双相钢2205与S31803的区别

以下文章来源于压力容器焊接 ，作者C.C

      压力容器常用的双相钢牌号就是2205与S31803，他们的化学成分非常相近，强度、延伸率、硬度指标也基本一样，有时候我们就在他们之间相互代用。那他们的主要区别是什么呢？到底哪个材料的综合性能更好一些？

      其实在2000年以前，2205的化学成分要求和S31803完全一样，后来美国材料协会发现这个化学成分有一定的问题，于是在2000版的ASTM标准1.03卷的ASTM A240/A240M-99a把2205的化学成分规定在UNS S32205的成分范围内。其最大的变化就是将合金的中N的质量分数由0.08~0.20%改为了0.14~0.20%，提高了N含量的下限值。

      那为什么要做这种改变呢？我们知道双相钢的室温理想组织是铁素体和奥氏体各占50%，其在升温时期的高温阶段（大于1100℃）奥氏体是逐渐向铁素体转变的，当高于铁素体固溶线温度（一般在1250~1350℃范围内）时就会全部转变成铁素体，然后在随后的冷却过程中，铁素体再部分转变为奥氏体，但是这个转变量的多少跟材料的成分和冷却速度有密切关系。双相钢热影响区的各阶段反应如图1所示。

                          图1 双相钢热影响区的各阶段组织变化

双相钢的焊接热影响区离熔合线越近，铁素体含量越高，在欧标 EN13445-4 第 7.3 条款 b 中就对双相钢热影响区的规定：在离熔合线两个晶粒尺寸宽的范围内铁素体含量不能超过 85% 。焊接热影响区在冷却时，全靠奥氏体化元素（ Ni 、 C 、 N 、 Mn ）的扩散使铁素体转变为奥氏体。由于 Ni 、 Mn 原子半径大，是置换型合金元素，在快速冷却时其扩散速率很低；相反 C 、 N 是小的间隙型元素，在 1040 ℃到铁素体固溶线温度这个区间都有很快的扩散速度，而 C 由于对耐腐性的负面影响一般含量都非常低，这样 N 就成了在焊接冷却条件下控制相平衡的关键元素。当 N 的质量分数由 0.12% 增加到 0.18% ，奥氏体就可以在更高的温度下在铁素体晶内形核，从而转变成更多奥氏体。

另外在双相钢中 N 主要固溶在奥氏体中， 经试验测得奥氏体中 N 的质量分数一般为 0.25~0.60% ，铁素体中 N 的质量分数一般为 0.00~0.05% 。图 2 显示 N 在铁素体和奥氏体中的固溶度，对比两条曲线，奥氏体相中 N 的固溶度要高的多。所以如果母材中 N 的质量分数低于 0.14% ，那么焊接热影响区中的铁素体在冷却时就不能更快、更多的转变为奥氏体，就会造成 N 含量超过铁素体中的固溶极限，此时会发生强烈的氮化物析出反应，主要是 Cr ₂ N ，结果就会造成热影响的塑性、韧性和耐腐蚀性下降。因此我们在选用双相钢牌号时应优先选择 S32205 ，而不是选择已经过时的 S31803 。

                                  图2 氮在铁素体和奥氏体中的固溶度