S32205不锈钢管

双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来，已经发展到第三代。它的主要特点是屈服强度可达400~550 MPa，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美，在-50～280℃范围内具有优良的力学性能和焊接性能。

本文主要介绍双相不锈钢的典型代表，第二代双相不锈钢SA-789-S32205（UNS编号）。

1 材料特性

1.1 成分特点

第二代双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢，成分特点是超低碳、含氮，其典型成分为22%Cr+5%Ni+0.17%N。与一代双相不锈钢相比，S2205进一步提高氮含量，增强在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。氮是强烈的奥氏体形成元素，加入到双相不锈钢中，既提高钢的强度且不显著损伤钢的塑韧性，又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成。

1.2 组织特点

双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数(双相不锈钢2205铁素体含量应为30%～55%，典型值是45%左右)，兼有两相组织特征，见图1。由图可以观察到，奥氏体（白色）与铁素体组织（黑色）的体积相近，且两相沿钢管轧制方向呈带状交替分布。

双相不锈钢2205保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点；又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。

图1 2205板材典型显微组织

图2 （WRC-1992）Fe-Cr-Ni三元截面相图
1.3 性能特点

在性能上的突出表现是屈服强度高和耐应力腐蚀。双相不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度高近1倍，同样的压力等级条件下，可以节约材料。比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低，与低碳钢接近。使得双相不锈钢与碳钢的连接较为合适，这有很大的工程意义。锻压及冷冲成型性不如奥氏体不锈钢。

图3 S2205双相不锈钢力学性能
2 焊接性

双相不锈钢2205具有良好的焊接性，焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。通常焊前不预热，焊后不热处理。由于有较高的氮含量，热影响区的单相铁素体化倾向较小，当焊接材料选择合理，焊接线能量控制适当时，焊接接头具有良好的综合性能。

2.1 热裂纹

热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多。这是由于含镍量不高，易形成低熔点共晶的杂质极少，不易产生低熔点液膜。另外，晶粒在高温下没有急剧长大的危险。

2.2 热影响区脆化

双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝，而在热影响区。因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹(脆化)的敏感性。

2.3 铁素体475℃脆化

双相不锈钢含有50%左右的铁素体，同样也存在475℃脆性，但不如铁素体不锈钢那样敏感。

3 焊接冶金

双相不锈钢焊接过程中，在热循环的作用下，焊缝金属和热影响区的组织发生着一系列的变化。在高温下，所有的双相不锈钢的金相组织全部由铁素体组成，奥氏体是在冷却过程中析出的。奥氏体析出的多少受诸多因素的影响。

3.1 相比例要求

双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比例，因此，焊接是围绕如何保证其双相组织进行的。当铁素体和奥氏体量各接近50%时，性能较好，接近母材的性能。改变这个比例关系，将使双相不锈钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能(尤其是韧性)下降。双相不锈钢2205铁素体含量的佳值是45%。过低的铁素体含量(<25%)将导致强度和抗应力腐蚀开裂能力下降;过高的铁素体含量(>75%)也会有损于耐蚀性和降低冲击韧性。

3.2 相比例影响因素

焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系既受到钢中合金元素含量的影响，又受到填充金属、焊接热循环、保护气体的影响。

3.2.1 合金元素的影响

根据研究和大量试验发现，母材中含氮是非常重要的。氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体元素，但是，氮的能力远远大于镍。在高温下，氮稳定奥氏体的能力也比镍大，可防止焊后出现单相铁素体，并能阻止有害金属相的析出。

由于焊接热循环的作用，自熔焊或填充金属成分与母材相同时，焊缝金属的铁素体量急剧增加，甚至出现纯铁素体组织。为了抑制焊缝中铁素体的过量增加，采用奥氏体占优势的焊缝金属是双相不锈钢的焊接趋势。一般采取在焊接材料中提高镍或是加氮这两条途径。通常镍的含量比母材高出2%～4%，例如，2205填充金属的镍含量就高达8%～10%。用含氮的填充材料比只提高镍的填充材料效果更好，两种元素都可以增加奥氏体相的比例并使其稳定，但加氮不仅能延缓金属间相的析出，而且还可提高焊缝金属的强度和耐蚀性能。目前，填充材料一般都是在提高镍的基础上，再加入与母材含量相当的氮。

对于双相不锈钢2205，钨极氩弧焊选用 ER2209焊丝，焊条电弧焊选用E2205AC/DC焊条是对焊接材料要求的。这两种焊接材料的化学成分见表1。双相不锈钢2205及焊接材料在合金元素上的这些特点，为焊接工艺参数即焊接线能量的选择提供了一定的范围，这对焊接是非常有利的。

S32205不锈钢管
图4 焊接材料化学成分%
3.2.2 热循环的影响

从国内外的研究来看,2205双相不锈钢在焊接过程中,为突出的问题也是热循环对焊接接头微观组织及其塑韧性和抗腐蚀性的影响。因此，多层多道焊是有益的，后续焊道对前层焊道有热处理作用，焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体，成为以奥氏体占优势的两相组织；毗邻焊缝的热影响区中的奥氏体相也相应增多，且能细化铁素体晶粒，减少碳化物和氮化物从晶内和晶界析出，从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。

另有文献提及冷却时间t12/8对2205双相不锈钢模拟HAZ组织的影响规律是随着t12/8的增加,奥氏体由原来的长条状逐渐变成树枝状,晶界和晶粒内部均析出奥氏体,相互交集在一起形成网状。铁素体的比例随着冷却时间t12/8的增加而缓慢下降。