双相不锈钢中主要合金元素作用

不锈钢中最重要的是铭元素，当质量分数超过10.5%时，氧化介质中的钢会在表面形成一层致密的薄膜，避免钢被进一步腐蚀，这种钝化现象是不锈钢之所以“不锈”的原因。元素含量也对不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能有较大影响。因此，设计合适的合金含量对于钢种的开发具有重要的意义。一直以来，Schaeffler相图在双相不锈钢设计相平衡工作中起到了重要的作用。

Schaeffler相图初期用来表征化学成分和焊缝金属组织之间关系，在后来才推广到可变形的钢中。Schaeffler公式主要用来计算锦当量Creq和铭当量Nieq，式（1-5，1-6）。

为了更精准地表征其他元素对金属组织的影响，Delong37，38]对锦当量的计算方法进行了修正，在公示中加入了氨元素对奥氏体的影响，如公式（1-7）所示。

Creq=Cr%+Mo%+1.5xSi%+0.5xNb%（1-5）

Nieq=Ni%+30xC%+0.5xMn%（1-6）

Nieq=Ni%+30xC%+30xN%+0.5xMn%（1-7）

需要指出的是，在实际生产及应用中，对于组织的影响因素很多，除了元素含量外，还要综合考虑冷速、热加工过程等对组织造成的影响，并结合实际生产经验来对合金配比进行调整。在铁铭合金中加入镍氮锰等奥氏体形成元素，则不锈钢中会形成稳定的奥氏体结构。

因此，不锈钢中的显微组织结构由铁素体形成元素（Cr、Mo、Si等）和奥氏体形成元素（Ni、Mn、N等）含量共同决定。在不锈钢中，主要元素的具体作用如下：Cr：铭元素是强烈形成和稳定铁素体相并缩小奥氏体相区元素，双相不锈钢中的Cr含量一般不低于18%。铭元素可以大幅度提高不锈钢的耐蚀性，此外，铭含量的增加会使双相不锈钢的屈服强度提高。

Mo：铝元素是铁素体强烈形成元素，其形成铁素体的能力与Cr元素相当。铝可以明显提高不锈钢的耐腐蚀性，其提高耐点蚀和耐缝隙腐蚀能力是铭的三倍。铝对于析出相的生成有促进作用，可以使析出相TTT曲线析出范围加宽，鼻温升高，增加双相不锈钢的脆化倾向[40，41]。铝元素使得不锈钢在酸性介质中阳极区电流密度下降2~3个数量级，并在钢的表面形成稳定的保护膜，提高双相不锈钢在高氯化物浓度介质中的耐腐蚀性能。此外，铝和氢具有协同配合作用，两者可以组织钝化膜溶解，使不锈钢具有更高的点蚀电位。同时，铭元素越多，铝提高耐腐蚀效果越明显。

Si：硅元素是铁素体形成元素，其形成铁素体能力是铭元素的1.5倍。硅元素的加入可以在不锈钢表面形成保护膜，增强不锈钢的耐酸腐蚀能力。但是在双相不锈钢中硅元素并没有广泛应用，原因是硅元素会使富铭铝金属间相的析出。此外，在焊接或暴露在400℃以上的高温下时，会促进金属间化合物的析出。

Ni：锦元素是强烈形成和扩大奥氏体区元素，可以通过锦元素加入的量来调控两相比例来提高双相不锈钢的耐腐蚀性能。镍元素在奥氏体不锈钢中含量较高，一般高于6%，在双相不锈钢中含量较低，一般在1.5-7%之间。文献中提出，当锦含量低于5%时，双相不锈钢的强度和韧性会随着锦的含量增加而增加。

C：碳元素也是强烈形成奥氏体相元素，其形成奥氏体的能力是锦元素的30倍，碳元素还可以提高不锈钢的强度，但是在双相不锈钢中，过高的碳元素会在晶界处形成富铭的碳化物，使得钢的耐晶间腐蚀性能严重下降，此外还会使钢的塑性和韧性严重下降。因此在双相不锈钢中要严格控制碳含量。

N：氨元素是奥氏体形成元素，是锦元素形成奥氏体能力的三倍。氢元素在双相不锈钢中作用很重要，它可以替代锦元素达到节约成本的目的，同时还可以减少析出相的生成[48，49]。氨元素可以通过影响合金元素在两相中的分配系数来提高耐蚀性能。研究发现，氮元素可以有助于铁的溶解，增加钝化膜中的铭含量增加来提高耐点蚀能力；氢的富集使表面膜不易破裂，而铝有利于再钝化，两者结合降低了钢表面点蚀发生的可能性。

Mn：锰元素是较弱的奥氏体形成元素，其锦当量为0.5。在不锈钢中，当Mn含量逐渐增加时，可以使氨元素在钢中的固溶度大幅度提高。在生产中，常利用该特性采用钢种加锰和氢元素来代替较贵的锦元素，以节约成本。猛可以促进。相的析出，使钢的韧性和韧性下降，并且会对钢的低温韧性和焊接性产生负面影响。

Cu：铜元素是奥氏体稳定和形成元素，锦当量为0.33。双相不锈钢中加入适量的铜元素可以提高钢的强度和耐腐蚀能力，但是在热加工过程容易产生“铜脆”现象。相比于双相不锈钢的其他元素，铜元素熔点较低，在凝固过程最后凝固，因此会在液相中富集形成铜析出相。铜的析出会使界面结合能降低而弱化晶界强度，在变形的过程中容易产生裂纹。经研究发现，双相不锈钢中添加小于1%的铜元素可以提高抗点蚀能力，但当铜元素含量高于1%后，随着铜含量的增加，耐点蚀能力提高并不明显。