原创 wind 金属材料加工技术及应用
（1）双相不锈钢的发展历程
双相不锈钢的发展历史最早可追溯至20 世纪30 年代，从其诞生直至当下，主要历经三个发展阶段双相钢 。AISI 329 为第一代双相不锈钢的代表钢种，该类双相不锈钢具有高铬和高钼这一突出优势，使其在耐局部腐蚀方面极为出色，被广泛应用在石油化工领域。进入70 年代，瑞典研发出的3RE60 钢凭借超低碳这一特性，在各类钢材中脱颖而出，成功取代了AISI 304L 不锈钢，一跃成为耐氯离子领域的常用材料。
随着氩氧脱碳精炼工艺的发展，炼制超低碳钢变得容易双相钢 。基于这一技术，科研人员通过向双相不锈钢中添加N 元素，成功研制出第二代新型含氮双相不锈钢。N 元素作为奥氏体形成及稳定元素，能够促使高温下的铁素体相转变为奥氏体相，从而有效维持双相不锈钢中两相比例的平衡。在第二代双相不锈钢中，不论是18Cr 型、22Cr型还是25Cr 型，大多数属于超低碳钢，并含有钼、铜等提高耐蚀性能的元素。以SAF2205 双相不锈钢为例，因其出色的综合性能，被广泛应用于石油平台集气管线、海水交换器等设备。
第三代双相不锈钢的发展主要呈现两大趋势双相钢 。其一为超级和特超级双相不锈钢，其典型代表钢种有Zeron 100、SAF 2507 以及SAF 3207 等。这些钢种具备碳含量极低、合金化程度高的特性，因此拥有极为优异的耐腐蚀性能，主要适用于强腐蚀环境，如在深海油气开采中，其设备与管道等便大量采用此类钢种；二是经济型双相不锈钢。由于铬、镍、钼等元素资源紧缺问题加剧，价格持续增长，致使不锈钢生产成本大幅上升。因此，各国纷纷将研究重心聚焦于经济型双相不锈钢。这类双相不锈钢选用价格相对低廉的N 元素，并搭配Mn 元素，以此替代成本高昂的Ni 元素。添加Mn 元素能够提升N 元素在钢中的固溶度，二者协同作用，共同稳固奥氏体相。当下，UNS S32101、UNS S32205 及UNS S32304 是目前应用最为广泛的经济型双相不锈钢。
表1展示了目前国内外常用的双相不锈钢牌号双相钢 。经济型双相不锈钢作为一种资源节约型的高性能产品，其生产与应用高度契合不锈钢未来的发展趋势。可以预见，在未来的发展过程中，经济型双相不锈钢在各类应用场景中的使用占比将持续上升，拥有可观的发展前景。
（2）双相不锈钢的元素组成及作用
C、N、Ni、Mn、Cr、Mo 等元素作为双相不锈钢制备过程中的常见元素，通过对双相不锈钢的成分进行合理设计，能够有效调控其组织与结构，这些微观层面的变化能够优化双相不锈钢的性能，使其可以更好地契合生产实际与多样化的使用需求双相钢 。
C 元素属于强奥氏体化元素，在促进奥氏体形成方面效果显著双相钢 。由于C 的半径相对较小，它能以间隙原子的形式融入晶格结构，通过固溶强化机制，进而提升钢的性能。然而自发展以来，过量的碳被人们视为主要危害因素之一，原因是C 与Cr、Mo等合金元素之间存在很强的结合力，极易在相界或晶界处生成碳化物。在这过程中会消耗Cr、Mo 等对耐腐蚀性能至关重要的元素，使得这些元素在基体中的含量降低，最终导致其整体耐腐蚀性能下降。
N 元素作为奥氏体化元素，能够促进奥氏体相形成双相钢 。值得一提的是，N 元素稳定奥氏体的能力十分突出，其稳定能力高达Ni 元素的30倍。基于这一特性，贵的Ni 元素能够部分甚至完全被N 元素所替代。通常情况下，N 元素与C 元素相同，在奥氏体的组织中以间隙固溶体形式存在，提升材料的性能。此外，N 元素在钢中的溶解度与Mn 含量存在紧密的关联性。研究表明，在常压条件下，向钢中添加10 wt.%的Mn 元素，钢内N 元素含量可提升至0.5 wt.%。
Ni 元素作为奥氏体相形成元素，其作用在于调节两相比例双相钢 。通常情况下，可通过调整Ni 的含量，来实现对奥氏体的体积分数及其稳定性的掌控。当Ni 元素的添加过量时，元素会呈现富集现象，形成脆而硬的σ 相，极大的损害双相不锈钢的塑性。反之，若Ni 元素的添加量过低时，会导致奥氏体在两相组织中的体积分数明显下降，同样会降低双相不锈钢的塑性和韧性。有研究表明，当双相不锈钢中两相的比例接近1:1 时，其综合性能最佳。
Mn 元素是奥氏体相形成元素，在成本方面，Mn 元素具有显著优势，同等重量下，锰的价格约比镍便宜7 至9 倍双相钢 。基于Mn 与Ni 元素在成本上的差异，在进行双相不锈钢成分设计时，合理用部分Mn 元素替代Ni 元素，可以有效降低生产成本。不仅如此，Mn 元素还会对双相不锈钢的变形机制产生影响，Mn 含量的增加会使奥氏体的层错能提高，改变奥氏体的形变机制。另外，Mn 还能提升钢中N 的溶解度，提高钢的强度与硬度，从而优化不锈钢的综合性能。
Cr 元素在双相不锈钢的成分中起到关键作用，能有效地扩大铁素体相区，并稳定铁素体相的结构双相钢 。一方面Cr 元素能够促使铁素体相的含量得以提高；另一方面可强化不锈钢表面钝化膜的稳定性，以此增强不锈钢的耐腐蚀性能。不仅如此，在钝化膜的修复能力上，Cr 元素也起重要作用。通常情况下，在不锈钢的成分设计中，若期望材料具备优良的耐腐蚀性能，Cr 元素的含量至少要在18%及以上。铬的添加量越高，其耐腐蚀性能就越强。
Mo 元素和Cr 元素一样，都属于铁素体稳定元素双相钢 。有学者研究证实，在海洋大气环境下，仅依靠添加Cr 元素不能避免不锈钢遭受腐蚀，而Mo 元素的添加起到提升耐腐蚀性能的作用，它会与钢中的一些其它元素协同作用，共同提高钝化膜的稳定性。然而，添加Mo 元素也会带来一些负面效应，Mo 元素会促进钢中金属间化合物的析出，这种析出会加剧钢的脆化倾向，最终对钢的加工性能产生不利影响。因此，在合金设计中需要权衡Mo 的添加量，以平衡材料的耐腐蚀性能和加工性能。（参考资料：Mn含量对20Cr经济型双相不锈钢力学性能和时效析出的影响_陈凯）
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