双相不锈钢的研究进展

秦 琴，李崇瑛，李晟哲，刘俊良

(四川大学锦城学院智能制造学院，成都 611731)

双相不锈钢(DSS)是一种拥有优秀力学特性、较好抵抗氯化物腐蚀能力、并在耐腐蚀疲劳方面表现优异的一种节镍不锈钢，其广泛应用于现代结构材料，如化学品、船、桥梁与混凝土钢筋、建筑设施、深海油田、海水淡化、烟气脱硫(FGD)等方面。

1 双相不锈钢研究现状

双相不锈钢由铁素体/奥氏体相构成，其研究热点是进一步提高双相不锈钢在特殊环境中的耐腐蚀性等。研究发现，双相不锈钢中铁素体相和奥氏体相及其内部的各类析出物质对其性能影响较大。张亚男[1]分析了固溶处理温度与合金元素组成含量对双相不锈钢抵抗腐蚀性能的影响，得出抵抗点蚀特性和耐缝隙腐蚀最佳成分配比为Ni-8%、Mo-3%、Cu-4%，最适宜的固溶处理温度为1 150℃。李艳玲[2]等研究了2205双相不锈钢中通过固溶处理工艺改善DSS的耐腐蚀性能，研究表明，固溶处理温度升高，钢中铁素体含量呈上升趋势，奥氏体含量反而在不断下降。在pH值不同的溶液中，双相不锈钢的耐腐蚀性能也有差别。钱张信[3]等分析了2507双相不锈钢中σ相的析出与其力学性能在时效处理工艺不同时的状态，研究发现，高温区域，时效处理温度下降，σ相的析出量随之增加，双相不锈钢的塑性在下降；中温区域，时效温度不断升高，双相不锈钢中σ相的析出量随之增加，但析出时间比高温区域析出时间长。

2 双相不锈钢性能的影响因素

2.1 合金元素

双相不锈钢中合金元素有很多，以Cr、Ni、N、Ti等为主要合金元素，分析其对双相不锈钢性能的影响。

陈蓉[4]等研究了Cr含量对双相不锈钢组织和性能的影响，研究发现，适当增加Cr含量，双相不锈钢中铁素体含量会不断增多，而奥氏体含量削减，随Cr含量上升，由于点蚀导致双相不锈钢质量损失现象急剧降低，抵御晶体间腐蚀能力也有所提高。

靳佳瑞[5]等研究了热输入对LDX 2304节镍型双相不锈钢点蚀行为的影响，总结出Ni元素并未参与钎焊界面处的化学反应，而是与焊料中的Ti元素结合成合金相，稳定两相平衡。

李明[6]等分析了N元素对双相不锈钢组织和结构的影响，研究发现，带状N元素偏聚区域在双相不锈钢管沿裂纹约100 μm宽内，以奥氏体单相组织为主，N元素成分伴随裂纹消失也同步下降，与之相反，铁素体则不断提升，因为裂纹处距离较远的地方是合格的双相不锈钢组织。杨吉春[7]等分析发现，增N降Ni处理后，塑性呈一定的下降趋势，但影响并不明显。黄伟林[8]等总结了N在深冷处理过程中起到稳定奥氏体的作用，并通过实验证明N含量越高，双相不锈钢的抗拉强度和延伸率就越大。

曹静[9]等发现通过添加微量的Ti合金元素，可以帮助铁素体在双向不锈钢中的形成，并提升其含量，可以抑制富Cr相的产生。顾玥[10]研究发现，在双相不锈钢中加入合金元素Ti，可改变双相不锈钢中Cr元素的形成机制，这在很大程度上导致双相不锈钢结构构成，进而使其抗腐蚀特性发生变化。

2.2 σ相的析出

σ相由于含有大量的Cr、Mo，坚硬，易碎，往往产生于α/γ相界，严重影响了双相不锈钢的韧性和可塑造特性[11-12]。由于含有大量的Cr、Mo，因此在σ相附近会缺少Cr、Mo元素，造成双相不锈钢的耐点蚀性能下降[13-14]。李国平[15]等对含W的S32760超级双相不锈钢进行不同温度时效热处理研究σ相的析出行为，试验钢析出大量由Fe、Cr、Mo和W组成的具有正方结构的σ相，同时双相不锈钢板强度和硬度高，塑性差，延伸率低于4%。

吴天海[16]研究了双相不锈钢采用不同因子工艺处理后的σ相析出情况。不同因子指的是时效温度及时间。实验显示，析出的σ相通常包括两种形成机理：由奥氏体及铁素体两种相界中通过层状共析现象而产生M23C6碳类物质及奥氏体的子相，并在这两种混合物质边界处产生σ脆性相；与之对应的是铁素体在不受任何其他因子影响下产生共析现象，随即形成σ脆性相和子相奥氏体。

2.3 变形温度

梁丽霞等[17]分析了变形温度对超级双相不锈钢S32750性能的影响。结果表明，在选定的变形量下，随着温度增加，铁素体的量大幅度增加，由于其增加导致的强化能力提升远远超过因增加导致的晶粒变大等不利因素，因此表面温度不断提升时，试样的抗拉伸强度亦会逐步增加，伸长率达到峰值32%后开始下降。研究发现，1 200℃上下为双相不锈钢最佳的铸造工艺温度，此时双相不锈钢的可塑造性能最佳[18-21]。

2.4 冷却速率

何红等[22]研究了冷却速率对一种建筑用材双相不锈钢构成和特性可能产生的影响。实验结果显示，冷却速率不会对其强度产生过多影响，但是冷却速率越快，开裂倾向越大；如果冷却速率越慢，双相不锈钢中越易析出σ相，塑性和韧性会明显下降。只有适当降低冷却速率或提高终冷温度才能改善淬火应力，提升双相不锈钢的综合性能。

2.5 固溶处理

固溶处理可以调整铁素体相和奥氏体相比例，影响双相不锈钢的性能，但是固溶温度是关键。王小勇等[23]研究了固溶温度对双相不锈钢性能的影响，实验表明，固溶温度较低时，双相不锈钢中更易产生σ相，使其抗塑特性和抗腐蚀性能大幅下降；固溶温度较高时，可减少σ脆性相的析出，改善双相不锈钢的塑性和耐蚀性。

2.6 热处理工艺

研究发现，不同热处理工艺下，双相不锈钢的铁素体相与奥氏体相比例差异很大，耐蚀性能也有很大差别。安笑频[24]等发现当双相不锈钢发生热变形时，变形温度和应变速率是影响双相钢中两相所占比例的关键，同时影响其热变形过程中的软化机制，使其产生稳定的塑性变形。卢盼盼[25]等提出850℃、4 h时效处理后的σ脆性相析出形貌，揭示出σ脆性相的形成机理、析出特征和时效处理对4A双相不锈钢力学性能与耐腐蚀性能的影响。实验结果表明，高温状态下，铁素体会分解产生富含Cr、Mo而贫Ni的σ脆性相，其结构为空间四方结构，硬而脆。随着时效温度的升高，σ相的析出量先增加后减小并在850℃时达至峰值；如果在同一温度条件下时效处理时间越长，σ脆性相析出则越多。σ相使双相不锈钢硬度有轻微提高，材料的冲击韧性、抗拉强度和耐腐蚀性整体呈下降趋势，其中冲击韧性对σ脆性相析出尤为敏感，所以采取合理的加热处理能够保证双相不锈钢特性更明显。

3 结语

很多外界条件都会影响双相不锈钢特性，适量其他金属元素的添加和适当热处理工艺会优化双相不锈钢性能。其中，Cr、Ti可提高双相不锈钢的耐蚀性和屈服强度；Ni可稳定双相不锈钢的两相比例；N可提高双相不锈钢的抗拉强度和延伸率；σ析出相可提高其抗冲击性能和可再塑性能，适当加热操作可使双相不锈钢的两相比例均匀，耐蚀性能有所提高。