双相不锈钢 (Duplex Stainless Steel, DSS) 是指微观组织中由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，见图1。通常要求两相各占总体积的50%，虽然没有正式的规定，但一般认为相对较少的相应至少占总体积的30%。

图1. UNS S32520双相不锈钢钢板在固溶退火和水淬条件下的显微组织。其相组成包含数量大致相等的扁平岛状奥氏体(明)和铁素体(暗)。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具备以下优点：

    1. 强度约为普通奥氏体不锈钢的两倍，可以承受更高的许用应力，同时利于实现结构的减薄减重;

    2. 冲击韧性优于铁素体不锈钢；

    3. 抗氢脆能力优于铁素体不锈钢；

    4. 具备更优异的耐氯化物应力腐蚀开裂能力;

    5. 镍含量比普通奥氏体不锈钢低得多，因此对镍价不太敏感。

第一代、第二代双相不锈钢

第一代双相不锈钢的应用始于20世纪30年代，其典型代表是Type 329 (S32900) and Uranus 50 (S32404)。由于合金中Cr和Mo的含量较高，这类材料具有优良的耐点蚀性能。第一代双相不锈钢的焊接性能较差。焊接后，在接头处和热影响区的奥铁两相比例会严重偏离母材原有的两相比例，造成韧性和耐腐蚀性的降低。性能虽然可以通过焊后热处理恢复，但第一代双相不锈钢的应用因其焊接性能不佳而受到限制。

20世纪70年代，通过在合金系统中定量添加N，双相不锈钢的焊接性能得到了很大的改善。这主要归因于氩氧脱碳工艺(AOD)的应用，AOD工艺可以以更加经济的方式添加N，其含量控制也更加精确。虽然，添加N最初只是因为它是一种比Ni更加廉价的奥氏体形成元素，但工程人员很快就发现了N元素带来的其它好处，例如提升材料强度，利于在焊后快速恢复所需的奥铁两相比例，以及增加局部耐腐蚀性等。N含量的增加使铁素体向奥氏体转变的温度升高，即使在多次热循环后也可在热影响区（HAZ）获得理想的奥铁两相平衡。N的有益影响使双相不锈钢能够在焊后状态下直接使用，极大的促进了第二代双相不锈钢的发展。精确添加并控制合体体系中的氮含量成为第二代双相不锈钢的最主要特征，氮的典型含量在0.15-0.40%的范围内。

双相不锈钢的分类

1969年，为了评估双相不锈钢在含氯介质中的耐蚀性，冶金学家引入了铬抗点蚀当量(Chromium Pitting Resistance Equivalent Number, PREN)的概念。最常用的PREN计算公式为：

PREN = %Cr + 3.3[%Mo + 0.5(%W)] + 16[%N]

该经验关系源于大量腐蚀测试结果的统计回归。通过合金中Cr、Mo、W和N的含量，表征不锈钢耐点蚀和耐缝隙蚀性的相对能力。依据合金化程度的高低可将双相不锈钢分为四类（详见ISO17781）。

        节约型双相不锈钢        Lean DSS            (24≤PREN≤30)

        标准型双相不锈钢        Standard DSS      (30<PREN<40)

        超级型双相不锈钢        Super DSS          (40≤PREN<48)

        特超级型双相不锈钢    Hyper DSS          (48≤PREN≤55)

节约双相不锈钢的特点是Ni和/或Mo含量较低。为了补偿Ni含量偏低造成的奥氏体相占比较低，需提高合金体系中N和Mn的含量。节约型DSS具有非常好的强度和耐腐蚀性，适用于结构承力材料，罐体材料，以及对抗氯化物应力腐蚀开裂要求较高的服役环境。

标准DSS通常含有22-25%的Cr以及2-3%的Mo，是迄今应用最广的双相不锈钢。其中，2205合金(S32205)是标准双相不锈钢中的主力，是迄今为止所有第二代双相不锈钢中使用最广泛的。产品形式几乎覆盖所有的金属材料形式。

超级双相不锈钢通常具备较高的Cr, Mo和N(或者W)含量，以确保PREN达到40以上。这类双相不锈钢在抗氯化物点蚀性能方面与6%Mo超级奥氏体不锈钢大致相当，广泛应用于化学工业，污染控制，海洋环境，酸浸采矿等腐蚀环境恶劣的领域。

以S32707和S33207为代表的特超级双相不锈钢专为酸性和含氯化物腐蚀环境设计。虽然Cr，Mo含量的增加进一步提升了合金的耐腐蚀性，但同事也使特超级双相不锈钢具有更强的第二相析出倾向，这也意味着加工过程中需要更加严格的控制。目前，这类双相不锈钢仅提供无缝管和管材。

双相不锈钢的力学性能

双相不锈钢的特点是结合了铁素体和奥氏体的性能优点，获得了优良的综合性能。双相不锈钢的屈服强度大约是普通奥氏体不锈钢的两倍，同时保持了一定的延展性。在退火状态下，双相不锈钢具有良好的常温韧性。通过添加N等工艺改进，第二代双相不锈钢的焊接性能也得改善，在焊后状态仍能焊缝和热影响区的韧性和耐腐蚀性。

双相不锈钢的抗疲劳性能与铁素体钢类似，具有固定的疲劳极限。因此，结构钢的疲劳设计规则也适用于相同强度水平的双相不锈钢。双相不锈钢的热膨胀系数和传热特性等物理性能介于铁素体和奥氏体不锈钢之间。

抗腐蚀性能

点蚀和缝隙腐蚀

双相不锈钢的铬含量通常高于耐腐蚀性同级别的奥氏体不锈钢，其钼含量一般介于1%-6.5%之间。双相不锈钢的耐氯化物侵蚀的耐缝隙腐蚀性涵盖了非常广泛的范围，并且与PREN成正比。

节约型双相不锈钢，如S32001、S32101和S32202，它们的点蚀和缝隙耐蚀性优于304L不锈钢，接近316L不锈钢。标准型双相不锈钢如2205，其抗点蚀性基本等同于904L不锈钢。超级双相不锈钢具有与6%Mo超级奥氏体不锈钢相似的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。耐蚀性更高的特超级双相不锈钢，其抗点蚀性能与Ni-Cr-Mo合金C276(N10276)接近。

图2. 各种双相和奥氏体不锈钢的临界点蚀温度CCT和临界缝隙腐蚀温度CPT 图3. ASTM G150临界点蚀温度与PREN的关系

耐氯化物诱发应力腐蚀开裂

双相不锈钢具有相当优异的抗氯化物诱发应力腐蚀开裂 (SCC) 性能，这也是它获得广泛应用的一个重要原因。然而，双相不锈钢并不是对应力腐蚀开裂完全免疫。随着环境温度的升高和氯化物浓度的提升，双相不锈钢的应力腐蚀开裂倾向逐渐增强。例如，所有双相不锈钢和奥氏体不锈钢在浓缩沸腾氯化镁溶液中都会发生应力腐蚀开裂，见图4。

图4. 扫描电镜得到的S32750试样在155°C的45% MgCl2中放置24小时后的应力腐蚀开裂

其他类型的应力腐蚀测试包括在沸腾NaCl和CaCl2溶液中的浸泡试验。实验结果显示双相不锈钢具有与6%Mo超级奥氏体不锈钢相当的耐氯化物应力腐蚀开裂性能。

为确保双相不锈钢的的耐腐蚀性和韧性同时满足要求，必须从微观组织的层面使奥氏体-铁素体两相达到目标比例，且避免有害第二相的析出。有害的第二相主要包括金属间化合物（例如sigma相和chi相），碳化物和氮化物，以及α’相的析出。双相不锈钢的成分设计和生产工艺的核心就是确保微观组织中奥铁的占比，同时避免有害第二相的析出。

有害第二相的析出

有害第二相的析出严重损害双相不锈钢的韧性和耐腐蚀性能。合金成分直接决定不同第二相析出的临界温度范围。生产过程必须关注产品的热加工、热处理和焊接等热循环过程中的累计次数和时间，以避免耐腐蚀性和韧性的损失。

图5. 双相不锈钢中的第二相TTT曲线

对于标准型，超级和特超级双相不锈钢，有害第二相析出倾向最强的温度区间是700至955°C。在该温度范围内，典型的有害第二相包括sigma相和chi相，如图6所示。Sigma相是由Fe-Cr-Mo金属间化合物，析出过程中会消耗一定量的Cr和Mo，从而造成周边区域贫Cr，贫Mo，降低这些位置的耐腐蚀能力。因为第二相往往在晶界位置优先析出，容易引发晶间腐蚀。另一方面，sigma相为硬脆相，非均匀析出会对材料韧性会产生较大危害。

N含量的增加可以显著降低sigma/chi沉淀反应的速率，使第二代双相不锈钢焊后基本可以保持原有的耐腐蚀性和韧性。然而，为严格控制Sigma相的析出，仍需对热处理后冷却速率，焊接热输入以及焊接层间加以控制。

Cr和Mo含量的增加会缩短有害相的形成时间（析出相的C曲线左移），因此要求在热处理后实施更快的冷速。例如，超级双相钢2507(S32750)在900到925℃范围暴露一分钟即表现出内部性能损失。而标准型双相不锈钢2304(S32304)在相同温度区间暴露大约80分钟后，材料内部才会显现除性能损失。

节约型双相不锈钢形成Sigma相的时间很长，通常会超过100小时。因此对于节约型双相不锈钢，Sigma相而言不是很突出的问题。节约型双相不锈钢在较低的温度区间（600—825°C）会析出碳化物和氮化物，同样会造成耐腐蚀性和韧性的损失。不同合金类型的双相不锈钢产生性能损失的析出相不相同，需要在生产中根据成分和工艺区别控制。

有害相一旦析出，只能通过充分固溶使它们完全回溶并实现均匀化分布，并严格控制冷却速率防止再次析出。

图6. UNS S32205 900℃时效 30分钟后的显微组织，金相显示大量的sigma奥氏体/铁素体晶界上的沉淀。

α’相通常在315至525℃之间的温度下在铁素体相中析出，严重危害双相不锈钢的室温韧性。475°C温度下合金的室温韧性损失最明显，故将这种现象称为475°C脆化。考虑到避免α’相析出造成材料的室温韧性韧性，部分标准和规范将双相不锈钢的最高应用温度限制在300°C内。因为组织当中铁素体的存在，双相不锈钢整体表现出韧脆转变的特点。虽然双相不锈钢的韧脆转变曲线比较平缓，但其在低温环境下的应用也受到很大的限制。多数法规规定，双相不锈钢的最低应用温度不得低于-50℃。

焊接性能

常见的弧焊工艺都可以用于双相不锈钢的焊接。施焊前应确保母材满足规范要求的化学成分、热处理状态、力学性能和耐腐蚀性能。ASTMA923和ASTM A1084是常见的双相不锈钢材料规范。一般而言，如果母材中的N含量偏规范区间的下限或组织中存在少量的有害第二相，则热影响区的耐腐蚀和室温韧性很难得到保障。

焊接热输入的控制是双相不锈钢焊接的核心，应在焊评过程中仔细评估确认。热输入过低可能导致热影响区冷速过快，造成热影响区相组成中铁素体含量偏高。过高的热输入则会使热影响区长时间处于有害第二相的析出温度区间，促进有害相析出，导致热影响区脆化。例如2205合金在大约850°C条件下只需要大约5分钟即可析出Sigma相。而对于合金化程度更高的超级双相不锈钢，850°C条件下Sigma相的析出仅需要1分钟左右。由于双相不锈钢焊后最突出的问题表现为韧性或耐腐蚀性的损失，谨慎的做法是在焊评中同时包含设计温度下的韧性测试（如夏比v形缺口冲击测试）和耐腐蚀性测试。常用的双相不锈钢试验方法包括：

                        ASTM A923 / ISO 17781    适用标准型和超级双相不锈钢

                        ASTM A1084 / ISO 17781    适用节约型双相不锈钢

此外，也需要关注焊接形式和焊件形状对冷却速度的影响，例如在厚板上焊装衬板的情况。必要时，可以通过适当的预热或控制层间温度达到控制冷速的目的，保证组织中奥氏体的占比，从而保证良好的韧性和耐腐蚀性。在双相不锈钢的焊评中必须包含关于焊缝和热影响区最大受热次数和时间的规定，其中包括返修引入的热影响。在进行必要的返修前，必须关注焊件的受热记录。受热次数和时间一旦超过含批评规定的上限，则热影响去的耐蚀性和室温韧性将受到损失。为保证双相不锈钢焊后与母材具备同级别的耐腐蚀性和室温韧性，一般要求焊材中包含有较高的镍。例如，2205合金常用焊材牌号为2209，其Ni含量约为9%，比母材多3-4%。选择双相不锈钢焊材时可以咨询母材生产厂家的建议。焊接方法直接影响焊缝金属的韧性等级。非熔剂保护通常比溶剂保护焊得到更好的焊缝韧性。不同焊接方法获得的双相不锈钢焊缝金属韧性如下:

                                                GTAW > GMAW > FCAW > SMAW > SAW

一般来说，偏碱性焊剂有利于双相不锈钢焊缝保持冲击韧性。309L型焊材是双相不锈钢与碳钢焊接时常用焊材。焊接超级双相不锈钢与钼含量较低的奥氏体不锈钢时，通常选用309LMo焊材。在奥氏体不锈钢结构中焊接双相不锈钢构件时，应考虑两种材料在强度和膨胀系数方面的差异。双相不锈钢的高强度及其相对较低的膨胀系数可能会对焊缝以及主结构造成较高的残余应力。