双相不锈钢管化学成分和合金化元素的作用

3.1 双相不锈钢管的化学成分

一般认为，双相不锈钢的相平衡比例为30%-70%的铁素体和奥氏体时，可以获得良好的性能。但双相不锈钢最常见的情形是铁素体的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制造的双相组织，必须要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。高铬高钼不锈钢中形成σ相和χ相，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。因此在固溶组织中保持足够的氮是很重要的。随着双相不锈钢制造经验的增加，控制窄的成分范围的重要性变得越来越明显。2205双相钢（UNS S 31803，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，S 31803 的铬、钼和氮含量应控制中上限，由此引出了成分范围较窄的改进型2205双相钢 UNS S 3305 （表1）。S 32205 的成分就是今天商品化的2205双相不锈钢的典型成分。在本文中，除非另有说明，通常2205指的就是S 32205。

3.2 双相不锈钢中合金元素的作用

以下简单介绍几个最重要的合金元素对双相不锈钢的力学性能、物理性能和腐蚀性能的作用。

铬：钢中最少含10.5％Cr才能形成保护钢不受大气腐蚀的稳定的含铬钝化膜。不锈钢的耐蚀性随含铬量的增加而增加。铬是铁素体形成元素，钢中加铬能使具有体心立方晶格的铁组织稳定。钢中含铬量较高时，需要加入更多的镍才能形成奥氏体或双相(铁素体一奥氏体)组织，较高的铬量也能促进形成金属间相。奥氏体不锈钢中通常含18％ Cr，第二代双相不锈钢中至少含22％Cr。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：钼与铬的协同作用能提高不锈钢的抗氯化物腐蚀的能力。当不锈钢中至少含 18％Cr时，钼在含氯化物的环境中抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力是铬的三倍(见后CPT公式)。钼是一个铁素体形成元素，同样能促进形成金属间相。因此，通常奥氏体不锈钢中含钼量约小于7．5％，双相不锈钢中约小于 4％。

氮：氮增加奥氏体和双相不锈钢的抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力。它能显著地提高钢的强度，它是固溶强化最有效的一个元素。氮在提高钢的强度的同时，还能增加奥氏体和双相不锈钢的韧性。氮延缓金属间相的形成，使得双相不锈钢有足够的时间进行加工和制造。氮加入至具有高耐蚀性的奥氏体和双相不锈钢中，这样也可抵消因含高铬和钼所带来的易形成σ相的倾向。

氮是强烈的奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中能部分代镍。双相不锈钢中一般加入几乎接近溶解度极限的氮量，和用以调整达到相干衡的镍量。铁素体形成元素铬和钼与奥氏体形成元素镍和氮需达到平衡，才能获得期望的双相组织。

镍：镍是稳定奥氏体的元素。铁基合金中添加镍可促使不锈钢从体心立方晶体结构 (铁素体)转化为面心立方晶体结构(奥氏体)。铁素体不锈钢含较少或不含镍，双相不锈钢含居中的镍，例如4％一7％，而300系奥氏体不锈钢至少含有8％的镍。在奥氏体不锈钢中添加镍可延缓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。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，相对铁素体不锈钢而言，这显著地增加了钢的韧性。