平衡相圖可用于描述不銹鋼的相變和相的穩(wěn)定性。這里介紹Fe-Cr二元系和

Fe-Cr-C和Fe-Cr-C三元系相圖。把這些相圖用于各種類型的不銹鋼可以預測微觀組織的演變。然而這些相圖只能近似地預測焊縫中形成的實際微觀組織，這是因為：①不銹鋼母材和填充金屬含有高達十種合金元素，標準的相圖很難與其相匹配；②相圖是基于平衡條件繪制的，而焊接時快速加熱和冷卻形成了明顯的非平衡條件。

        經(jīng)典相圖的某些局限性已經(jīng)被克服，這是通過用大型計算程序以熱力學的知識來建立常用合金系的相圖來實現(xiàn)的。這些計算程序和得到的相圖的準確性決定于其輸入數(shù)據(jù)的準確性，然而對于鐵基合金是可以提供合格的精確度的。

　　一、鐵-鉻系

        因為鉻是不銹鋼的主要合金元素，所以把圖1所示的鐵-鉻系相圖作為討論不銹鋼相平衡的起點。注意相圖中Cr在高溫時全部溶于鐵中，所有Fe-Cr合金凝固時都生成鐵素體。而凝固溫度區(qū)間很窄。對低鉻含量的合金在912～1394℃  溫度區(qū)間形成一個奧氏體區(qū)，通常被稱為γ相回線。鉻的質(zhì)量分數(shù)高于12.7％的合金在高溫時全是鐵素體，而鉻的質(zhì)量分數(shù)低于12.7％的合金在這個γ相回線溫度范圍內(nèi)多多少少要形成一些奧氏體。而鉻的質(zhì)量分數(shù)低于12％的合金在此回線的溫度范圍內(nèi)將是全奧氏體組織，形成的奧氏體在快速冷卻時可轉(zhuǎn)變成馬氏體。在Fe-Cr系中存在一種稱為σ相的低溫平衡相，這種相是具有（Fe，Cr）化

學配比的四方晶體。σ相在w（Cr）超過20％的合金中形成得最快，但是由于σ

相是在低溫下形成的，其形成的動力學過程十分遲緩，在600～800℃ 溫度范圍內(nèi)析出需要較長時間。因為σ相是一種既硬又脆的相，在不銹鋼中經(jīng)常不希望其存在。

圖1　Fe-Cr平衡相圖

（引自《金屬手冊》，原始出處為Hansen，由McGraw-Hill授權。）

        在Fe-Cr相圖中，在σ＋α相區(qū)里有一條475℃的水平虛線，在此溫度下，由于在α母體中形成了一種共格的富鉻析出物而使合金脆化，被稱為475℃脆化。這種析出物被稱為α′相，α′相實際上是在400～540℃溫度范圍內(nèi)形成的，在鉻的質(zhì)量分數(shù)高于14％的合金中具有嚴重的脆化效應。α′相的形成也很緩慢，加入合金元素會加速其形成。

        二、鐵-鉻-碳系

        把碳加入鐵-鉻系，顯著改變了平衡相圖使其復雜化。由于碳是奧氏體形成

元素，它使γ相回線區(qū)擴大，即在鉻含量高得多的成分下仍使奧氏體在高溫區(qū)保持穩(wěn)定。圖2示出了碳對擴大奧氏體相區(qū)的影響，請注意即使很少的碳含量，也可使γ相回線區(qū)顯著地擴大，這對于開發(fā)馬氏體鋼很重要，因為要在冷卻時形成馬氏體，則在高溫時鋼必須是奧氏體。而對于鐵素體類鋼，γ相回線面積必須予以控制，使得高溫時沒有或者只有很少奧氏體存在。

圖2　碳對奧氏體相區(qū)擴張的影響

（引自Baerlacken等）

        為了可以觀察Fe-Cr-C三元系隨溫度的變化，需要把其中一個成分設為固定

值，用這種方法可以建立一種偽二元相圖或者叫等成分面。這種相圖之所以稱為偽二元相圖是因為它只示出了一個三維系統(tǒng)中的二維投影，因此它不能像二維相圖那樣使用。例如在偽二元相圖中相界線之間的連接線就不能用來預測相的平衡組分，因為這種相圖還有“深度”（即連接線不一定就在偽二元相圖所在的平面上）。然而它們在理解三元系中相的轉(zhuǎn)變和平衡方面是很有用的。圖3示出了Fe-Cr-C三元系中w（Cr）＝13％和17％的兩個合金系的Fe-C偽二元相圖。

        這些相圖比簡單的Fe-Cr相圖要復雜得多，這主要是因為加入了碳元素和出

現(xiàn)了附加的二相和三相區(qū)，由于加了碳，在相圖中還出現(xiàn)了兩種不同的碳化物

（Cr，F(xiàn)e）23C6和（Cr，F(xiàn)e）7C3。

圖３　Fe-Cr-C偽二元相圖

ａ）w（Cr）＝13％?。猓﹚（Cr）＝17％

C1— （Cr，F(xiàn)e）23C6碳化物　C2— （Cr，F(xiàn)e）7C3碳化物

（引自Castro和Tricot）

        對于鉻含量低的鐵素體和馬氏體不銹鋼，w（Cr）＝13％的偽二元相圖可以用來解釋相的穩(wěn)定和微觀組織。在碳含量很低時［w（C）低于0.1％］，這種三元合金在高溫時是完全的鐵素體組織，如果冷卻速度足夠快，則合金會把初始鐵素體保留下來。對于w（Cr）＝13％的相圖，這就是形成低鉻鐵素體不銹鋼如409型鋼的基礎。

        當碳的質(zhì)量分數(shù)高于0.1％時，在高溫時將形成奧氏體，在剛剛低于固相線

的溫度范圍內(nèi)是奧氏體和鐵素體的混合組織，在冷卻到低于1200℃時組織變成全奧氏體。隨后當冷速足夠快時會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這就是低鉻馬氏體不銹鋼如410型鋼形成的基礎。在碳的質(zhì)量分數(shù)較低（0.05％） 的鋼中，高溫時可以出現(xiàn)奧氏體和鐵素體混合組織，從而在快速冷卻時得到含有鐵素體和馬氏體的混合組織，由于這種組織的力學性能較差，所以是不希望得到的。

        在高鉻含量的Fe-Cr-C系合金中，由圖3b  w（Cr）＝17％的偽二元相圖中可以看到鐵素體相區(qū)擴大，奧氏體相區(qū)縮小。這是由于鐵素體形成元素鉻的作用。這時在高溫形成的鐵素體就更為穩(wěn)定，而要形成高溫奧氏體就必須含有更多的碳。這就是形成中鉻鐵素體鋼如430型鋼和中鉻、高碳馬氏體鋼如440型鋼的基礎。

        三、鐵-鉻-鎳系

        把Ni加入Fe-Cr系也使奧氏體相區(qū)擴大并使奧氏體在室溫時仍為穩(wěn)定相。這種三元系是奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的基礎?？梢援嫵鯢e-Cr-Ni系的液相面和固相面的投影圖（圖4）并可用來描述這個系中合金的凝固行為。以觀察凝固開始的液相面和凝固結(jié)束的固相面來對此進行分析。

圖4　Fe-Cr-Ni三元系中的液相面和固相面的投影圖

ａ） 液相面?。猓?固相面

（引自《金屬手冊》，由ASM國際授權）

        液相面在圖4a上顯示了一條從相圖三角形靠近富Fe角的點出發(fā)到Cr-Ni邊的粗黑曲線。這條曲線把凝固成鐵素體初始析出相的成分和凝固成奧氏體初始析出相的成分區(qū)分開來。在接近48Cr-44Ni-8Fe的成分點形成了一個三元共晶點。

        固相面在圖4b上顯示了兩條從靠近富鐵角的點出發(fā)到Cr-Ni邊的粗黑曲線，在兩條線之間略高于固相面的溫度奧氏體和鐵素體與液相共存，而在略低于固相面的溫度只是奧氏體和鐵素體共存。兩條粗黑線之間的這個區(qū)域把低于固相

面的鐵素體和奧氏體的單相區(qū)隔開。請注意這兩條曲線終止于三元共晶點。線上的箭頭表示溫度下降的方向。

        在三元相圖中自液相面到室溫取一個Fe含量固定的截面就可以得到一個Fe-Cr-Ni系的偽二元相圖。以等溫三元截面為基礎建立了w（Fe）＝70％和w（Fe）＝60％的兩張偽二元相圖，并畫在圖5中。因為這是一個三元系，每一個相區(qū)

都是三維的，從而得到了在標準二元相圖中不會出現(xiàn)的三相共存區(qū)。

圖5　Fe-Cr-Ni三元系中的偽二元相圖

ａ）w（Fe） ＝70％?。猓?w（Fe） ＝６０％

（引自Lippold和Savage，美國焊接學會授權）

        請注意圖５中固相線和液相線之間的小三角區(qū)，這就是奧氏體＋鐵素體＋液相的三相區(qū)，這個區(qū)把凝固成奧氏體的合金（左側(cè)） 和凝固成鐵素體的合金（右側(cè)）隔開。鉻的質(zhì)量分數(shù)大于20％的合金在高溫固相區(qū)其鐵素體是穩(wěn)定的，當溫度下降時，在Cr的質(zhì)量分數(shù)為20％ ～25％的合金中部分鐵素體要轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。凝固成奧氏體的合金（小三角三相區(qū)左面的合金） 在冷卻時奧氏體保持不變直至室溫。而成分緊靠小三角三相區(qū)右側(cè)邊界，凝固成鐵素體的合金，冷卻時必然要經(jīng)過奧氏體鐵素體兩相區(qū)，結(jié)果有部分鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。而隨著成分離小三角右邊界越遠（高Cr／Ni比值），鐵素體就變得越穩(wěn)定，直到最后在每張相圖的右側(cè)，就只存在全鐵素體的組織。這些相圖可用來解釋奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的相變和微觀組織演變。

        四、特殊合金系的相圖

        目前有很多軟件包可以基于熱力學數(shù)據(jù)來建立特殊合金系的相圖。這些軟件包考慮了多種元素的相互作用，從而建立從熔點到室溫范圍的相平衡圖。ThermoCalc是用得最廣泛的軟件包之一。像ThermoCalc這樣的軟件程序?qū)τ陬A測不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)組織的演變是很有用的，但是必須認識到由其產(chǎn)生的相圖是表示平衡狀態(tài)，而在焊接過程中，由于快速加熱和冷卻，平衡經(jīng)常是達不到的?！　?/p>

        圖6示出了一個用ThermoCalc開發(fā)的相圖的例子。它代表了基本合金成分

（質(zhì)量分數(shù)） 為12Cr=0.5MO-0.5Si-0.1C的典型410型馬氏體不銹鋼的相圖。這

個圖的成分軸上Ni的質(zhì)量分數(shù)由0％變化到5％。在確定Ni含量如何影響各個相區(qū)，特別是對確定Ni加入量如何影響這種合金的焊縫及熱影響區(qū)中鐵素體含量方面這種相圖是很有用的。例如在圖6中比較w（Ni）＝0.3％的合金A和w（Ni）＝2.0％的合金Ｂ，可以發(fā)現(xiàn)對于合金Ｂ在1400℃附近不存在鐵素體單相區(qū)，而隨Ni含量增加α＋γ雙相區(qū)的溫度范圍變得越來越窄。這些數(shù)據(jù)也可以用來建立圖7所示的以摩爾分數(shù)表示的相組分隨溫度的變化圖。用這樣的方法可以方便地評價母材和填充金屬成分對相穩(wěn)定性的作用，并可預測焊接和熱處理過程中微觀組織的演變。

圖6　w（Cr）＝12％的馬氏體不銹鋼的ThermoCalc相圖

圖中顯示添加Ni的影響（由俄亥俄州立大學Antonio Ramirez授權，2002）

圖7　圖6中w（Cr）＝12％的鋼中，w（Ni）＝0.3％時，其相組分（摩爾分數(shù)）隨溫度的變化（由俄亥俄州立大學Antonio  Ramirez授權）

        圖8給出了另外一個例子，這是以氮作為成分變量由計算得到的雙相不銹鋼2205的相圖。一個典型的氮的質(zhì)量分數(shù)是0.15％，圖上以一根垂直虛線表示。由圖可知即使在高溫，合金也不能得到全鐵素體組織，而微觀組織中總有一些奧氏體存在，這就可以有效地減少在焊接熱影響區(qū)鐵素體的長大。圖中也示出

了碳化物（M23C6），氮化物（Cr2N）和σ相在熱力學上穩(wěn)定的相區(qū)。

圖8　顯示氮作用的雙相不銹鋼2205的ThermoCalc相圖

（引自Ramirez）

        和圖7相似，圖9可以預測在給定氮的質(zhì)量分數(shù)為0.15％時各個相的體積分數(shù)隨溫度的變化。和圖7不同的是這里用了體積分數(shù)而不是摩爾分數(shù)。為了使圖更為清晰，圖中沒有畫出碳化物和氮化物相，這是因為它們的含量很低。這種相圖對在給定溫度下確定每種相存在的數(shù)量是很有用的，比如在1375℃附近微觀組織中含有大約95％的鐵素體和5％的奧氏體。

圖9　雙相不銹鋼2205［w（N）＝0.15％］中各種相的體積分數(shù)隨溫度的變化

（引自Ramirez等）

        請注意圖9指出：在低于大約900℃  的溫度時，σ相是一種平衡相。盡管在鐵-鉻系合金中σ相形成得很緩慢，但在Fe-Cr-Ni系含鐵素體的不銹鋼中，特別是在Cr、Mo含量較高、在大約700℃時σ相的形成要快得多。雙相鋼的這種特性加上鐵素體含量又高，使其對形成σ相而產(chǎn)生的脆化很敏感。為了避免由鐵素體形成σ相，要求在大致為900～500℃ 的溫度范圍內(nèi)快速冷卻。雙相鋼的這種特性也使其高溫加工包括焊后熱處理受到限制。

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