双相不锈钢是一种奥氏体和铁素体共存且比例接近1:1的高性能不锈钢种,而且氮元素作为经济型元素对双相不锈钢而言至关重要,并且也受到了越来越多的关注。然而目前针对氮元素在双相不锈钢中所起作用的研究大部分不够深入,而且基于含氮双相不锈钢铸态组织演变规律以及铁素体/奥氏体高温相变机理的研究报导也不多,因此限制了氮元素在双相不锈钢中的进一步利用以及新型经济型双相不锈钢种的开发。本文利用实验室小钢锭实验,并借助ProCAST模拟软件和Thermo-Calc热力学计算软件,通过金相显微镜、X射线衍射技术、电子背散射技术、电子探针以及高温共聚焦显微镜对含氮双相不锈钢铸态宏观组织、微观组织特征和铁素体/奥氏体高温相变特性进行了研究,同时依靠工业试验对双相不锈钢铸态/轧态微观组织特征及遗传性进行了探讨。结果表明:双相不锈钢宏观组织中柱状晶和等轴晶特征明显,分布区域界线分明;氮含量升高使得等轴晶区扩大,柱状晶区缩小,且两者均变得细小致密。模拟结果与实验结果基本一致,更好地证明了氮含量变化对宏观组织的影响。金相组织显示双相不锈钢由特征差异明显的两相组成,而特征衍射峰(111)γ和(110)a的存在正好证实了双相不锈钢中奥氏体和铁素体的存在,同时氮含量上升促进了特征衍射峰(111)γ峰值强度的增大。随着氮含量升高,奥氏体体积分数增加,铁素体体积分数下降。当氮含量较低时,奥氏体优先在晶界析出,以针状为主,而晶粒内部以颗粒状为主,尺寸均较小;当氮含量较高时,奥氏体尺寸粗化,晶界析出针状奥氏体具有一定取向性,晶内奥氏体以针状和麦穗状为主。随着氮含量的上升,奥氏体晶粒数量呈现先增加后减少的趋势,说明奥氏体的形核速率和长大速率之间存在竞争关系,且氮含量对两者之间的相对大小影响显著。热力学计算结果也证明高氮含量不仅能够提高奥氏体的初始析出温度,促进元素扩散,同时还能扩宽奥氏体的析出温度区间。原位观察结果和热力学计算结果表明高氮含量能够促进δ→γ相变过程.中γ相的析出和长大。当氮含量较高时,γ的开始析出温度较高,γ优先在δ晶界上以片状析出,而γ在δ晶粒内部析出滞后,以不规则状和针状为主;当氮含量较低时,γ的开始析出温度较低,γ优先在δ晶界一侧呈三角状析出,而γ在δ晶粒内部析出稍微滞后,以针状为主,同时在晶界上也有针状Y析出。其次,原位观察结果和扩散控制长大理论相结合更好地揭示了冷却速率对γ析出形态的影响机制。当冷却速率较慢时,γ的开始析出温度较高,γ优先在δ晶界上以片状析出,而γ在δ晶粒内部析出滞后,以针状为主;当冷却速率较快时,γ的开始析出温度较低,Y优先在δ晶界一侧上以针状析出,而γ在δ晶粒内部析出滞后,同样以针状为主。原位观察结果表明氮含量和加热速率对γ→δ相变过程中γ相的分解有重要影响。在γ→δ相变过程中,氮含量升高使得相变开始和结束温度随之升高,Thermo-Calc热力学计算结果也证实了这点,但其对相变机制无影响,均以相界迁移为主;其次,加热速率上升使得相变结束温度随之升高,当加热速率较慢时,奥氏体外围和中间均以相界迁移的方式发生相变,而当加热速率较快时,仅通过奥氏体外围相界移动来完成相变。工业生产试验表明铸态组织和轧态组织具有明显的差异,铸态组织中奥氏体多呈针状或麦穗状,轧态组织中奥氏体晶粒沿轧向呈长条状,垂直于轧向呈岛状分布。轧制工艺对奥氏体和铁素体的体积分数无明显影响,但是对晶粒尺寸却影响显著。轧制工艺改变了晶粒的绝对大小但没有改变相对大小。铸态组织中δ/γ相界比晶界易于区分,而轧态组织中正好相反。