雙相不銹鋼是指固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半、且兩者的任一相比例不低于30%的不銹鋼。由于雙相不銹鋼含有約各占一半的奧氏體和鐵素體兩相組織的特點，通過正確控制化學成分和熱處理工藝，將奧氏體不銹鋼所具有的優良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起，使雙相不銹鋼兼具鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的性能特點。

1 雙相不銹鋼的發展歷程

盡管雙相不銹鋼年產量只占不銹鋼產量的不足1%，但是并不影響雙相不銹鋼在不銹鋼家族發展中的重要地位。雙相不銹鋼所具有的高合金、N合金化、雙相組織特點，使其天然具備了高強度、高耐腐蝕性能，從而成為在高端裝備應用中不可或缺的不銹鋼鋼類。

不銹鋼的發展已經有百年歷史，相對于其他不銹鋼鋼類而言，雙相不銹鋼的發明相對較晚，在20世紀30年代才出現。1935年法國獲得第1個雙相不銹鋼專利，20世紀雙相不銹鋼的發展經歷了3代。

第1代雙相不銹鋼以40年代美國開發的329鋼為代表，含高鉻、鉬，耐局部腐蝕性能好，但碳含量較高（碳質量分數不高于0.1%）；60年代中期瑞典開發的3RE60鋼已經是超低碳型雙相不銹鋼。

70年代以來，二次精煉技術的發展以及氮元素對維持相平衡、提高耐蝕性重要作用的發現，發展了超低碳型含氮第2代雙相不銹鋼，其代表鋼種為2205，這成為雙相不銹鋼的重要里程碑。

在此基礎上，通過進一步提高合金含量及耐點蝕當量PREN值，20世紀80年代后期發展了第3代雙相不銹鋼即超級雙相不銹鋼，其PREN值大于40，典型代表鋼種為2507，這類鋼中較高含量的鉻、鎳、鉬和氮等合金元素，較好地平衡了鐵素體和奧氏體之間的相比例，使之具有更佳的耐腐蝕性及更高的強度，為雙相不銹鋼在高端領域的應用提供了保障。

相對于國際雙相不銹鋼鋼種的發展，中國雙相不銹鋼的鋼種研發起步相對較晚，并在相當長的時間內處于跟跑國際雙相不銹鋼研發的階段。20世紀70年代，中國鋼研集團鋼鐵研究總院開始進行雙相不銹鋼的研發，此時國際上正處于第2代N合金化雙相不銹鋼的發展時期，鑒于N合金化對雙相不銹鋼組織及性能控制的重要作用，在中國雙相不銹鋼發展初期就緊跟國際雙相不銹鋼發展趨勢，確立了將N合金化作為雙相不銹鋼的發展方向。

20世紀70—80年代，鋼鐵研究總院牽頭并聯合多家生產及應用單位，借鑒瑞典的3RE60雙相不銹鋼，采用N合金化進行可焊接且耐應力腐蝕的00Cr18Ni5Mo3Si2材料及生產工藝的開發，以解決石油化工設備18-8不銹鋼應力腐蝕開裂問題。1985—1988年，該鋼種在中國18個大中型煉油、石油化工、化肥、制鹽等企業的多種重要設備上使用，證明了其具有優良的耐微量氯離子應力腐蝕及耐中性氯化物溶液局部腐蝕性能。00Cr18Ni5Mo3Si2雙相不銹鋼的成功開發是中國雙相不銹鋼生產及應用的里程碑。

不銹鋼爐外精煉和連鑄工藝技術對中國不銹鋼及雙相不銹鋼的發展起到了積極的推動作用，自1977年中國AOD爐外精煉技術獲得成功、1985年中國首臺立式不銹鋼連鑄機投產以來，隨著不銹鋼AOD及連鑄技術的不斷進步，中國雙相不銹鋼不斷向高純凈、低能耗、高效率的方向發展，極大地提高了其品質及市場競爭力，并以用量和產量最大的第2代雙相不銹鋼2205為載體開始規模化生產及應用。隨著中國高端裝備的發展及國際雙相不銹鋼的發展，近年來超級雙相不銹鋼在中國得到快速發展。

進入21世紀后，特超級雙相不銹鋼和經濟型雙相不銹鋼成為雙相不銹鋼發展的兩個重要方向。特超級雙相不銹鋼含有更多的合金元素，獲得更高強度和更優良的耐蝕性，例如2707鋼理論PREN值達到49，可用于更加苛刻的含氯環境。經濟型雙相不銹鋼具有低鎳含量且不含鉬或僅含少量鉬的成分特點，其中，2101鋼以其低鎳、含錳和氮、含少量鉬的成分特點，取得了較大發展及應用，也成為雙相不銹鋼重要發展方向及產量增長點。

目前，雙相不銹鋼體系已經形成了包括3代雙相不銹鋼、經濟型雙相不銹鋼、特超級雙相不銹鋼等在內相對完整的系列，中國雙相不銹鋼跟隨國際發展的趨勢，也經歷了從第1代到第3代以及經濟型雙相不銹鋼的發展歷程，并在特超級雙相不銹鋼的研究、生產及應用方面進行著積極探索。

2 中國雙相不銹鋼產量變化及應用拓展

2005—2021年期間，中國雙相不銹鋼的產量得到快速增長，從0.08萬噸增長至24.06萬噸。結合鋼種及應用發展，中國雙相不銹鋼產量經歷了大約3個階段。

2005—2007年屬于產量增長的起步期，產量不超過1萬噸，比例不超過0.1%，其中2005年產量不足1000噸；2008—2014年屬于產量增長的積累期，產量已經可以維持在1~5萬噸；2015—2021年屬于產量增長期，產量已經穩定在5萬噸以上，其中2015—2018年產量近乎呈直線增長；2018—2021年產量持續穩步增長，在不銹鋼中的比例穩定在0.6%以上。

中國雙相不銹鋼在經歷產量不斷增長、品質不斷提升的同時，在應用、品種、專業化程度上也發生著巨大的變化。

在鞏固和提高雙相不銹鋼在石化等主要應用領域用量的同時，其應用領域也不斷拓展，在油氣輸送、化學品船制造、核電、建筑、石油煉化、環保工程、軌道交通、建筑幕墻、水利工程、罐箱、板式換熱器、紙漿造紙、食品機械等多個領域得以應用，特別是近年來在油氣輸送、化學品船制造、橋梁、建筑等領域推廣應用效果顯著。中國雙相不銹鋼在滿足國內工程需求、替代進口的同時，還在國外工程項目中得到應用。

在橋梁、建筑領域，作為經濟型雙相不銹鋼的典型應用，太鋼生產的2304雙相不銹鋼螺紋鋼筋在世界最長、設計壽命超過120年的港珠澳跨海大橋得到成功應用，太鋼生產的2205雙相不銹鋼冷板用于迪拜標志性建筑——ADIC工程（阿布扎比移民局大樓）遮陽傘支撐架的制作。

在油氣輸送領域，繼2003—2004年新疆塔里木盆地克拉2氣田等西氣東輸工程采用了寶鋼特鋼和久立特材公司生產的2205雙相不銹鋼管材后，久立特材的2205焊管用于制作PDO（阿曼國家石油公司）天然氣集氣管線，武進不銹鋼公司的2205，2507無縫管出口用于阿爾及利亞國家石油公司Kurvers Piping高硫原油輸送管線項目等。

值得關注的是，在“十三五”期間，以太鋼為代表的雙相不銹鋼板材生產企業，通過突破高品質雙相不銹鋼板材成套關鍵制備技術，實現了經濟型雙相不銹鋼（2101，2304，2003）、中合金型雙相不銹鋼（2205）、高合金超級型雙相不銹鋼（2507，S32760，2906）等熱軋、冷軋卷板的系列化研發生產，熱軋卷板最大厚度達到12.0 mm，其中，太鋼2205雙相不銹鋼中板在目前世界上最先進、最大噸位49000噸級的雙相不銹鋼化學品船制造中得到應用。

與此同時，在雙相不銹鋼管材制備方面，結合中國不銹鋼熱穿孔技術發展、熱穿孔設備及冷軋裝備的集成，實現了熱穿孔裝備涵蓋φ55~720 mm全系列雙相不銹鋼荒管的高效熱穿孔，以及φ610 mm口徑雙相不銹鋼管材的制備及應用。

總體來講，中國雙相不銹鋼發展至今，其產量及應用已經從長期處于跟跑國際發展的階段逐漸過渡到與國際雙相不銹鋼發展并跑階段。

3 中國雙相不銹鋼研究進展

在不銹鋼大家族中，雙相不銹鋼是唯一具有兩相組織基體的不銹鋼鋼類。合金元素對相比例的不同影響及其在兩相中的差異化分配，給了雙相不銹鋼較大的組織、性能調控空間，也給雙相不銹鋼加工及制備、組織及性能控制帶來難度。

鑒于N合金化在雙相不銹鋼發展歷程中至關重要的作用，以及N的精準控制對雙相不銹鋼組織及性能控制的關鍵影響，國內相關企業通過研究N在雙相不銹鋼鋼中溶解和脫除規律以及不同元素對N在鋼中溶解規律的影響，結合實際裝備條件，就雙相不銹鋼冶煉工藝研究及優化開展了大量的工作，已經實現了對雙相不銹鋼中N元素的精準控制，為中國雙相不銹鋼組織、性能保證及相關研究奠定了良好的基礎。

在雙相不銹鋼的研究及生產工藝改進中，其特點即雙相組織、高合金、N合金化所帶來的雙相組織調控及性能提升、析出敏感性及析出相特性、熱塑性特點一直是研究熱點。

01 雙相不銹鋼兩相平衡設計及研究

長期以來，廣大雙相不銹鋼生產及研究工作者比較注重成分及熱處理工藝對雙相不銹鋼相比例影響的研究以及雙相不銹鋼相比例平衡的控制。研究和計算表明，關鍵元素對雙相不銹鋼鐵素體含量變化絕對值的貢獻不同，其中N含量影響最大。對雙相不銹鋼進行Cr當量、Ni當量系數修正，可以有效提高雙相不銹鋼的兩相含量預測準確性。但是，雙相不銹鋼合金設計及控制不僅要關注兩相比例的平衡，更需要關注兩相性能的平衡。

對于不銹鋼的關鍵耐局部腐蝕性能-耐點腐蝕性能，一般以整體耐點蝕當量PREN值作為鋼種設計和保證耐蝕性能的重要參數，主要采用經驗公式PREN=w(Cr)+3.3w(Mo)+16w(N)。大量研究及應用表明，相對于其他不銹鋼鋼類，雙相不銹鋼具有雙相基體組織，會發生選擇性腐蝕。

雙相不銹鋼的耐點腐蝕性能不僅取決于其整體PREN值，更取決于鐵素體和奧氏體兩相中的相對弱相，實現雙相不銹鋼PREN值平衡設計及控制、提升雙相不銹鋼整體耐點腐蝕性能，就成為雙相不銹鋼使用性能的重要保障。

Cr、Mo、N是不銹鋼中影響耐點腐蝕性能及PREN值的關鍵元素，這些合金元素在兩相間具有不同的分配系數，使得雙相不銹鋼中鐵素體相和奧氏體相之間的PREN值PRENα、PRENγ存在差異，耐蝕性差的相將被優先腐蝕，鋼的實際耐點蝕性能取決于PREN值較低的相。

以2507超級雙相不銹鋼作為研究載體，采用平衡態熱力學計算方法，獲得2507兩相PREN值的變化規律，結果如圖2所示，得出影響雙相不銹鋼兩相PREN值平衡的重要因素即合金成分和溫度的影響。

由圖2可知，當溫度在1100~1200 ℃變化時，2507奧氏體(FCC)和鐵素體(BCC)相PREN隨成分的變化出現了交點，說明在該溫度和成分條件下，可以獲得奧氏體相和鐵素體相PREN值相等即兩者平衡的兩相組織。為此，可以通過調整雙相不銹鋼合金成分和和溫度，調節相關元素在兩相中的分配，實現雙相不銹鋼兩相PREN值的平衡。

1150 ℃時Cr、Mo、Ni、N對兩相PREN差值ΔPRENα-γ的影響如圖3所示，ΔPRENα-γ=0即達到兩相PREN值平衡。

受到合金元素對兩相比例及元素在兩相中分配的影響，Cr、Ni、Mo、N關鍵元素對2507兩相PREN值產生了不同的影響規律，在給定溫度下，由于Cr、Mo、N為提高PREN值的元素，因此隨著Cr、Mo、N含量的增加，鐵素體和奧氏體兩相的PREN值均逐漸提高；而隨著Ni含量的增加，PRENα值逐漸提高、PRENγ值逐漸降低。

總的來講，Mo含量對兩相PREN值影響較大，但是N對雙相不銹鋼兩相PREN值平衡調整具有更重要的作用。N作為間隙原子，主要固溶于八面體間隙較大、具有FCC結構的奧氏體相中，在四面體間隙較小、具有BCC結構的鐵素體相中固溶度極小，因此隨著N含量的增加，PRENα值變化極小，而PRENγ值顯著提高，例如在1150 ℃，N質量分數從下限0.24%增大至0.32%后，PRENα值僅增加0.6，而奧氏體的PRENγ增加量達到2.1，約為PRENα值增加量的3.5倍。為此，就調節兩相PREN差值、以實現兩相PREN值平衡而言，N的作用顯著，通過N含量調整兩相PREN值、獲得具有PREN值平衡的兩相組織更加高效和經濟。相關研究的實測數據及組織觀察驗證了N對調整雙相不銹鋼兩相PREN值、提升其整體耐點蝕性能的重要作用。

現代雙相不銹鋼N合金化特點使得同時提高并合理匹配Cr、Mo、N等合金元素，設計出具有兩相比例及性能平衡，具有更高耐腐蝕性能及強度的雙相不銹鋼成為可能。N元素在維持兩相比例及性能平衡、提高雙相不銹鋼力學及耐腐蝕性能方面起到不可替代的作用。對于雙相不銹鋼而言，耐點腐蝕性能是關系到雙相不銹鋼使用性能的重要指標，兩相PREN值平衡應成為雙相不銹鋼設計的準則之一，并應在實際生產及應用中得到重視。

與此同時，針對雙相不銹鋼高合金、N合金化特點，以及長期困擾雙相不銹鋼的腐蝕性能提升和純凈度控制問題，“十三五”期間，國內開展了以“Al強化脫氧”“渣系優化”“鈣處理”“弱攪拌技術”為核心的“低［O］含量、高純凈的雙相不銹鋼冶煉技術”研究。通過適量Al脫氧，可有效降低鋼中氧含量，同時防止AlN的形成，解決了采用Si脫氧能力不足的問題；通過精煉渣系和鈣處理工藝優化，實現Al2O3的改性和有效脫除；通過氬氣弱攪拌工藝優化，促進了夾雜物的上浮。通過相關技術的突破及工業化驗證，采用適量的Al強化N合金化雙相不銹鋼脫氧的工藝已經得到認可及推廣。純凈度的提高為雙相不銹鋼腐蝕性能的提升提供了保證。

02 雙相不銹鋼有害相析出研究

一般認為，在300~1000 ℃溫度區間，雙相不銹鋼中會形成大量的不受歡迎的二次相，既有奧氏體不銹鋼中常見的σ、M7C3、M23C6等析出相，也可能有Cr2N、CrN、χ、R、π、α′相。高合金化是雙相不銹鋼重要發展方向之一，特超級雙相不銹鋼的出現，已將雙相不銹鋼的有害析出相溫度推高至1070 ℃以上。

雙相不銹鋼中的析出相大都含有較高的Cr、Mo和N，其析出不但造成了耐腐蝕性能的顯著下降，而且給鋼的成形帶來很大困難，為此，雙相不銹鋼有害析出相的研究得到廣大雙相不銹鋼工作者的重視。研究表明，在這些相中，危害最大的是σ相，在相當長的時間內，σ相和Cr2N的研究得到廣泛關注，通過研究進一步探明了σ、Cr2N有害相的析出特點及其對雙相不銹鋼性能的危害。

對于含Mo的雙相不銹鋼（包括第2代、超級及特超級雙相不銹鋼），具有四方結構的σ相是其關鍵有害相，即使少量σ相的析出也對雙相不銹鋼塑韌性和耐腐蝕性能危害極大。對于不含或僅含少量Mo的經濟型雙相不銹鋼，對其性能造成影響的關鍵析出相為具有六方結構的Cr2N，但其影響比σ相小。

隨著雙相不銹鋼應用范圍的不斷拓展以及用戶對雙相不銹鋼性能的要求不斷提升，鑒于雙相不銹鋼組織中的二次奧氏體(γ2)形態、成分與一次奧氏體(γ)的區別及其對性能的影響，γ2的研究逐漸受到關注，高溫形成的γ2更難通過熱處理方式消除，從而對雙相不銹鋼的性能帶來影響。但到目前為止，對雙相不銹鋼中γ2的研究大多局限于焊接領域，且研究材料主要集中在2205雙相不銹鋼，雙相不銹鋼變形材生產過程中的γ2及其相關研究尚未得到足夠的重視及系統的研究。

對于雙相不銹鋼而言，存在一個有利于高溫γ2形成的“合金-溫度-冷卻速率”組合。在高溫冷卻過程中，由于受鐵素體向奧氏體轉變的熱力學驅動和合金元素擴散的動力學條件限制，當冷卻速率極大時，由于動力學條件的嚴重不足，將使高溫下單一（或較多）鐵素體組織得以保存，或在鐵素體晶界發生極少量的奧氏體轉變；當冷卻速率較小時，合金元素的擴散動力學條件較好，將發生近似平衡態的轉變；存在一個較小的冷卻速率范圍，使得高溫下單一（或較多）鐵素體在轉變過程中，出現一個與動力學條件相匹配的熱力學條件，有利于高溫γ2的形成及長大。

在雙相不銹鋼中，高溫γ2的典型形貌通常可分為3種，即晶界奧氏體(GBA)、魏氏型奧氏體(WA)和晶內奧氏體(IGA)，此外，還觀察到部分依附于一次奧氏體轉變的奧氏體(PTA)。

針對2507超級雙相不銹鋼γ2的相關熱模擬試驗（圖4）研究表明，當2507試樣從1300 ℃冷卻時，冷卻速率為83 K/s的試樣中未能形成γ2，冷卻速率為8.3 K/s的試樣中已經開始有γ2形成，如圖4(a)所示，隨著冷卻速率的降低，魏氏型奧氏體(WA)、晶界奧氏體(GBA)和晶內奧氏體(IGA)開始逐漸析出，當冷卻速率為5.0 K/s時，組織中的奧氏體大多為魏氏型奧氏體(WA)，如圖4(b)所示。

2507超級雙相不銹鋼中魏氏型奧氏體(WA)的Cr、Ni、Mo等合金元素含量與鐵素體相比差異較小，但其Cr、Mo、N含量均高于一次奧氏體。在雙相不銹鋼的γ2中，魏氏型奧氏體(WA)以其特殊的形貌、元素分配將對雙相不銹鋼耐腐蝕性能、韌性、疲勞性能等帶來影響，因此其形成機制及消除工藝研究應該引起足夠的重視。

魏氏型奧氏體(WA)可以在鐵素體晶界或奧氏體與鐵素體之間的相界形核和生長，其形核有兩種方式：

(1) 無Cr2N參與的γ2形成。在冷卻過程中，γ2以體形核或晶界形核兩種方式優先從組織中析出。

(2) 有Cr2N參與的γ2形成。如圖5所示，Cr2N的析出導致周圍區域出現貧Cr現象，有利于γ2的形成，Cr2N作為γ2的形核位置，同時為γ2提供一部分生長所必需的N元素，另一部分N仍由鐵素體相提供。γ2不斷形成及生長，Cr2N最終消失。在這種方式中，γ2的形核與長大是一個由Cr2N分解參與及控制的過程。通過適當的熱處理工藝，可以消除和減小γ2對雙相不銹鋼性能的不利影響。

03 雙相不銹鋼熱塑性研究

由于雙相不銹鋼中兩相組織高溫下的硬度不同以及在熱變形過程中具有不同的軟化機制，在奧氏體和鐵素體中具有不均衡的應力和應變分布，在高溫熱變形過程中，裂紋易在雙相不銹鋼的相界形核和擴展。雙相不銹鋼的熱塑性不但與鋼種密切相關，還受到應變速率、變形溫度、奧氏體相形貌等因素的影響，熱塑性一直是中國雙相不銹鋼工作者的研究熱點之一。

在雙相不銹鋼發展過程中，雙相不銹鋼研究工作者就多個典型鋼種如2101，2205，2507，2707等進行了相關的熱加工塑性模擬研究工作，并積極在實際生產中進行驗證。結果表明，在1100~1200 ℃雙相不銹鋼具有較好的熱塑性，2707和2507的熱塑性顯著低于2101和2205，2101和2205的熱塑性比較接近，研究結果為實際生產過程中根據熱變形方式、加工鋼種及規格等因素確定合理的熱變形溫度區間奠定了基礎。

與此同時，還就兩相組織的軟化機理進行了探索，采用平面應變熱模擬方法，在1~10 s-1的應變速率壓縮試驗條件下，對2205熱壓縮試樣進行TEM觀察，如圖6和圖7所示，發現2205試樣的鐵素體相可以通過動態回復及再結晶進行軟化，而2205試樣的奧氏體相，即使在1200 ℃的高溫下，也由于不能獲得足夠的應變而只能通過動態回復進行軟化。

除此之外，雙相不銹鋼生產及研究工作者根據不同品種生產開發的需要，進行了有針對性的熱加工模擬研究，為相關品種的開發及工藝優化提供技術支持。

針對中國雙相不銹鋼管材熱穿孔需要，進行雙相不銹鋼熱扭轉模擬研究，發現了雙相不銹鋼的熱扭轉峰值應力的溫度敏感特性，通過控制適合的穿孔溫度及工藝參數，可以保證雙相不銹鋼熱穿孔塑性，為雙相不銹鋼熱穿孔工藝制定提供了理論依據及指導。2205雙相不銹鋼熱穿孔特性模擬及其與1Cr18Ni9Ti的對比如圖8所示。

針對雙相不銹鋼熱連軋卷板的變形特點，對2205雙相不銹鋼進行應變速率為50 s-1、連續4道次的平面應變試驗模擬研究，每道次的應變量設計為0.25，試驗溫度為950~1100 ℃，并與304不銹鋼進行對比，結果如圖9所示。

由2205和304試樣各道次峰值應力的變化趨勢可見，二者有著較大的差異。在950~1000 ℃變形溫度區間，2205試樣在連續應變過程中，從第1道次到第2道次，其峰值應力有所提高，之后的第3和第4道次，其峰值應力又有所下降。在1050~1100 ℃變形溫度區間，從第1到第4道次變形，2205試樣的峰值應力則逐漸下降。可見，在連續多道次高應變速率變形過程中，變形溫度對2205鋼的連續軟化能力有明顯的影響。而304試樣在連續多道次高應變速率變形過程中，從第1道次到第2道次，組織產生軟化，其峰值應力有所下降，在隨后的第3~4道次變形中，又產生了硬化，其峰值應力逐漸提高。可見，在高應變速率的連續應變中特別是在相對較高的變形溫度區間，雙相不銹鋼2205比304材料更易于發生軟化，相關研究結果為2205雙相不銹鋼熱連軋工藝參數的制定提供了幫助。

近年來，以2507為主的超級雙相不銹鋼的產品開發逐漸得到重視，超級雙相不銹鋼Cr、Mo、N含量高，熱變形抗力大，熱加工難度大，熱變形條件下鐵素體和奧氏體的力學性能和軟化機制存在較大差異，武敏針對2507熱軋鋼卷易出現邊裂和表面紋等缺陷的問題，開展了不同溫度及應變速率條件下的熱塑性模擬研究，特別是針對熱連軋的高速變形工況，進行了應變速率高達25 s-1的熱塑性模擬研究。研究表明，與2205雙相不銹鋼一樣，在超級雙相不銹鋼的熱變形過程中，鐵素體相在很寬的溫度區間都能獲得良好的動態軟化，而奧氏體相只有在較高的溫度下才能發生動態軟化，超級雙相不銹鋼的軟化也主要由奧氏體相的軟化所控制。

圖10所示為鑄態2507在不同變形條件下奧氏體相和鐵素體相的再結晶比例。可以看出熱變形過程中鐵素體相的再結晶程度一直高于奧氏體相，鐵素體相的再結晶比例在各變形條件下基本相當，約為60%，受變形溫度和應變速率的影響較小；奧氏體相的再結晶比例隨著溫度的升高顯著增大，變形溫度是影響奧氏體再結晶的最重要因素。在1200 ℃變形時，奧氏體相再結晶比例顯著升高，0.1 s-1和25 s-1應變速率的試樣分別為35%和50%。相關研究結果用于實際生產工藝的優化，解決了熱軋卷板的邊裂問題，提高了太鋼超級雙相不銹鋼熱軋卷板的成品率和生產效率。進一步的分析發現，當變形溫度達到1200 ℃時，由于高應變速率削弱了應變分配效應，并且增大了奧氏體相中的位錯密度，因此提高應變速率可以促進超級雙相不銹鋼的動態再結晶。

04 雙相不銹鋼低溫沖擊韌性影響因素研究及性能提升

近年來，隨著對雙相不銹鋼材料特性認識程度的提高，其應用范圍不斷拓展，尤其是低溫環境下的拓展應用，使低溫沖擊韌性及其影響因素正逐漸成為雙相不銹鋼的研究熱點之一。雙相不銹鋼的韌脆轉變溫度一般介于常見的鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼之間，如圖11所示。

室溫下呈現體心立方(BCC)結構的鐵素體相具有明顯的韌脆轉變(DBT)，其塑韌性低于具有面心立方(FCC)結構的奧氏體相，通常認為雙相不銹鋼中的鐵素體相顯著降低其沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性，在雙相不銹鋼使用溫度范圍內特別是較低溫度下，奧氏體相的韌性要遠高于鐵素體相。但最近已有研究發現，在高氮-高錳-低鎳的HNASS中也存在韌脆轉變現象。盡管目前就HNASS的斷裂機制未形成統一觀點，但毋庸置疑其與鋼中高的N含量密切相關。

就合金成分而言，C、N顯著降低鐵素體相的沖擊韌性及韌脆轉變溫度，其對鐵素體相沖擊韌性的影響要遠大于奧氏體相。幸運的是，在雙相不銹鋼中，由于鐵素體相和奧氏體相不同的晶體結構，合金元素特別是間隙元素C、N在兩相中發生了顯著的分配。C、N作為強烈形成和穩定奧氏體、擴大奧氏體相區的元素，主要固溶于奧氏體中。換句話說，可以認為，現代較高Cr、Mo、Ni含量的N合金化雙相不銹鋼的兩相由富集Ni、C、N的奧氏體相和超低C及N的富Cr、Mo含Ni的鐵素體相組成，這種相組成特性為雙相不銹鋼獲得優良低溫沖擊韌性創造了良好的條件。

雖然雙相不銹鋼中鐵素體相的沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性仍然不及奧氏體相，但其超低C、N含Ni特性，在一定程度上為鐵素體相沖擊韌性提供了保障，為雙相不銹鋼工作者通過調整合金元素、相含量、相形態等手段提高雙相不銹鋼沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性，拓展雙相不銹鋼低溫使用溫度范圍帶來可能。

遵循不同變形斷裂機制的鐵素體相和奧氏體相，其比例勢必對雙相不銹鋼的沖擊韌性影響顯著，目前普遍認可的影響雙相不銹鋼沖擊韌性的主要因素為α/γ兩相比例和有害相析出。

鋼鐵研究總院和久立特材公司的研究結果表明，固溶溫度以及由其影響的相比例變化對2507低溫沖擊韌性影響顯著，鐵素體含量的增加不但顯著降低2507的低溫沖擊韌性，而且使得令沖擊韌性顯著下降的溫度明顯提高，如圖12所示。

在雙相不銹鋼的兩相組織中，當某一相的比例達到或超過50%時，該相將形成網狀或近似網狀結構。奧氏體相含量越高，試樣中的奧氏體相越接近于形成網狀結構。這種具有較高韌性的奧氏體相的增加不僅減小了鐵素體相含量及奧氏體/鐵素體相界，從而減少了沖擊過程中的裂紋萌生部位，而且，呈網狀或近似網狀結構的韌性奧氏體相，在沖擊裂紋擴展過程中對裂紋起到很好的阻礙作用，從而提高了雙相不銹鋼的整體沖擊韌性。經1050 ℃和1070 ℃固溶處理的2507試樣，其奧氏體體積分數達到49.94%和48.10%（接近50%）時，其低溫沖擊韌性顯著高于經1100~1200 ℃固溶、鐵素體含量較高的2507試樣。一般來講，當雙相不銹鋼中奧氏體相體積分數達到46%~48%以上時，可以有效地提高雙相不銹鋼的低溫沖擊韌性。

圖13所示為經1000 ℃和1020 ℃處理、析出不同含量σ相的2507沖擊韌性及其與經1050 ℃處理、無有害相析出2507的對比情況。可知σ相對2507沖擊韌性影響顯著，少量的σ相就可以導致2507沖擊韌性的下降，主要有以下幾個特點：

(1) σ相含量對2507沖擊韌性影響顯著，當σ相含量較多時，無論室溫沖擊韌性還是低溫沖擊韌性均低于10 J；

(2) 少量的σ相析出對室溫沖擊韌性影響相對較小，經1020 ℃熱處理的2507，其室溫沖擊韌性仍然可以達到約200 J；

(3) 相對于室溫沖擊韌性，雙相不銹鋼的低溫沖擊韌性對σ相更加敏感，即使經1020 ℃熱處理的2507試樣中僅有約1.3% σ相的析出，也足以導致其低溫沖擊韌性的顯著下降，例如，經1020 ℃處理的2507，其-60 ℃的Akv≤40 J、-100 ℃的Akv≤20 J。

圖14所示為經1050 ℃+水冷+650 ℃+水冷熱處理后充分析出Cr2N的2507的沖擊韌性，可見Cr2N對沖擊韌性影響顯著，Cr2N的析出可以使室溫沖擊下降至約78 J；當測試溫度低于-10 ℃時，含有Cr2N的試樣低溫沖擊功呈直線下降；Cr2N的析出可以使-40 ℃及-60 ℃低溫沖擊下降至約46 J和33 J。但是，與σ相相比，Cr2N的析出對2507沖擊韌性的影響相對較小。

細化晶粒可提高鐵素體相斷裂韌性，考慮到鐵素體相晶粒有較大的粗化傾向，以及其BCC結構的脆斷敏感性，對雙相不銹鋼的晶粒競爭性長大行為及晶粒形態對沖擊韌性的影響也不容忽視。圖15所示為1050~1250 ℃固溶處理40 min后2507試樣的晶粒尺寸。

將圖15中橫坐標轉換為K-1，縱坐標取對數后進行線性擬合，分別得到試驗鋼種鐵素體相晶粒和奧氏體相晶粒尺寸與平均晶粒尺寸之間的關系：

式中：D為粒徑；A為相關常數；R為氣體常數，取8.31 J/(mol·K-1)；T為固溶處理溫度。

從式(1)和式(2)可以看出，兩相晶粒遵循不同的表觀激活能長大粗化。其中，α、γ相表觀激活能分別為Qα=233.8 kJ/mol、Qγ=200.0 kJ/mol。在更高的表觀激活能作用下及同樣的固溶溫度提升程度下，與奧氏體相晶粒相比，雙相不銹鋼中鐵素體相晶粒長大速度更快，且在1150~1200 ℃以上溫度時出現更為顯著的粗化現象。

根據研究結果，在足夠的變形條件下，可以通過成分和固溶溫度的合理匹配設計，獲得具有足夠奧氏體含量、相對細小的鐵素體相，從而為獲得良好低溫沖擊韌性的雙相不銹鋼奠定基礎。與此同時，微量元素的調整及相形態等也是影響雙相不銹鋼低溫沖擊韌性的重要因素，成分變化可以通過增加/減弱α和γ強韌化程度對雙相不銹鋼整體沖擊韌性產生影響；變形工藝導致的相形態變化，則通過改變裂紋擴展路徑對鋼的沖擊韌性造成影響。

4 結論

(1) 中國雙相不銹鋼的研究及開發起步晚，但得益于近年來在兩相平衡設計、高純凈度及N含量精控冶煉、雙相組織協調變形的熱加工工藝、熱處理組織性能調控等全流程協同工藝技術的進步，中國雙相不銹鋼發展到今天，其產量及應用已經從長期處于跟跑國際發展的階段，逐漸發展到與國際雙相不銹鋼并跑階段。

(2) 在未來的發展過程中，中國雙相不銹鋼將持續關注工藝優化及成本控制、組織精細化控制及性能提升、合金化理論及新鋼種研發，將沿著高品質、高性能、國際化、應用高端化繼續發展。