双相不锈钢选用和加工制造中的注意事项

双相不锈钢的加工制造并不困难，但是有所不同

这是2205双相不锈钢等温析出曲线，1050°C (1920 ̊F) 退火 (同时给出了2304和2507双相不锈钢σ相和氮化物析出曲线作为对比)。

所以必须

控制加热过程，降低形成二次相的风险；

开发适用的焊接、成形、机加工和热处理工艺；

双相不锈钢的使用温度限定在 -40℃ ~ 315℃。

常见注意事项

1

避免长时间处于σ相形成的温度范围

在生产和加工双相不锈钢过程中，必须避免σ相的形成。尽量缩短暴露在临界温度范围的时间。需要注意的地方包括：

多道次焊接的热输入；

在先前焊接的部位进行修补焊；

轧钢厂固溶退火过程中保持快速冷却。

一个例子

2.5 英寸厚的2507双相不锈钢管板与碳钢管壳焊接，在焊缝热影响区出现裂纹。裂纹仅在2507双相不锈钢这一侧发生， 出现在有明显σ相析出的部位，而σ相出现在2507母材上，与焊接无关。设备从未使用过。进一步调查发现，由于固溶退火水淬时喷水嘴堵塞，造成冷却不均匀，导致σ相在管板上析出。

2

避免冷却速度过快造成铁素体相过多

冷却速度过快造成铁素体相过多，焊缝热影响区易受影响，特别关注的区域包括：引弧和焊接飞溅、吹洗、TIG根部焊接、点焊、螺柱焊接、低热输入焊接、自熔焊（无填充金属）。

3

按ASTM A923 进行鉴定试验

4

规定奥氏体相和铁素体相的百分比

5

最高使用温度控制在≤ 315°C

6

采用阴极保护时注意避免氢脆

常被忽略的注意事项

1

应仔细去除焊接回火色

焊接回火色主要成分是铬氧化物，而回火色下面就是贫铬层，如下图。

双相不锈钢的耐腐蚀性主要来自于铬，特别是经济型牌号，所以回火色的存在（或清除不当）会大大降低不锈钢耐局部腐蚀性能。

经济型双相不锈钢，点蚀仅出现在未去除焊接回火色的地方，其它部位未受影响。

样品清理前存在回火色的区域，有非常严重的腐蚀

双相不锈钢的局部腐蚀往往是奥氏体相或铁素体相的选择性腐蚀，因此会造成腐蚀迅速蔓延、穿透更深。

经济型双相不锈钢受到氯离子腐蚀时，铁素体相会发生选择性浸出，导致腐蚀迅速扩散

2

经济型双相不锈钢氮化物的析出

经济型双相不锈钢不容易发生σ 相和χ相等金属间相的析出，但会由于碳化物和氮化物的析出导致韧性和耐腐蚀性下降。从TTT曲线看出，LDX2101双相不锈钢在700℃较短时间就发生韧性的损失。

冲击强度下降50%的曲线

600 – 750 ℃ 时效造成耐蚀性和韧性大幅降低的主要原因是铁素体相中有氮化物析出。

下图是 LDX 2101在不同时效温度下，室温冲击功下降的程度与时效时间的关系

测试溶液为 5% FeCl3+ 1% NaNO3，试样暴露24小时，耐蚀性能的下降如下图。

双相不锈钢LDX2101经NaOH浸蚀后的显微组织如下图所示：

可见，发生过氮化物析出和性能损失的样品，经NaOH侵蚀后的金相组织（图B和图C) 看上去与固溶退火的金相组织非常相似，采用NaOH侵蚀的方法很难发现氮化物析出。

草酸浸蚀法是揭示氮化物存在与否的首选方法

草酸浸蚀过的双相不锈钢LDX2101的显微组织如下图所示：

草酸侵蚀法是发现材料是否出现氮化物析出的最佳方式，在这里，氮化物表现为铁素体相中细的黑色析出物。ASTM A 1084标准可作为鉴定标准来确定材料是否发生不可接受的氮化物析出。

3

应变集中在双相不锈钢的焊缝

双相不锈钢焊缝的强度和加工硬化系数低于母材，导致焊后冷成形过程中应变较集中。例如，自熔焊焊缝的氮含量低于母材，造成加工硬化系数也有所不同。

一个例子

经济型双相不锈钢试样，ASTM A790，焊管，自熔焊缝位于标距长度中心位置，经过固溶退火处理，进行拉伸试验。

试样在焊缝处发生断裂，而力学性能检测结果显示强度是足够的，但是延伸率仅为18%，标准规定最低值为30%。力学性能检测结果如下表所示：

断裂试样的金相检查显示，拉伸试样的焊缝处发生断裂，断口处存在具有大量塑性变形的再结晶金相组织， 焊缝并没有有害二次相的析出和明显的韧性断裂，断裂试样的断面收缩率为38%。延伸率降低是由于应变集中在窄的焊缝上，造成2英寸标距长度上延伸率较低，断面收缩率较高。

为了避免此类问题：

1) 保护气体中应当加N，使得焊缝与母材的N含量和加工硬化系数有较好的匹配；

2) 挑选与母材加工硬化性能相近的填充金属（氮、镍含量相近）

机械性能的不一致会造成焊后冷成形过程中延展性的意外过载。高氮高强度双相不锈钢牌号，如经济型双相不锈钢和冷轧产品，最容易发生应变集中。

一个例子：经济型双相不锈钢液压成形封头失效

液压成型前，经济型双相不锈钢冷轧板采用2209填充金属进行GTAW焊接，2209填充金属的加工硬化系数低于S32101母材。在封头的冷成形中，由于应变集中在焊缝，造成经济型双相不锈钢液压成形封头在焊缝处出现韧性撕裂。

4

采用激光切割应注意应用场合

激光切割的特点：

激光束精确聚焦，切割质量高，速度快；

热量输入低；

冷却速度非常快；

热影响区很窄且铁素体含量较高 ；

切边的耐蚀性可能下降。

耐蚀性试验：

按照ASTM A1084 测试方法C，对S32101双相不锈钢试样采用5%FeCl3/ 1% NaNO3 溶液进行试验，暴露24小时。结果如下表显示，与修磨的切边相比，原切边的腐蚀速率明显较高。

5

蒸发条件下的氯化物应力腐蚀开裂

双相不锈钢常常由于其良好的耐氯离子应力腐蚀性能而被采用。在完全浸没的条件下，双相不锈钢耐氯化物腐蚀的能力非常好，但是下图中的氯化物SCC阈值仅适用于浸没条件。在蒸发条件下，发生开裂的温度阈值大大降低。

氯化物SCC阈值（全浸没、中性pH值、简单盐溶液）

由于许多盐有吸湿特性，如MgCl2，CaCl2和 FeCl3等在高于潮解点的相对湿度下形成浓缩盐溶液，蒸发状态造成不锈钢在比完全浸没状态下发生开裂的温度阈值低得多的温度下，即发生氯化物应力腐蚀开裂。在苛刻的海水蒸发条件下，有报道显示22%和25%Cr双相钢在70°C即发生开裂。

一个例子

2304U型弯头试样，应力面有 MgCl2 液滴，如图：

试样在40℃、相对湿度50%环境下暴露10周，MgCl2液滴下出现裂纹，如图

裂纹出现时的温度远低于全浸没状态下发生SCC的阈值温度。

• 选择不锈钢时，必须考虑蒸发条件和吸湿性盐沉积物存在的可能性；
• 相对湿度达到或略高于潮解点时，吸湿性盐会形成强腐蚀性盐溶液，导致发生SCC的温度远低于全浸没状态下SCC的阈值温度；
• 温度高于反应物料露点时，吸湿性盐会产生稳定的盐溶液；
• 服役环境必须低于潮解点，才能使盐处于干燥状态，不发生水溶液腐蚀。

结束语

对于成功地选择、制造和使用双相不锈钢，有许多众所周知和常用的措施。此外，还有一些未得到充分认知的注意事项应该引起广泛关注，包括：

去除焊缝回火色；

避免经济型双相不锈钢的氮化物析出；

在强腐蚀性环境中避免使用激光切割表面；

对于要求焊后冷成形的应用，应当避免焊缝与母材的强度及加工硬化率不匹配；

不锈钢在蒸发条件下发生氯化物应力腐蚀的温度阈值非常低。