来描述其特征，高于此温度则点蚀开始产生，并且24小时之内可发展到肉眼可见的程度。低于此温度则不发生点蚀。这一温度即所谓的临界点蚀温度（CPT）。它是对特定的不锈钢牌号和特定环境的表征。由于点蚀的起始发生从统计学上看是随机的，而且CPT对牌号或产品的微小变化敏感，因此，对于不同牌号的不锈钢，其CPT通常以一个温度范围来表示。然而，采用ASTMG1501标准介绍的研究方法，有可能通过电化学测量法来准确和可靠地测定CPT。

缝隙腐蚀常常发生在接头垫圈部位，沉积物的下面以及螺栓连接的缝隙处。缝隙腐蚀也有一个类似的临界温度。临界缝隙腐蚀温度（CCT）取决于不锈钢试样、氯化物环境和缝隙的特性（紧密度，长度等）。由于缝隙的几何形状以及实际中很难再现同样缝隙的尺寸，CCT的测量数据要比CPT更分散。对于同样的钢种和腐蚀环境，CCT往往比CPT低15～20℃(27～36℉）。

双相不锈钢的高铬、钼和氮含量使其在含水环境中具有非常好的耐氯离子局部腐蚀的性能。根据合金含量的不同，某些双相不锈钢牌号已跻身于性能最好的不锈钢之列。由于双相不锈钢的铬含量相对较高，所以具有高耐腐蚀性而且非常经济。

图12给出了按照ASTMG482（6%FeCl3）测定的固溶退火状态下各种不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀性能的比较。材料焊接状态下的临界温度要低一些。临界点蚀或缝隙腐蚀温度越高，则表明材料耐腐蚀起始发生的能力越高。2205不锈钢的CPT和CCT都显著高于316不锈钢。这使2205钢成为用途广泛的材料，适用于因蒸发导致氯离子浓缩的环境，例如热交换器的蒸汽空间或保温层的下面。2205双相钢的CPT还表明它可用在碱水和脱气盐水中。它还成功地用于脱气海水中，在这些应用中，通过高流速的海水或用其他方法使钢的表面没有沉积物。在苛刻的海水应用环境中，如薄壁热交换器管，或表面有沉积物或有缝隙时，2205不锈钢没有足够的耐缝隙腐蚀能力。然而，CCT高于2205的高合金化双相不锈钢如超级双相不锈钢和特超级双相不锈钢，已经用于许多既要求高强度又要求高耐氯离子腐蚀的苛刻海水条件。尽管超级双相不锈钢在较低温度的海水中不发生腐蚀，但其在高温下的应用有一定的局限性。特超级双相不锈钢更好的耐腐蚀性将双相不锈钢的应用扩展到强腐蚀性的氯离子环境如高温热带的海水环境尤其是存在缝隙的场合。

图12非焊接态奥氏体不锈钢（左）和双相不锈钢（右）在固溶态的临界点蚀和缝隙腐蚀温度（按ASTMG48在6%FeCl3溶液中试验后评定）

因为CPT与材料和特定环境成函数关系，有可能对单一要素的影响进行研究。利用按照ASTMG48A法确定的CPT，采用回归分析法得出钢的成分（每种元素作为一个独立变量）和测定的CPT（相关变量）的关系。结果显示只有铬、钼、钨和氮对CPT有稳定的影响。关系式如下：

CPT=常数+%Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N

式中4个合金元素乘以各自的回归常数之和通常被称为耐点蚀当量值（PRE）。不同研究者给出的氮的系数不同，通常使用22和30。根据PRE的大小可以给本系列的钢种进行排序。但要注意避免对这一关系式的过分依赖。式中合金元素为“独立变量”，但实际并不真正独立，因为试验的钢是平衡成分。这种关系不是线性或交叉关系，例如铬和钼的协同作用被忽略。此关系式假定只针对理想状态的材料，但是没有考虑金属间相、非金属相的影响，或对耐蚀性不利影响的不恰当的热处理。

耐应力腐蚀断裂

双相不锈钢最早期的某些应用是基于它们耐氯化物应力腐蚀断裂（SCC）的性能。与具有类似耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能的奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢表现出明显优越的耐应力腐蚀断裂性能。双相不锈钢在化学加工工业的许多应用是代替奥氏体不锈钢，用于有很大的应力腐蚀断裂危险的场合。

然而，和许多材料一样，双相不锈钢在特定条件下也易于发生应力腐蚀断裂。这种情况可能发生于高温、含氯化物的环境或易于促使氢致开裂的介质条件。双相不锈钢可能会发生应力腐蚀断裂的环境条件如42％的沸腾氯化镁溶液试验，金属处于高温并暴露于加压含水氯化物系统的液滴蒸发试验（系统中的温度可能高于常压下的温度）。

图13给出了若干轧制退火的双相不锈钢和奥氏体不锈钢在苛刻的氯化物介质中的相对耐氯化物应力腐蚀断裂性能。得出这些数据的液滴蒸发试验腐蚀条件很苛刻，因为试验温度为120℃(248℉)的高温，并且氯化物溶液由于蒸发而浓缩。试验中三种双相不锈钢UNSS3212205和2507最终在所受应力达到其屈服强度的某一百分比时发生断裂，但这一百分数比316不锈钢相应的百分比值高得多。由于双相钢在常压下的氯化物水溶液中能够耐应力腐蚀断裂，例如耐保温层下的腐蚀，所以在已知304和316不锈钢会发生断裂的氯化物介质中，可以考虑使用双相不锈钢。

图13轧制退火的奥氏体不锈钢和双相不锈钢在120℃氯化钠溶液液滴蒸发试验中的耐应力腐蚀断裂性能（断裂引起的应力以屈服强度的百分比表示）

表6总结了在不同腐蚀程度的各类试验介质中，几种不锈钢的氯化物应力腐蚀断裂行为。表的上部所列介质由于含有酸性盐而条件苛刻，表的下部由于温度高而条件苛刻。表中间的介质条件不那么苛刻。钼含量小于4%的标准奥氏体不锈钢在所有这些条件下均发生氯化物应力腐蚀断裂，而双相不锈钢能够耐受上述中间范围的温和介质条件。

表6非焊接的双相不锈钢和奥氏体不锈钢在加速实验室试验中的耐应力腐蚀断裂性能比较

耐氢致应力腐蚀受多种因素影响，不仅与铁素体含量有关，而且与强度、温度、充氢条件、外加应力等有关。双相不锈钢尽管对氢致开裂敏感，但只要仔细评估和控制操作条件，在含氢介质中仍可以利用其强度优势。这些应用中最突出的是输送弱酸气体和盐水混合物的高强度管道。图14说明了2205双相不锈钢在含氯化钠的酸性介质中不发生腐蚀和易发生腐蚀的条件范围。

图142205双相不锈钢在20%氯化钠-硫化氢介质中腐蚀情况得电化学预测和实验结果

固溶处理对双相不锈钢组织与性能的影响[2]

01

双相不锈钢得理化性能受固溶温度的影响显著，温度降低时（900~1000℃），其塑性和耐蚀性较差，其原因在于钢中σ相的析出。

02

σ相这类富Cr、Mo脆性析出相的析出与固溶工艺有关，固溶温度较低时（900℃），σ相大量析出，从而导致不锈钢塑性恶化、耐蚀性能降低；随固溶温度升高，σ相逐渐回溶，析出量减少；当固溶温度升高至1050℃后，σ相充分固溶，不锈钢的塑性及耐蚀性能明显改善。

03

双相不锈钢中铁素体含量随固溶温度的升高而增加，但铁素体与奥氏体两相比例受固溶处理后的冷速影响不大。

双相不锈钢的应用领域

纸浆和造纸

二十世纪三十年代双相不锈钢的首次应用之一便是在亚硫酸盐造纸工业。如今，双相不锈钢用作纸浆造纸工业的漂白设备、蒸煮器、木片储罐、黑液和白液储罐以及吸水辊外壳等。由于双相不锈钢强度高，耐腐蚀性能优越，对于同样的压力等级，允许使用壁厚较薄的板材，因此现在双相不锈钢已经取代了奥氏体不锈钢和碳钢的应用。加工制造壁厚较薄的板材，其综合材料成本较低，焊接时间较短，运输和装卸费用也较低。

海水淡化

海水淡化由于其高氯化物含量、高温的腐蚀性工艺环境，使材料经受了最严格的一种考验。海水淡化的历史基本上是材料发展的历史，因为海水淡化业的客户需要在满足耐腐蚀性要求与将投资控制在可承受范围的要求之间寻求平衡。早期的海水淡化项目中，多级闪蒸(MSF)和多效(MED)海水淡化设备的蒸发器使用碳钢制造。后来，MSF蒸发器一般用316L奥氏体不锈钢包覆。MED蒸发室先是采用环氧树脂涂层，后来用不锈钢包覆。

使用双相不锈钢的好处是它的高强度(是传统奥氏体不锈钢的两倍)与高耐腐蚀性能相结合。因此，双相不锈钢蒸发器可用更薄的钢板制造，所需的材料和焊接较少。其它好处包括容易处理，对环境的综合影响较少。

关于双相不锈钢的理念在2003年有了突破，2205双相不锈钢被用来制造实体双相钢蒸发器，安装在利比亚的MelittahMSF设备和ZuaraMED设备中。

双相不锈钢应用于海水淡化的下一个阶段起始于2004年，两种不同类型的双相不锈钢被用于蒸发器装置：采用耐腐蚀性能好的2205制造在最恶劣条件下使用的部件，使用2304制作不太恶劣条件下使用的部件。

采用2205和UNSS32101两种双相钢结合的理念建造了三套多级闪蒸MSF设备：TaweelahB(阿布扎比，产能69.2百万加仑/天(MIGD))，JebelAliL2(迪拜，55MIGD)和RASAbuFontasB2(卡塔尔，30MIGD)。

用S32101和2205双相不锈钢制造的多级闪蒸海水淡化装置©Outokumpu

石油和天然气

在油气工业中，双相钢在帮助抵抗恶劣条件方面发挥了至关重要的作用。这是由于其强度、耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能优于标准的奥氏体不锈钢，双相不锈钢点蚀当量值(PREN)通常高于40。

双相不锈钢主要应用在流体管、工艺管线系统和设备，如分离装置、洗涤装置和泵。在海下，这些材料用于井下生产管道、管件和集合管、采气树零件、流体管和运输腐蚀性油气的管线。超级双相不锈钢(25％Cr)因为强度高，经常用于棒材、锻件、铸件、薄板、厚板、管材、紧固件等。超级双相钢还具有优良的抗疲劳性能以及与其他高合金不锈钢良好的电偶相容性。

使用液压线进行井口操作控制要用到脐带缆，它也用于化学品注入。自从钢脐带缆被引入市场以来，双相不锈钢一直是最常用的材料。最近几年，开发深海油气田成为趋势，这需要更长的脐带缆。提高材料的强度可降低脐带缆的重量，这样长度可以更长。目前将脐带缆用在温水中，并正在开发新概念，将立管引入脐带缆。因此，这些趋势要求更好的耐腐蚀性能和机械强度。已开发出比超级双相不锈钢耐腐蚀性更好、强度更高的新型特超级双相不锈钢用于脐带缆。

用于海上石油和天然气开采的2507脐带缆©Sandvik

食品和饮料

在食品和饮料工业中，经济型双相钢也证明了其价值。这种材料在西班牙的两个项目中得到应用，一个食品储存库和一个酒品储存库。在巴塞罗那港，EmyproSA建造的食品储罐全部采用S321取代了EN304/304L。在西班牙南部的代米耶尔，由西班牙储罐制造商MartinezSole为GarciaCarrión建造的酒品储存库，第一次使用了双相不锈钢：S32101和23作为304/316L低成本的替代品，用于建造所有新储罐的顶盖和最上层顶板。

高31米的2205双相不锈钢储罐的一部分©Outokumpu

建筑工业

双相钢不断在桥梁建造中发挥重要作用，桥梁在腐蚀和含盐环境使用,同时要求较高的承载强度。有两个实例均来自于亚洲，分别是香港的昂船洲大桥和新加坡的双螺旋步行桥，它们均使用了2205双相不锈钢。2006年昂船洲大桥使用了2000吨2205双相钢板材和管材，其表层部分由中国的制造厂用定制尺寸的板材建造。板材经过抛光和喷丸处理，以便在白天和晚上均能有最佳的反射性。

香港昂船洲大桥©OveArupPartners

位于卡塔尔多哈新国际机场的世界最大的不锈钢屋面使用含钼的经济型双相不锈钢(S32003)建造。航站楼最突出的特点是它的波浪形屋顶，据说是世界上最大的不锈钢屋顶。屋顶面积约为195000平方米(210万平方英尺)，使用了约1600吨(350万磅)双相不锈钢。在选择不锈钢牌号时必须考虑几个因素，其中最重要的是机场离大海的距离。屋顶不仅要抵抗中东地区的高温和湿度，还必须能经受盐的腐蚀。与其他钢种相比，选择双相不锈钢材的其他因素包括成本和良好的强度重量比。

卡塔尔多哈哈马德国际机场航站楼的双相不锈钢屋面©HmadInternationalAirport

iDataCenter在双相不锈钢成分设计与工艺优化中的应用

目标

本案例介绍的是针对超级双相不锈钢的热加工生产，通过结合Thermo-calc热力学计算与iDataCenter的辅助分析，可以快速获得成本合理、比较宽的可避免开裂的热加工温度区间，确定合理的成分设计，从而改善轧制过程中产品的表面质量。

原理

双相不锈钢（S32750）在冷却过程中的析出相是由铬镍的百分含量所决定的，在1463℃液相中开始析出铁素体相，随着温度降低，液相完全消失，此时基体为完全铁素体相，当温度降至1365℃时，奥氏体相在铁素体相中析出，并随着温度的降低奥氏体比例增加，在1090℃时，二者比例各占50%。在657℃～865℃温度区间内，铁素体完全消失，取而代之的是二次奥氏体和σ相。其中σ相析出温度为995℃，Cr2N相的析出温度为1020℃，并随温度的降低逐渐增加。

在高温下通常保证基体组织为单相时，其热加工塑性最好，通过双相不锈钢大量的生产数据，确定了其最佳的热塑性温度是40%奥氏体组织。σ相晶格结构属于TCP相，被认为是双相不锈钢中数量最多、危害性最大的相之一。σ相主要成分为Fe-Cr-Mo，力学性能表现为硬且脆，这也使σ相的析出严重影响材料韧性、塑性以及耐腐蚀性能。因此，为了避免σ相的析出，就要求冷却速度较快，迅速穿过σ相鼻尖区。另外，还有Cr2N相、M23C6等各种有害相。

因此，研究计算与数据分析的重点是对40%A(最佳热塑性)的温度区间以及Cr2N、σ相的析出温度进行计算，考虑采用40%奥氏体组织形成温度与Cr2N析出温度之间的差值作为热加工温度区间范围，然后根据成分价格指数计算公式算出各成分加下的价格。通过改变主要的合金元素含量，获得不同成分下热加工温度区间和成分价格指数数据。最后对以热加工温度区间和成分价格指数进行联动分析，最后确定成本合理、热加工区间较宽的合金成分。

计算与分析过程

本案例采用Thermo-calc软件进行热力学计算，获得目标成分范围内的计算结果文件，导入到MatAi的材料数据智能管理软件iDataCenter中，实现文件结果数据的快速解析、提取、结构化存储与可视化展示。用户通过iDataCenter的数据自动计算与处理功能，自主配置计算公式，批量计算各成分点的热加工温度区间和成分价格指数的数值，然后将所有的数值加入数据分析模块中，通过简单的配置，可以进行热加工温度区间与成分价格指数可视化对比，最后确定最佳的双相不锈钢的化学成分。

本文参考文献

[1]国际钼协会出版《双相不锈钢制造加工实用指南》

[2]王小勇，《固溶处理对双相不锈钢组织与性能的影响》

[3]百度百科、微信公众号"钼和含钼材料的世界"

双相不锈钢管的牌号对照表及性能参数简介

双相不锈钢(Duplexstainlesstube)

金相组织

Metallographicstructure

固溶状态下的金相组织为铁素体-奥氏体双相，其奥氏体含量为40~60%，不允许有σ相等脆性相析出。

Duplexofferrite-austeniteundersolutioncondition,contentofausteniteis40~60%,nobrittlenessprecipitationofσ,etc.

产品标准standard：GB/T21820ASTMA789/ASMESA7ASTMA789/ASMESA790企标等andenterprisestandards,etc.

产品规格size：外径OD：16~219mm；壁厚WT：1~20mm

双相不锈钢管图片

双相不锈钢管

双相不锈钢管

双相不锈钢管

双相不锈钢的九十年历程

1930年的AvestaIronworks工厂，位于瑞典阿维斯塔

2020年9月是双相不锈钢90周年纪念，我们一起回顾下双相不锈钢发展的历程。

早期：1930到1970年代

1900年代初期，最早的不锈钢是纯奥氏体，铁素体或马氏体。1930年，瑞典的AvestaIronworks开发出了首个具有铁素体相和奥氏体相结合的双相不锈钢。因客户需要减少晶间腐蚀在铁素体不锈钢的影响，Avesta工厂开始向客户供应第一款双相不锈钢产品。

在早期，双相钢因其良好的耐腐蚀性和可铸性而被用于制浆，造纸和高温工况应用的铸件，棒材和板材。到1932年，双相钢已占全球5500吨全球不锈钢市场的6.5％。

在接下来的几十年中，冶金学家开发了降低碳含量并引入氮以控制塑性和可焊性的技术。第二次世界大战期间镍的短缺促使人们对双相不锈钢产生了更大的兴趣。1950年代的改进包括开发了添加氮的双相钢牌号，以减少铸造和焊接过程中开裂的风险。

第二代双相不锈钢

双相钢的发展在70年代达到了高潮，第二代双相不锈钢具有更好的抗晶间腐蚀能力，获得了更多的应用和更大的商业成功。

从冶金学的角度来看，这些钢种利用增加的氮来增强奥氏体的形成。这样可以防止在焊接或热加工后双相组织在热影响区还原为全铁素体。氮还有助于钢材抵抗点腐蚀，并同时提高强度。

超级双相不锈钢(SuperDuplex)

70年代和80年代的发展，主要是第三代双相钢——更高合金化的超级双相不锈钢FortaSDX2507,FortaSDX100。这些牌号包含更多的合金元素，因此具有更好的性能，但成本更高。超级双相不锈钢满足了海上石油，天然气，食品和饮料以及化工行业的需求。

超级双相不锈钢最普遍的定义是其抗点蚀性能（PRE或PREN）至少应达到40。为了达到这种水平的耐腐蚀性，冶金学家使用合金元素，例如铬，钼，钨，镍和铜。当然，超级双相钢中更多的合金元素也意味着更高的成本，但与奥氏体钢相比，它们通常在价格上更具有竞争力，可被视为奥氏体钢的替代品。

低合金双相钢(LeanDuplex)

在双相钢产品线的另一端，Avesta工厂在80年代中期开发了低合金双相不锈钢(LeanDuplex)，以最大程度地降低原材料成本。

当使用镍作为合金元素时尤其如此。多年来，镍的价格一直在大幅波动。因此，通过减少镍含量，我们能够为客户提供价格更稳定的不锈钢产品。

在这些低合金双相钢中，FortaLDX2101尤其受欢迎。它具有较高的锰和氮，以弥补其较低的镍含量。它具有高强度，良好的耐腐蚀性能和焊接性能。

易成型双相钢(FormableDuplex)

在过去的10~15年间，具有改进成型性能的双相钢得到了进一步的发展。易成型双相不锈钢FortaFDX27的出现，解决了因其他双相钢不能同时具备延展性和高强度，而无法制造出复杂而轻便的成型部件的难题。

双相不锈钢的分类及代表牌号+对照表

双相不锈钢的代表牌号见表1。这些牌号主要适用于变形材，与其相当的牌号也可用于铸件。

双相不锈钢一般可分为四类：

第一类属低合金型，代表牌号UNSS32304（23），钢中不含钼，PREN值为在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。

第二类属中合金型，代表牌号是UNSS31803（22）,PREN值为其耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。

第三类属高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准牌号UNSS32550（25），PREN值为这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。

第四类属超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号UNSS32750（25）,有的也含钨和铜,PREN值大于40,可适用于苛刻的介质条件,具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。国内外主要双相不锈钢牌号的近似对照见表2。