材质双相不锈钢
双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量少也需要达到30%的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。
优缺点
与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：
（1）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%，有利于降低成本。
（2）具有的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的问题。
（3）在许多介质中应用普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的 316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。
（4）具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。
（5）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。
（6）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。
与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：
（1）应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度控制在250摄氏度以下。
（2）其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷，热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。
（3）存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。
与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：
（1）综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。
（2）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。
（3）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。
（4）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。
（5）应用范围较铁素体不锈钢宽。
与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：
合金元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。
焊接特性
双相不锈钢具有良好的焊接性能，与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比，它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂纹比较敏感。双相不锈钢由于其特殊的优点，广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域，近些年来也被研究用于桥梁承重结构领域，具有很好的发展前景。节约型双相钢"经常会出现的焊接性能问题。而焊接标准双相钢并不是一个问题，而且不论采用何种工艺，都有适合这些应用的焊材。从金相的角度来看，焊接2101（1.4162）根本就没有问题，实际上它甚至要比标准级的双相钢更加容易焊接，因为这种材料事实上可以采用乙炔焊工艺来进行焊接，而对于标准双相钢材料而言，始终避免使用这种工艺。焊接2101所面临的实际问题是熔池的粘度不同，因此可湿性差了一点。这迫使操作人员在焊接的过程中更加多地使用电弧焊，而这正是问题的所在。尽管可以通过选择超合金化焊材加以弥补，但是我们经常希望选择匹配的焊材。2101节镍双相不锈钢典型显微组织在2101中，也存在低温热影响区和高温热影响区中的显微结构之间的热影响区相互作用，比2304、2205或2507更加有利。在以2101进行试验时，也已经发现由于镍含量较低，因此产生了含有较多氮与锰的不同类型的"回火色"，而这影响了腐蚀性能。在电弧和熔池中发生的这一成分损失是由于氮与锰的蒸发与熔敷，这对于双相钢等级的材料来说是一个新问题，因此在这次讲课中将作了较多描述。
影响因素
影响双相不锈钢焊接质量的因素主要体现在以下几方面：含N量影响Gómez de Salazar JM等人研究了保护气体中 N2的不同含量对双相不锈钢性能的影响。结果表明，随着混合气体中 N2分压 PN2的增加，焊缝中氮的质量分数ω（N）开始迅速增加，然后变化很小，焊缝中的铁素体相含量φ（α）随ω（N）增加呈线性下降，但φ（α）对抗拉强度和伸长率的影响与ω（N）的影响刚好相反。同样的铁素体相含量φ（α），母材的抗拉强度和伸长率均焊缝。这是由于显微组织的不同所造成的。双相不锈钢焊缝金属中含 N 量提高后可以改善接头的冲击韧性，这是由于增加了焊缝金属中的γ相含量，以及减少了Cr2N 的析出。热输入影响与焊缝区不同，焊接时热影响区的ω（N）是不会发生变化的，它就是母材的ω（N），所以此时影响组织和性能的主要因素是焊接时的热输入。根据文献 ，焊接时应选择合适的线能量。焊接时如果热输入太大，焊缝热影响区范围增大，金相组织也趋于晶粒粗大、紊乱，造成脆化，主要表现为焊接接头的塑性指标下降。如焊接热输入太小，造成淬硬组织并易产生裂纹，对HAZ的冲击韧性同样不利。此外，凡影响冷却速度的因素都会影响到 HAZ 的冲击韧性，如板厚、接头形式等。σ相脆化国外文献介绍了再热引起的双相不锈钢及其焊缝金属的σ相脆化问题。母材和焊缝金属的再热过程中，先由α相形成细小的二次奥氏体γ*，然后析出σ相。结果表明，脆性开裂都发生于σ相以及基体与σ相的界面处，对母材断口观察表明，在σ相周围区域内都为韧窝，由于α相区宽，大量生成的σ相才会使韧性降低，然而在焊缝中α相区是细小的，断口仍表现为脆性断裂，只要少量的σ相生成就足以引起焊缝金属韧性的降低，因此，焊缝金属中的σ相脆化倾向比母材要大得多。氢致裂纹双相不锈钢焊接接头的氢脆通常发生于α相，且氢脆的敏感性随焊接时峰值温度的升高而增加。其微观组织的变化为：峰值温度增加，γ相含量减少，α相含量增加，同时由α相边界和内部析出的Cr2N 量增加，故极易发生氢脆。应力腐蚀开裂母材和焊缝金属中的裂纹都起始于α/γ界面的α相一侧，并在α相内扩展。奥氏体（γ）由于其固有的低氢脆敏感性，因此，可起到阻挡裂纹扩展的作用。由于DSS 中含有一定量的奥氏体，所以其应力腐蚀开裂倾向性较小。
点蚀问题
耐点蚀是双相不锈钢的一个重要特性，与其化学成分和微观组织有着密切关系。点蚀一般产生于α/γ界面，因此被认为是产生于γ相和α相之间的γ*相。这意味着γ*相中的含Cr量低于γ相。γ*相与γ相的成分不同，是由于γ* 相中 的Cr 和Mo含量低于初始γ相中的Cr、Mo含量。进一步研究表明，含N量较低的钢，其点蚀电位对冷却速度较为敏感。因此，在焊接含 N 量较低的双相不锈钢时，对冷却速度的控制要求更加严格。在双相不锈钢焊接过程中，合理控制焊接线能量是获得双相不锈钢接头的关键。线能量过小，焊缝金属及热影响区的冷却速度过快，奥氏体来不及析出，从而使组织中的铁素体相含量增多；如线能量过大，尽管组织中能形成足量的奥氏体，但也会引起热影响区内的铁素体晶粒长大以及σ相等有害相的析出。一般情况下，焊条电弧焊（Shieded Metal Arc Welding，SMAW）、钨极氩弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）、药芯焊丝电弧焊（Flux-Cored WireArc Welding，FCAW）和等离子弧焊（Plasma Arc Welding，PAW）等焊接方法均可用于双相不锈钢的焊接，且在焊般不需要采取预热措施，焊后也不需进行热处理。
工艺提升
1）合金元素和冷却速度
实验和理论计算表明：临界区加热后获得双相组织所需的临界冷却速率与钢中锰含量具有一定关系。其根钢中存在的合金元素，就可估算获得双相组织所需要的临界冷却速率，为热处理双相钢生产时，选择适当的冷却方法提供依据。
当钢的化学成分一定时，应在获得双相组织的前提下，尽可能采用较低的冷却速度，使铁素体中的碳有充分的时间扩散到奥氏体中，从而降低双相钢的屈服强度，提高双相钢的延性。如果钢中合金元素含量较4，临界冷却速度过高，冷却后铁素体中含有较高的固溶碳，不利于获得优良性能的双相钢，这时应改变钢的化学成分，增加钢中的合金元素含量，从而降低临界冷却速度，或者在双相钢的生产工艺中，加入补充回火工序，降低铁素体中的固溶碳，改善双相钢的性能。如果钢中含有强的碳化物形成元素，当估算临界冷却速率时，应考虑到这些元素对临界区加热时所形的奥氏体淬透性和有利影响，V和Ti的碳化物粒子可以通过相界面的钉扎作用提高奥氏体的淬透性，降低临界冷却速度.
2）两阶段冷却工艺
当钢中合金元素含量较低时，冷却速度较慢会得到铁素体加珠光体组织；冷却速度较快时，则铁素体中保留固溶碳较高，不利于降低屈服强度和提高延性。采用两阶段冷却可以改善双相钢的性能，即从临界区加热温度缓冷到某一温度，然后快冷。缓冷可以使铁素体中的碳向未转变的奥氏体富聚。而快冷则可以避免未转变的奥氏体等温分解，获得所需的双相组织和性能。例如0.08%C-1.4%Mn钢，从800℃；加热到水冷的力学性能为：σ0.2=365PMa，σb=700MPa，σ0.2/σb=0.52，eu=18%，et=21%。如采用两阶段冷却工艺，即在800℃；加热后，空冷到600℃；，然后水冷，其性能为：σ0.2=280MPa，σb=600MPa，σ0.2/σb=0.47，eu=21%，et=29%。两阶段冷却使双相钢的屈服强度降低，延性提高。
3）双相钢板热轧后盘卷温度的影响
对于一个给定成分的钢，临界区加热时奥氏体的淬透性可以通过钢板热轧后高温卷来修正。高温盘卷可使碳、锰等合金元素在第二组（珠光体或贝氏体）中明显富集。有利提高随后临界区处理时双相钢的综合性能。以0.049%C-1.99%Mn-0.028%Al-0.0019%N钢的试验结果为例，采用两种工艺过程：一种为普通扎制工艺，终轧温度900℃；→油冷到600℃；盘卷→吹风冷到室温→冷轧70%→连续退火。两种盘卷工艺的碳和锰分布的分析结果可见高温盘卷可使碳和锰在第二相中明显富集，而普通的轧制工艺锰基本无富集趋势。
用高温盘卷以修正合金含量较低的钢在随后临界区处理时的淬透性，并降低热处理双相钢的屈服强度，提高其延性的技术，已在有关工厂用于热处理双相钢的生产，所得到的热处理双相钢板综合性能良好，板材各部位的性能均匀，纵向、横向性能一致。例如对0.09%C-0.44Si-1.54%Mn-0.023%Al钢。
焊材选用要求
焊材要求焊材包括：①填充金属；②保护气体和背面保护气体。分述如下。在焊态下使用的焊接结构，其焊缝金属与母材相比应是合金元素镍含量较高的。这是为了合适的铁素体和奥氏体的相比例。这一纯焊缝金属在焊态下，有这样的成分，即能在结晶后直接均匀地形成以奥氏体为主（30%～70%）的并含有铁素体的双相组织。当焊件可在1050～1100℃温度下退火时，应该选择与母材成分（Ni=55%～70%）相当的焊缝金属。在这种焊接工艺中，焊后占主要的铁素体基体转变形成了平衡的铁素体/奥氏体组织。焊接双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊材均是配套设计的。手工焊用的涂药焊条既可以用钛型药皮焊条，也可以用碱性药皮焊条。碱性药皮的焊条对全位置的焊接更适宜一些，而铁型悍条工艺性优良，在几乎所有的实际应用中都可获得满意的效果。采用填充焊丝和其他焊接方法（GTAW、GMAW、SAW）熔敷的焊缝金属与焊丝有类似的化学成分。焊材要求示意图(3张)保护气体适用于各种气体保护焊方法。双相不锈钢的配套焊接材料背面保护气体用于单面焊的焊管内部气体保护，即可以用于工业纯氩气，也可以用于高纯度氩气（99.99%）。在所有情况下，气体都应该干燥（PrEN439：除CO2外，所有气体大不超过40ppm露点高-50℃，CO2中的水分大不超过200ppm，露点高为-35℃），因该采取各种措施避免水分侵入保护气体中。保护气体和背面保护气体对焊缝金属的含氮量有影响。由于保护气体中的N2分压低，可能从焊缝熔池中扩散出N2，从而使焊缝金属氮量降低，大可减少0.05%N2。存在这种危险时，在保护气体和背面保护气体中加入5%N2，以防止焊缝金属N2损失。
焊材选用
双相不锈钢用的焊材，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，主要耐蚀元素（铬、钼等）含量与母材相当，从而与母材相当的耐蚀性。为了焊缝中奥氏体的含量，通常是提高镍和氮的含量，也就是提高约2%~4%的镍当量。在双相不锈钢母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否则会产生气孔。这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个主要区别。根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条，如焊接Cr22型双相不锈钢，可选用Cr22Ni9Mo3型焊条，如E2209焊条。采用酸性焊条时脱渣优良，焊缝成形美观，但冲击韧性较低，当要求焊缝金属具有较高的冲击韧性，并需进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。当根部封底焊时，通常采用碱性焊条。当对焊缝金属的耐腐蚀性能具有特殊要求时，还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。对于实心气体保护焊焊丝，在焊缝金属具有良好耐腐蚀性与力学性能的同时，还应注意其焊接工艺性能，对于药芯焊丝，当要求焊缝成形美观时，可采用金红石型或钛钙型药芯焊丝，当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束度条件下焊接时，宜采用碱度较高的药芯焊丝。对于埋弧焊宜采用直径较小的焊丝，实现中小焊接规范下的多层多道焊，以防止焊接热影响区及焊缝金属的脆化，并采用配套的碱性焊剂。
双相不锈钢的耐腐蚀性能
双相不锈钢在绝大多数标准奥氏体不锈钢应用的环境都显示出高的耐蚀性能，这是由于它们含铬量高，在氧化性酸中很有利，并且含有足够量的钼和镍，能耐中等还原性酸介质的腐蚀。双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量也使它们具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能，其双相结构在可能发生氯化物应力腐蚀断裂的环境是一个优势。如果双相不锈钢的显微组织中含有至少 25%到 30%的铁素体，则其耐氯化物应力腐蚀断裂的性能远比奥氏体不锈钢 304 或316强。但铁素体易发生氢脆，因此双相不锈钢在氢有可能进入金属的环境或应用中耐蚀性不高，会发生氢脆。
耐应力腐蚀断裂
双相不锈钢早期的某些应用是基于它们耐氯化物应力腐蚀断裂(SCC)的性能。与具有类似耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能的奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢表现出明显的耐应力腐蚀断裂性能。双相不锈钢在化学加工工业的许多应用都是在有很大的应力腐蚀断裂危险的场合，代替奥氏体不锈钢的使用。然而，和其他所有材料一样，双相不锈钢在特定条件下也易于发生应力腐蚀断裂。这种情况可能发生于高温、含氯化物的环境或存在促使氢致断裂的介质条件。双相不锈钢可能会发生应力腐蚀断裂的环境条件如42%的沸腾氯化镁溶液试验，金属处于高温并暴露于加压含水氯化物系统的液滴热发试验，系统中的温度可能常压下的温度。
表4总结了在不同腐蚀程度的各类试验介质中，几种不锈钢的氯化物应力腐蚀断裂行为。表左右两侧介质分别由于含有酸性盐和温度高，介质条件苛刻。表中间的介质条件不那么苛刻。钼含量小于4%的标准奥氏体不锈钢在所有这些条件下均发生氯化物应力腐蚀断裂，而双相不锈钢能够耐受上述中间范围的温和介质条件。
