双相钢

近年来，对冷热轧不锈钢结构的设计要求更加严格。因为碳素钢在桥梁以及普通和极为恶劣的环境下的建筑中的使用寿命有限，尽管不锈钢成本更高，但由于其在火灾、地震灾害中的优越性能，可替代碳素结构钢作为建筑结构用材。

概述

双相不锈钢是不锈钢种之一，因组织中铁素体和奥氏体相大约各占一半而得名。这样的双相组织使得铁素体和奥氏体晶粒均显著细化。由于铁素体的存在，使得双相钢的强度是普通奥氏体钢的两倍，它很好地结合了奥氏体和铁素体不锈钢的优点。各相的百分比取决于化学成分和热处理制度，主要合金元素是铬和镍。兼具奥氏体不锈钢的高韧性、可焊接性以及铁素体不锈钢的高强度、耐腐蚀性和抗应力腐蚀性。镍含量只有普通奥氏体不锈钢的一半，因此价格较便宜，且受镍价格影响较小。由于铬含量高，抗氢致裂纹腐蚀及氯化物应力腐蚀性优良。同时，由于是双相混合组织，也减少了晶间腐蚀的可能性，在焊接凝固过程中不易出现裂纹。为了确保各合金元素的最佳配比，适当增加铬和钼的含量，与双相钢的优良性能相权衡，这些成本是很少的。

双相不锈钢的得名是因为含有铁素体和奥氏体双相组织。双相钢显微组织如图1所示：奥氏体相（黄色）呈岛状分布于铁素体（蓝色）基体中。双相不锈钢加热熔融过程中，由液相转变为完全的铁素体组织。当冷却至室温后，约有一半的铁素体晶粒转变为奥氏体晶粒（如小岛形成），最后得到的组织中奥氏体和铁素体百分数各占50%。

尽管双相不锈钢进行商业化开发很多年，由于其良好的热加工性、低韧性以及焊接和热处理后不易发生晶间腐蚀的性能，近年来得到了广泛的应用。然而，随着氩气氧气脱碳法（AOD）和其它不锈钢熔炼精炼工艺的发展，现在的问题是要从实际出发密切控制其化学成分及足以消除敏感性的最低含碳量。另外，固氮（奥氏体稳定元素）使进一步提高强度和耐腐蚀性成为可能，氮元素也能减少焊接过程中的消极影响。表1是常用双相和奥氏体不锈钢的化学成分。SAF2205因其优良的耐腐蚀性和高强度，是使用最广泛的双相不锈钢。由于高温脆性微量成分的析出，SAF2205一般使用温度不高于300℃；低温会发生韧脆性转变一般使用温度不低于-50℃。

表1 常用双相和奥氏体不锈钢的化学成分

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USNP牌号合金牌号化学成分,Wt% ———————————————————————————————————

C Cr Ni Mo N PREN*

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双相不锈钢 S32304 SAF2304 0.03 23 4.5 - 0.1 25

S31803 SAF2205 0.03 22 5.0 3.2 0.18 35

S32750 SAF2507 0.03 25 7.0 4.0 0.3 43 奥氏体不锈钢 S30403 304L 0.03 18 8.0 - 0.1 20

S31603 316L 0.03 16 11.0 2.0 0.1 24

S31703 317L 0.03 18 11.0 3.0 0.1 30 ———————————————————————————————————

PREN*:点蚀电位当量值=%Cr+3.3%MO+16%N

双相不锈钢性能

双相不锈钢具有以下理想性能：

1) 强度

双相不锈钢的强度是普通奥氏体和铁素体不锈钢的两倍，拉伸和屈服强度一般也更高，但是韧性较奥氏体不锈钢差一些。

2) 韧性和塑性

双相不锈钢韧性和塑性优于铁素体不锈钢，但不如奥氏体不锈钢。

3) 切削性

低速、常规喂料速度条件下，双相不锈钢加工硬化趋势最小，韧性优于304、316不锈钢，加工时会有长条切屑出现，最好使用断屑器进行处理。

4) 成型性，焊接性和热加工性

由于双相不锈钢的屈服强度高于300系列不锈钢，故初始成型压力也更高。低塑性使得成型困难，一般采用热加工成型方法。加工后通常热处理加热到950～1100℃快冷，采用完全退火处理可获得最佳性能。

5) 耐腐蚀性

耐腐蚀性主要取决于不锈钢的化学成分。铬用于抗氢致裂纹腐蚀。不锈钢中的铬、钼和氮含量尤为重要，双相不锈钢的含量范围和奥氏体不锈钢相当（如304或316到SAF2507—6%Mo不锈钢）

6) 抗应力腐蚀裂纹性

双相奥氏体不锈钢具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力，这是由于存在铁素体的缘故。对于标准奥氏体不锈钢（如304、316），在某些环境中如氯化物腐蚀，空气潮湿，高温条件下，应力腐蚀裂纹是个问题。

相关的成本因素

在相应的耐腐蚀性条件下，双相不锈钢的镍钼含量较奥氏体不锈钢要低。由于合金含量更低，双相钢的成本较低，特别是合金附加费高的条件下。另外，与奥氏体不锈钢相比，由于屈服强度的提高使双相钢的厚度减少成为可能。这样的结合，既减少了成本也减轻了重量。对于任何降低材料成本而不降低性能的可行方法都是人们关注的问题。双相不锈钢较单相更能有效地节省成本，与其它在腐蚀性条件下使用的材料相比成本要低。与300系列不锈钢相比，双相不锈钢也更节省成本，方式有所不同，它的屈服强度是300系列不锈钢的两倍，即承受同等载荷的条件下可以使钢材厚度减薄。由于双相不锈钢更容易加工和焊接，其制造成本较其它材料更低。当焊接高镍合金时，推荐使用小的初封底焊缝和低的热量输入。而双相不锈钢一般都采用更高的热量输入和轻微摆动焊接。双相不锈钢中的铁素体含量使焊接时更易熔合，这就节省了焊接时间。

双相不锈钢的切削行进速度与316高速工具不锈钢相当，较高镍不锈钢其切削加工时间更短。除非在极为恶劣的腐蚀性环境下，双相不锈钢的焊芯和焊接气体消耗也较少。

双相不锈钢的变型不是很复杂。它的弯曲和轧制成型可以采用和3525kg/sq.cm屈服强度的材料相同的方法进行。传统的轧机和模具可以制成各种形状的部件，这就减少了购买特制轧机和模具的额外成本。为了防止碳元素的进入，对轧机和模具唯一的要求是硬度至少为34RHC。

寿命周期成本

寿命周期成本分析（LCC）是从经济有效的角度选择材料作为最终产品，还是使用部件的定量分析方法之一。传统意义上选择用材总偏向于选择便宜的价格，而现在这可能不是最经济的选择方法，因为考虑到由于安装、常规维护和周期替代品而出现的实际成本，材料的寿命可能比产品或部件要求的短。进一步考虑到工厂、加工厂的设备安装耗时（设备未按期安装费时），对每种选材的成本控制要考虑时间成本。许多工厂的这项时间消耗成本远超过其它成本，必须考虑到寿命周期成本预算中。一般条件下，总寿命周期成本（LCC）分为以下几个组成部分：