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摘要：为降低双相不锈钢的成本，并改善其热加工性能和焊接性，增加相对于其他类型不锈钢材料的竞争优势，自2000年以来，开发低镍量且不含钼或仅含少量钼的经济型双相不锈钢成为双相不锈钢材料研发的重要发展趋势。2006年奥托昆普公司（Outokupmu）率先开发出经济型双相不锈钢S32101，并获得显著成功，该材料制成的卷板、中厚板和棒材产品已在储罐、桥梁、沿海建筑、核电等领域得到广泛应用。目前S32101等经济型双相不锈钢已被纳入美国ASTM标准，标准牌号为S32101。本文重点介绍了经济型双相不锈钢S32101的组织、性能及应用，尤其是力学性能、腐蚀性能和焊接性能，并将其与奥氏体不锈钢304L进行了相应的对比。结果显示双相不锈钢S32101成本低于奥氏体不锈钢304L，力学性能和耐点蚀性能则优于奥氏体不锈钢304L，是一种经济的替代材料，有望获得更广泛应用。
关键词：经济型双相不锈钢；S32101；力学性能；腐蚀性能；焊接性能;
Abstract: In order to reduce the cost of the duplex stainless steel, and improve its hot-working character and weldability to increase the relative competitive advantages,since 2000, it has become the important development trend of the study of duplex stainless steel material to develop the economical duplex stainless steel with low nickel, and no molybdenum or only a small amount of molybdenum. In 2006, the Outokupmu Company takes the lead in developing the economical duplex stainless steel S32101, and obtains a remarkable success. The plate rolling, medium plate and bar products made of the material have been widely applied in storage tanks, bridges, coastal buildings, and nuclear power. So far,the S32101 economical duplex stainless steel have been included in the United States ASTM standards for No.S32101. This paper introduces the organization, performance and application of economical duplex stainless steel S32101, especially the mechanical properties, corrosion resistance and welding performance, and compaperd with the austenitic stainless steel 304 L.The results show that the cost of duplex stainless steel S32101 is less than that of austenitic stainless steel 304L, while with better mechanical properties and corrosion resistance. Thus, the duplex stainless steel is a kind of economical alternative materials, and is expected to get a more widely used.
Keywords: economical duplex stainless steel; S32101; mechanical properties; corrosion resistance; weldability;
中圖分类号：TF764+.1文献标识码：A 文章编号：
0 序言
铁素体-奥氏体双相不锈钢(Duplex stainless steel简称DSS) 发明于20世纪30年代，但由于存在材料、焊接等问题，一直没有大规模应用。直到20世纪70年代，随着冶金技术进步和对氮元素对不锈钢重要作用的认识，开发了新型的第二代含氮双相不锈钢，材料的焊接性得到改善，才使双相不锈钢在国外大量应用，20世纪90年代开始国内也逐步大量使用[1]。进入2000年以后，双相不锈钢的发展呈现两种趋势。一方面进一步提高钢中合金元素含量以获得更高强度和更加优良的耐蚀性，如SANDVIK开发的2906和3207；另一方面转向开发低镍量且不含钼或仅含少量钼甚至无镍的经济型双相不锈钢，以降低双相不锈钢的成本和售价，并显著改善双相不锈钢的热加工性和焊接性，从而增加双相不锈钢与其他类型不锈钢的竞争优势。S32101（以下简称2101）属于经济型双相不锈钢中的典型钢种，低镍高氮，含少量的Mo，具有高强度的同时还具有良好的耐蚀性，优异的综合性能使得它在许多领域呈现逐步替代304L的趋势，如储罐、桥梁、沿海建筑、核电等领域[2, 3]。目前在AP1000核电中已大量投入使用，代替了核电中其它类型的304L钢板。
由于2101为新型钢种，在核电领域中的应用正逐步推广。为了深入了解其性能，本文针对该钢种进行了较为全面的分析研究，尤其是力学性能、腐蚀性能和焊接性能，并将其与替代对象304L奥氏体不锈钢进行了相应对比。
1 成分与组织
表1给出了双相不锈钢2101的成分典型值。2101中Cr含量21.5 %左右，可以保证合金具有优良的耐腐蚀性能；同时Ni含量只有1.5 %左右，与常规304L中Ni含量大于8 %相比，贵重元素Ni的含量显著降低，这将大幅度降低合金的原材料成本，尤其是避免镍价的剧烈波动对用户带来的影响。合金中添加了高达0.2 %的N，N的添加可以直接替代镍的奥氏体形成和稳定作用，保证合金在Ni含量较低时保持适当的奥氏体比例。N的添加还将提高合金的强度和耐蚀性，但同时也增加了合金冶炼和轧制生产的难度。
表1双相不锈钢2101和奥氏体不锈钢304L化学成分(质量分数,％)
图1为2101的金相组织。其中岛状分布的明亮相为奥氏体相，而灰色的基体组织为铁素体相。白色的奥氏体相呈现方向性的拉长，这是由于热加工比如锻造和轧制造成的奥氏体呈现带状延长。采用定量金相法测定其中奥氏体含量为48 %，余下为铁素体相，呈现出典型的双相不锈钢组织,双相不锈钢组织特点是组织中铁素体组织与奥氏体组织的比例接近1:1。这也说明表1中的成分设计在降低材料成本的同时，组织上能够确保合金中奥氏体相的含量。
2 力学性能
双相不锈钢一般具有较高的强度，如表2所示。2101的屈服强度达到500Mpa，显著高于304L，这给应用带来很多好处，比如在承担相同应力的条件下，使用2101可以减少壁厚，从而节省材料，降低成本。2101强度的提高有两个因素，一是N的固溶强化，N原子以间隙固溶的方式嵌入晶格内部，形成间隙固溶体，强化效果显著，研究显示每增加0.01 %的N含量，双相不锈钢的屈服强度将提高10 Mpa,抗拉强度将提供60～100 Mpa；另一个因素是双相不锈钢具有两相结构，可以互相牵制，抑制晶粒的长大，这也可以提高强度[4]。2101的延伸率低于304L，但是仍达到40 %以上，表明2101具有优异的塑性，氮对不锈钢的抗蠕变性能和疲劳性能有益处，可以满足绝大多数情况下的使用要求。
需要指出的是，除了奥氏体不锈钢常用的强度和延伸率等数据外，双相不锈钢的韧性也是关键指标。其原因在于双相不锈钢由于存在两相组织，其中的铁素体相会导致双相不锈钢韧脆转变温度显著高于奥氏体不锈钢。具体表现为较低温度时，随着温度降低双相不锈钢的冲击功值下降。图2给出了2101在不同温度下的冲击功值，样品为根据ASTM E23《金属材料的开缺口试样冲击试验方法》和ASTM A370《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》标准加工成夏比V型缺口冲击试样，分别沿着轧制方向和垂直于轧制方向取样，试样尺寸10×10×55 mm。室温时，2101双相不锈钢沿T-L（横向）方向取样的全样冲击值功为239 J，低于沿L-T（纵向）方向的冲击功值355 J，显示出一定的方向性，原因在于双相不锈钢组织存在方向性，如图1所示。随着检测温度降低至-40 ℃，冲击功值沿T-L（横向）和L-T（纵向）方向分别降低至141J和197J。由此可见，随着温度降低2101冲击功值下降，但是即使在-40 ℃，冲击功值仍在54 J以上，可以满足使用要求。
此外，对室温条件下的2101进行波动拉伸强度疲劳试验（R=σmin/σmax=0.1，σmax=500 MPa）。该材料通过了两百万次循环试验和50 %裂纹的可能性试验。该结果表明2101双相不锈钢具有良好的室温抗疲劳性能。
3 耐腐蚀性能
对材料耐点蚀性能评价的参数主要包括材料单位面积上的蚀孔数目、材料失重、蚀孔大小和深度及其统计规律、点蚀特征电位、临界点蚀温度(Critical Pitting Corrosion Temperature，简称CPT)等。双相不锈钢的优势之一就是具有良好的耐点蚀性能，同时耐点蚀性能也是评价双相不锈钢耐腐蚀性最重要的参数，因此常采用GB/T 17897-1999《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》和临界点蚀温度（CPT）来表征双相不锈钢的耐腐蚀性能。图3和图4分别给出了2101浸泡失重速率和临界点蚀温度（CPT），并与304L进行了对比。可见2101点蚀失重速率略低于304L，临界点蚀温度（CPT）结果显示2101的临界点蚀温度（CPT）高于304L，显示2101具有与304L相当或优于304L的耐腐蚀性能。腐蚀实验说明在304L耐蚀性能够达到要求的应用条件下，可以考虑选用更经济的2101来代替304L，在保证性能的前提下降低成本。
研究显示双相不锈钢获得高的耐点蚀性能原因在于两相结构、含氮和含钼。有些研究者尝试将耐点蚀性能与不锈钢的化学成分关联起来，显示耐点蚀性能主要和Cr、Mo、N等元素相关。2101中添加了高达0.2 %的N和少量的Mo，都有利于提高耐点蚀性能。
此外，晶间腐蚀也是不锈钢主要腐蚀种类的一种，它由不锈钢晶粒晶界优先腐蚀所引起。敏化态晶间腐蚀主要是由于不锈钢经450~850 ℃敏化温度（焊后热影响区），沿钢的晶界会有富Cr的碳氮化物或金属间化合物如σ相析出，导致晶界Cr的贫化引起的；而固溶态晶间腐蚀则是由不锈钢晶界Si、P、S等元素的偏析所引起。晶间腐蚀是不锈钢早期最常见的局部腐蚀形式，尤其对于奥氏体不锈钢，随着人们对该现象的重视，现在已在减少。在国内核电用S32101材料使用技術规范中，也引用了耐晶间腐蚀性能测试要求，采用的标准是ISO 3651-2，将准备好的试样放入沸腾的16 % H2SO4-CuSO4 溶液中浸泡20 h，取出后按标准进行折弯，观察有无晶间腐蚀裂纹出现，通过大量试验结果都证明无晶间腐蚀裂纹出现。参照此标准，作者也引用原理类似的ASTM A262 C法和E法对2101和304L做了耐晶间腐蚀性能对比试验。试验结果如表3。
从表3的结果可以看出，2101双相不锈钢与低C的304L奥氏体不锈钢具有相当的耐晶间腐蚀能力。
4 焊接性能
2101双相不锈钢在AP1000核电设备制造过程中经历最多的工序是焊接，涉及的焊接方法有螺柱点焊、焊条电弧焊（SMAW）以及熔化极气体保护焊（MIG），其中使用最频繁的焊接方法是焊条电弧焊，针对焊条电弧焊，对12.7 mm规格的2101钢板进行拼焊试验，并对焊后接头性能进行分析。
焊接工艺如表4所示，焊后对接头进行组织、力学及腐蚀性能分析。
图5是2101焊条电弧焊接头焊缝金属处及熔合线附近的微观组织，可以发现，焊缝金属同母材一样含有奥氏体和铁素体的混合组织，但是组织形态有较大不同。焊缝为铸态组织，由于填充金属和母材都属于铁素体-奥氏体凝固模式，凝固开始时生成铁素体，温度低于固溶线温度后，奥氏体先沿铁素体晶界形成，成为晶界奥氏体，完全覆盖铁素体晶界后，继续生成的奥氏体以魏氏体侧板条形态从晶界奥氏体中长出，成为魏氏奥氏体，还有一部分在铁素体晶内形核长大，成为晶内奥氏体[5]。在焊缝不同的部位，均能发现这三种形态的奥氏体。经铁素体仪测量，焊缝处铁素体相比例在35 %-65 %间波动。
图52101焊条电弧焊接头焊缝处微观组织
Fig.5 Microstructure of 2101 SMAW joint at weld metal
对焊件接头进行拉伸及弯曲试验，执行标准为AWS D1.6-1999，试验结果如表5及表6。拉伸断裂部位均发生在母材，焊件正弯、背弯、侧弯时均未发现焊缝有开裂现象。
双相不锈钢采用焊条电弧焊时，焊接过程易带入硅、锰类氧化物，这类夹杂氧化物将会影响焊缝的冲击功值，所以易导致冲击性能的下降[5]。2101焊条电弧焊接头冲击韧性如图6所示。焊缝处冲击功值虽然较母材有较大的下降，但-40 ℃仍能达到40 J左右，满足西屋技术规格书APP-VW20-Z0-023 Rev.3的要求（-40 ℃ ≥27J ）。
图62101焊条电弧焊接头-40℃冲击性能
Fig.6 Impact energy of 2101 SMAW joint at -40℃
接头点腐蚀性能按照GB/T 17897-1999进行，试验溶液为PH值为1.3的6 %的FeCl3溶液，试验温度为35±1 C，试验时间为24小时。测得的焊接接头点腐蚀失重率在4 g/m2.h左右，其点腐蚀速率与304L水平相当。
采用ISO3651-2标准对接头进行耐晶间腐蚀性能试验，6根焊接样件H2SO4-CuSO4浸泡后弯曲结果如图7，经10×放大镜观察，焊缝热影响区均无晶间腐蚀裂纹发生。但有一
(a) 横向焊缝折弯
(b) 纵向焊缝折弯
图7 焊缝经硫酸-硫酸铜浸泡20 h后弯曲形貌
Fig.7 Bend test results of 2101 joints after immersion in H2SO4-CuSO4 solution for 20 h
纵向焊缝出现弯折裂纹，经分析，如图8，观察裂纹试样微观组织，焊缝区及热影响区并未发现晶间腐蚀裂纹。纵向焊缝发生开裂位置为焊缝金属区，不在热影响区，发生开裂的主要原因是焊缝金属变形过大所致。
图8接头弯折裂纹形貌
Fig.8 Cracks of bended test specimen
5 结论
(1) 双相不锈钢2101屈服强度远高于奥氏体不锈钢304L，同时具有优良的室温塑韧性，耐点蚀性能与奥氏体不锈钢304L相当或优于304L，采用规范的焊接工艺可以确保获得性能良好的焊接接头；
(2) 由于2101双相不锈钢综合性能良好，同时由于其Ni含量较低，合金原材料成本显著低于304L，因此更经济，该产品将有望在核电、海水淡化、石油化工、建筑和造纸等领域获得广泛应用。
参考文献
[1] Lippold J C, Kotecki D J. Welding metallurgy and weldability of stainless steels [M]. Hoboken: John Willy & Sons, Inc, 2005: 230~234.
[2] 陸世英.不锈钢概论[M].北京:中国科学技术出版社,2007:176
[3] IMOA. Practical guidelines for the fabrication of duplex stainless steels[M]. London: BSC print Ltd, 2001: 51~54.
[4] Zhang Wei, Jiang Laizhu, Hu Jincheng et al. Study of mechanical and corrosion properties of a Fe–21.4Cr–6Mn–1.5Ni–0.24N–0.6Mo duplex stainless steel, Materials Science and Engineering A. 2008,497: 501~504.
[5] 王治宇, 韩俭, 宋红梅 等. 双相不锈钢不同电弧焊的接头性能对比分析[J].焊接学报.2011,32(4): 37~40
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：经济型双相不锈钢；S32101；力学性能；腐蚀性能；焊接性能;
Abstract: In order to reduce the cost of the duplex stainless steel, and improve its hot-working character and weldability to increase the relative competitive advantages,since 2000, it has become the important development trend of the study of duplex stainless steel material to develop the economical duplex stainless steel with low nickel, and no molybdenum or only a small amount of molybdenum. In 2006, the Outokupmu Company takes the lead in developing the economical duplex stainless steel S32101, and obtains a remarkable success. The plate rolling, medium plate and bar products made of the material have been widely applied in storage tanks, bridges, coastal buildings, and nuclear power. So far,the S32101 economical duplex stainless steel have been included in the United States ASTM standards for No.S32101. This paper introduces the organization, performance and application of economical duplex stainless steel S32101, especially the mechanical properties, corrosion resistance and welding performance, and compaperd with the austenitic stainless steel 304 L.The results show that the cost of duplex stainless steel S32101 is less than that of austenitic stainless steel 304L, while with better mechanical properties and corrosion resistance. Thus, the duplex stainless steel is a kind of economical alternative materials, and is expected to get a more widely used.
Keywords: economical duplex stainless steel; S32101; mechanical properties; corrosion resistance; weldability;
中圖分类号：TF764+.1文献标识码：A 文章编号：
0 序言
铁素体-奥氏体双相不锈钢(Duplex stainless steel简称DSS) 发明于20世纪30年代，但由于存在材料、焊接等问题，一直没有大规模应用。直到20世纪70年代，随着冶金技术进步和对氮元素对不锈钢重要作用的认识，开发了新型的第二代含氮双相不锈钢，材料的焊接性得到改善，才使双相不锈钢在国外大量应用，20世纪90年代开始国内也逐步大量使用[1]。进入2000年以后，双相不锈钢的发展呈现两种趋势。一方面进一步提高钢中合金元素含量以获得更高强度和更加优良的耐蚀性，如SANDVIK开发的2906和3207；另一方面转向开发低镍量且不含钼或仅含少量钼甚至无镍的经济型双相不锈钢，以降低双相不锈钢的成本和售价，并显著改善双相不锈钢的热加工性和焊接性，从而增加双相不锈钢与其他类型不锈钢的竞争优势。S32101（以下简称2101）属于经济型双相不锈钢中的典型钢种，低镍高氮，含少量的Mo，具有高强度的同时还具有良好的耐蚀性，优异的综合性能使得它在许多领域呈现逐步替代304L的趋势，如储罐、桥梁、沿海建筑、核电等领域[2, 3]。目前在AP1000核电中已大量投入使用，代替了核电中其它类型的304L钢板。
由于2101为新型钢种，在核电领域中的应用正逐步推广。为了深入了解其性能，本文针对该钢种进行了较为全面的分析研究，尤其是力学性能、腐蚀性能和焊接性能，并将其与替代对象304L奥氏体不锈钢进行了相应对比。
1 成分与组织
表1给出了双相不锈钢2101的成分典型值。2101中Cr含量21.5 %左右，可以保证合金具有优良的耐腐蚀性能；同时Ni含量只有1.5 %左右，与常规304L中Ni含量大于8 %相比，贵重元素Ni的含量显著降低，这将大幅度降低合金的原材料成本，尤其是避免镍价的剧烈波动对用户带来的影响。合金中添加了高达0.2 %的N，N的添加可以直接替代镍的奥氏体形成和稳定作用，保证合金在Ni含量较低时保持适当的奥氏体比例。N的添加还将提高合金的强度和耐蚀性，但同时也增加了合金冶炼和轧制生产的难度。
表1双相不锈钢2101和奥氏体不锈钢304L化学成分(质量分数,％)
图1为2101的金相组织。其中岛状分布的明亮相为奥氏体相，而灰色的基体组织为铁素体相。白色的奥氏体相呈现方向性的拉长，这是由于热加工比如锻造和轧制造成的奥氏体呈现带状延长。采用定量金相法测定其中奥氏体含量为48 %，余下为铁素体相，呈现出典型的双相不锈钢组织,双相不锈钢组织特点是组织中铁素体组织与奥氏体组织的比例接近1:1。这也说明表1中的成分设计在降低材料成本的同时，组织上能够确保合金中奥氏体相的含量。
2 力学性能
双相不锈钢一般具有较高的强度，如表2所示。2101的屈服强度达到500Mpa，显著高于304L，这给应用带来很多好处，比如在承担相同应力的条件下，使用2101可以减少壁厚，从而节省材料，降低成本。2101强度的提高有两个因素，一是N的固溶强化，N原子以间隙固溶的方式嵌入晶格内部，形成间隙固溶体，强化效果显著，研究显示每增加0.01 %的N含量，双相不锈钢的屈服强度将提高10 Mpa,抗拉强度将提供60～100 Mpa；另一个因素是双相不锈钢具有两相结构，可以互相牵制，抑制晶粒的长大，这也可以提高强度[4]。2101的延伸率低于304L，但是仍达到40 %以上，表明2101具有优异的塑性，氮对不锈钢的抗蠕变性能和疲劳性能有益处，可以满足绝大多数情况下的使用要求。
需要指出的是，除了奥氏体不锈钢常用的强度和延伸率等数据外，双相不锈钢的韧性也是关键指标。其原因在于双相不锈钢由于存在两相组织，其中的铁素体相会导致双相不锈钢韧脆转变温度显著高于奥氏体不锈钢。具体表现为较低温度时，随着温度降低双相不锈钢的冲击功值下降。图2给出了2101在不同温度下的冲击功值，样品为根据ASTM E23《金属材料的开缺口试样冲击试验方法》和ASTM A370《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》标准加工成夏比V型缺口冲击试样，分别沿着轧制方向和垂直于轧制方向取样，试样尺寸10×10×55 mm。室温时，2101双相不锈钢沿T-L（横向）方向取样的全样冲击值功为239 J，低于沿L-T（纵向）方向的冲击功值355 J，显示出一定的方向性，原因在于双相不锈钢组织存在方向性，如图1所示。随着检测温度降低至-40 ℃，冲击功值沿T-L（横向）和L-T（纵向）方向分别降低至141J和197J。由此可见，随着温度降低2101冲击功值下降，但是即使在-40 ℃，冲击功值仍在54 J以上，可以满足使用要求。
此外，对室温条件下的2101进行波动拉伸强度疲劳试验（R=σmin/σmax=0.1，σmax=500 MPa）。该材料通过了两百万次循环试验和50 %裂纹的可能性试验。该结果表明2101双相不锈钢具有良好的室温抗疲劳性能。
3 耐腐蚀性能
对材料耐点蚀性能评价的参数主要包括材料单位面积上的蚀孔数目、材料失重、蚀孔大小和深度及其统计规律、点蚀特征电位、临界点蚀温度(Critical Pitting Corrosion Temperature，简称CPT)等。双相不锈钢的优势之一就是具有良好的耐点蚀性能，同时耐点蚀性能也是评价双相不锈钢耐腐蚀性最重要的参数，因此常采用GB/T 17897-1999《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》和临界点蚀温度（CPT）来表征双相不锈钢的耐腐蚀性能。图3和图4分别给出了2101浸泡失重速率和临界点蚀温度（CPT），并与304L进行了对比。可见2101点蚀失重速率略低于304L，临界点蚀温度（CPT）结果显示2101的临界点蚀温度（CPT）高于304L，显示2101具有与304L相当或优于304L的耐腐蚀性能。腐蚀实验说明在304L耐蚀性能够达到要求的应用条件下，可以考虑选用更经济的2101来代替304L，在保证性能的前提下降低成本。
研究显示双相不锈钢获得高的耐点蚀性能原因在于两相结构、含氮和含钼。有些研究者尝试将耐点蚀性能与不锈钢的化学成分关联起来，显示耐点蚀性能主要和Cr、Mo、N等元素相关。2101中添加了高达0.2 %的N和少量的Mo，都有利于提高耐点蚀性能。
此外，晶间腐蚀也是不锈钢主要腐蚀种类的一种，它由不锈钢晶粒晶界优先腐蚀所引起。敏化态晶间腐蚀主要是由于不锈钢经450~850 ℃敏化温度（焊后热影响区），沿钢的晶界会有富Cr的碳氮化物或金属间化合物如σ相析出，导致晶界Cr的贫化引起的；而固溶态晶间腐蚀则是由不锈钢晶界Si、P、S等元素的偏析所引起。晶间腐蚀是不锈钢早期最常见的局部腐蚀形式，尤其对于奥氏体不锈钢，随着人们对该现象的重视，现在已在减少。在国内核电用S32101材料使用技術规范中，也引用了耐晶间腐蚀性能测试要求，采用的标准是ISO 3651-2，将准备好的试样放入沸腾的16 % H2SO4-CuSO4 溶液中浸泡20 h，取出后按标准进行折弯，观察有无晶间腐蚀裂纹出现，通过大量试验结果都证明无晶间腐蚀裂纹出现。参照此标准，作者也引用原理类似的ASTM A262 C法和E法对2101和304L做了耐晶间腐蚀性能对比试验。试验结果如表3。
从表3的结果可以看出，2101双相不锈钢与低C的304L奥氏体不锈钢具有相当的耐晶间腐蚀能力。
4 焊接性能
2101双相不锈钢在AP1000核电设备制造过程中经历最多的工序是焊接，涉及的焊接方法有螺柱点焊、焊条电弧焊（SMAW）以及熔化极气体保护焊（MIG），其中使用最频繁的焊接方法是焊条电弧焊，针对焊条电弧焊，对12.7 mm规格的2101钢板进行拼焊试验，并对焊后接头性能进行分析。
焊接工艺如表4所示，焊后对接头进行组织、力学及腐蚀性能分析。
图5是2101焊条电弧焊接头焊缝金属处及熔合线附近的微观组织，可以发现，焊缝金属同母材一样含有奥氏体和铁素体的混合组织，但是组织形态有较大不同。焊缝为铸态组织，由于填充金属和母材都属于铁素体-奥氏体凝固模式，凝固开始时生成铁素体，温度低于固溶线温度后，奥氏体先沿铁素体晶界形成，成为晶界奥氏体，完全覆盖铁素体晶界后，继续生成的奥氏体以魏氏体侧板条形态从晶界奥氏体中长出，成为魏氏奥氏体，还有一部分在铁素体晶内形核长大，成为晶内奥氏体[5]。在焊缝不同的部位，均能发现这三种形态的奥氏体。经铁素体仪测量，焊缝处铁素体相比例在35 %-65 %间波动。
图52101焊条电弧焊接头焊缝处微观组织
Fig.5 Microstructure of 2101 SMAW joint at weld metal
对焊件接头进行拉伸及弯曲试验，执行标准为AWS D1.6-1999，试验结果如表5及表6。拉伸断裂部位均发生在母材，焊件正弯、背弯、侧弯时均未发现焊缝有开裂现象。
双相不锈钢采用焊条电弧焊时，焊接过程易带入硅、锰类氧化物，这类夹杂氧化物将会影响焊缝的冲击功值，所以易导致冲击性能的下降[5]。2101焊条电弧焊接头冲击韧性如图6所示。焊缝处冲击功值虽然较母材有较大的下降，但-40 ℃仍能达到40 J左右，满足西屋技术规格书APP-VW20-Z0-023 Rev.3的要求（-40 ℃ ≥27J ）。
图62101焊条电弧焊接头-40℃冲击性能
Fig.6 Impact energy of 2101 SMAW joint at -40℃
接头点腐蚀性能按照GB/T 17897-1999进行，试验溶液为PH值为1.3的6 %的FeCl3溶液，试验温度为35±1 C，试验时间为24小时。测得的焊接接头点腐蚀失重率在4 g/m2.h左右，其点腐蚀速率与304L水平相当。
采用ISO3651-2标准对接头进行耐晶间腐蚀性能试验，6根焊接样件H2SO4-CuSO4浸泡后弯曲结果如图7，经10×放大镜观察，焊缝热影响区均无晶间腐蚀裂纹发生。但有一
(a) 横向焊缝折弯
(b) 纵向焊缝折弯
图7 焊缝经硫酸-硫酸铜浸泡20 h后弯曲形貌
Fig.7 Bend test results of 2101 joints after immersion in H2SO4-CuSO4 solution for 20 h
纵向焊缝出现弯折裂纹，经分析，如图8，观察裂纹试样微观组织，焊缝区及热影响区并未发现晶间腐蚀裂纹。纵向焊缝发生开裂位置为焊缝金属区，不在热影响区，发生开裂的主要原因是焊缝金属变形过大所致。
图8接头弯折裂纹形貌
Fig.8 Cracks of bended test specimen
5 结论
(1) 双相不锈钢2101屈服强度远高于奥氏体不锈钢304L，同时具有优良的室温塑韧性，耐点蚀性能与奥氏体不锈钢304L相当或优于304L，采用规范的焊接工艺可以确保获得性能良好的焊接接头；
(2) 由于2101双相不锈钢综合性能良好，同时由于其Ni含量较低，合金原材料成本显著低于304L，因此更经济，该产品将有望在核电、海水淡化、石油化工、建筑和造纸等领域获得广泛应用。
参考文献
[1] Lippold J C, Kotecki D J. Welding metallurgy and weldability of stainless steels [M]. Hoboken: John Willy & Sons, Inc, 2005: 230~234.
[2] 陸世英.不锈钢概论[M].北京:中国科学技术出版社,2007:176
[3] IMOA. Practical guidelines for the fabrication of duplex stainless steels[M]. London: BSC print Ltd, 2001: 51~54.
[4] Zhang Wei, Jiang Laizhu, Hu Jincheng et al. Study of mechanical and corrosion properties of a Fe–21.4Cr–6Mn–1.5Ni–0.24N–0.6Mo duplex stainless steel, Materials Science and Engineering A. 2008,497: 501~504.
[5] 王治宇, 韩俭, 宋红梅 等. 双相不锈钢不同电弧焊的接头性能对比分析[J].焊接学报.2011,32(4): 37~40
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。