双相不锈钢的化学成分和合金元素的作用及元素分析解决方案

 一般认为，双相不锈钢的相平衡比例为30％～70%的铁素体比奥氏体时，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，控制窄的成分范围的重要性变得越来越明显。2205双相钢（UNS S31803）初设定的成分范围过宽，经验表明，为了得到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UNS S32205。S32205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S32205。

以下简单介绍几个重要的合金元素对双相不锈钢的力学性能、物理性能和腐蚀特性的影响。

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。不锈钢的耐蚀性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。

钼与铬的协同作用能提高不锈钢的耐点蚀的能力。当不锈钢中铬含量至少为18％时，钼在含氯化物的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金属间相含量的降低。氮并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便获得适当的相平衡。铁素体形成元素铬和钼与奥氏体形成元素镍和氮相平衡才能获得双相组织。

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1、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。面心立方结构使得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。

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