奥氏体不锈钢：类型和物理冶金解析

1.奥氏体不锈钢的类型

奥氏体不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分为如下三类：

（1）18-8型奥氏体不锈钢 应用最广泛的一类奥氏体不锈钢，其他奥氏体钢的钢号都是根据不同使用要求而衍生出来的。主要牌号有12Cr18Ni9和06Cr18Ni9。为克服晶间腐蚀倾向，又开发了含有稳定元素的18-8型不锈钢，如06Cr18Ni11Nb等。随着熔炼技术的提高，采用真空冶炼降低了钢中的含碳量，制造出了超低碳18-8型不锈钢，如022Cr19Ni10等。

（2）18-12Mo型奥氏体不锈钢 这类钢中Mo的质量分数为2％～4％。由于Mo是缩小奥氏体相区的元素，为了固溶处理后得到单一的奥氏体相，在钢中Ni的质量分数要提高到10％以上，如06Cr17Ni12Mo2、06Cr17Ni12Mo2Ti等。它与18-8型不锈钢相比，具有高的耐点腐蚀性能。

（3）25-20型奥氏体不锈钢 这类钢铬、镍含量很高，具有很好的耐蚀性和耐热性。由于含镍量很高，奥氏体组织稳定，但Cr的质量分数高于16.5％时，在高温长期服役会有σ相脆化倾向，牌号有06Cr25Ni20等。

2.奥氏体不锈钢的物理冶金

（1）奥氏体不锈钢的析出物 奥氏体不锈钢的组织转变分析可借助于Fe-Cr-Ni系（w_Fe＝70％）伪二元相图，如图10-2所示。奥氏体不锈钢凝固析出的初始相可以是奥氏体，也可以是δ铁素体，分界线约为三元系中的18Cr-12Ni成分，即Cr／Ni的值是18∶12。也就是说，Cr／Ni高于此值，凝固初析相是δ铁素体；低于此值，初析相是奥氏体。

在奥氏体不锈钢中可以形成很多不同的析出物，这取决于钢的成分和热过程。表10-2列出了这些析出物和其晶体结构及化学成分。

由于M₂₃C₆碳化物的析出对不锈钢的耐蚀性有很大影响，因而备受关注。如图10-3所示，M₂₃C₆在700～900℃温度区间沿晶界很快析出，只要停留时间稍长，碳化物就会在晶界析出，导致在某些介质中产生晶间腐蚀。由冷作硬化而强化的不锈钢中会加速M₂₃C₆的析出。

σ相、χ相、η相和G相也可能在奥氏体不锈钢（特别是含Mo、Nb、Ti的不锈钢）中形成。在高温长时间停留后形成这些相而使钢脆化。图10-4示出σ相对Fe-Cr-Ni系不锈钢冲击吸收能量的影响。

图10-2 Fe-Cr-Ni系（w_Fe＝70％）伪二元相图

表10-2奥氏体不锈钢中的析出物

图10-3 Cr18-Ni8不锈钢中M₂₃C₆碳化物的析出（w_C＝0.05％）

图10-4 σ相对Fe-Cr-Ni系不锈钢冲击吸收能量的影响(www.xing528.com)

（2）奥氏体不锈钢焊缝的凝固模式 奥氏体不锈钢焊缝的室温组织决定于凝固模式和固态相变。所谓凝固模式，首先是以何种初生相（γ或δ）开始结晶进行凝固过程，其次是以何种相完成凝固过程。奥氏体不锈钢焊缝凝固时，要么以δ铁素体为初始析出相，要么以γ奥氏体为初始析出相，这取决于焊缝金属的成分。研究表明，奥氏体不锈钢焊缝金属有4种凝固和固态相变的可能模式。表10-3列出了这4种凝固模式（可与图10-5所示的Fe-Cr-Ni相图联系起来分析）。

表10-3奥氏体不锈钢凝固模式、相变反应和显微组织特征

图10-5 凝固模式和Fe-Cr-Ni伪二元相图（w_Fe＝70％）的关系

图10-5中合金①的初生相为γ，直到凝固结束不再发生变化，因此用A表示这种凝固模式，生成全部奥氏体（见图10-6）。合金②的初生相为γ，超过AC面后依次发生包晶和共晶反应，即L→L＋γ→L＋γ＋（γ＋δ）共晶→A＋F_共晶，这种凝固模式以AF表示，由AF模式凝固生成的焊缝组织如图10-7所示。合金③初生相为δ，超过AB面后又依次发生包晶和共晶反应，即L→L＋δ→L＋δ＋（δ＋γ）包晶／共晶→F＋A，这种凝固模式以FA表示，由FA模式凝固生成的焊缝组织（A＋骨架状铁素体、A＋板条状铁素体）如图10-8所示。合金④以δ铁素体相完成整个凝固过程，凝固模式以F表示。

A和AF凝固模式是以奥氏体为初始析出相的凝固过程，首先形成奥氏体；而FA和F凝固模式是以δ铁素体为初始析出相的凝固过程，由于在较低温度下铁素体不稳定，在FA和F模式凝固后，在固态会发生附加的组织转变。

（3）奥氏体钢焊缝组织的界面 奥氏体不锈钢焊缝金属中出现的各种边界或界面的性质很重要，因为焊缝的性能和焊接结构运行中出现的缺欠或失效都与这些边界有关。以A模式和AF模式凝固的焊缝金属在抛光和腐蚀后能清楚地观察其凝固组织，其中形成的各种边界在金相图上特别明显，如图10-9所示。

1）凝固晶界（SGB）。由亚晶粒束或亚晶粒团相交形成（见图10-8），是焊接熔池尾部凝固时晶粒沿熔池边界向内部竞争生长的结果。因为每一个亚晶粒束都具有不同的生长方向和晶格取向，它们相交形成的晶粒边界具有高的位相差，被称为“大角度晶界”，这种大的位相差导致沿凝固晶界形成位错网络。由于凝固时溶质发生再分布，在凝固终了阶段导致沿着晶界形成低熔点薄膜而促使产生凝固裂纹。在奥氏体不锈钢焊缝中的凝固裂纹一般是沿凝固晶界形成的。

图10-6 A模式凝固生成的奥氏体组织示意图

图10-7 AF模式凝固生成的焊缝组织示意图

2）凝固亚晶界（SSGB）。分开相邻亚晶粒的边界成为“凝固亚晶界”，这种亚晶粒一般呈现为胞状晶和枝状晶。亚晶界可以用光学显微镜明显地观察到，因为其成分和晶粒内部不同。凝固亚晶界两侧晶格取向的差别很小，在晶体学上用“小角度晶界”表征。这种小角度位相差（接近0°）是由于凝固时亚晶都沿着优先结晶方向（或易生长方向）结晶，在面心立方（fcc）和体心立方（bcc）金属中这个方向是＜100＞方向。因为不需要以位错来补偿微观结构上大的位相差，所以沿着凝固亚晶界的位错密度一般很低。

3）迁移晶界（MGB）。某些情况下凝固晶粒边界发生迁移，这种迁移后带有母体凝固晶粒边界大角度位相差的新晶界称为“迁移晶界”。晶界迁移的驱动力是降低晶界能量，这与母体金属中的晶粒长大相同。原始凝固晶界由取向不同的胞状晶和树枝晶束相交形成，是弯曲的。形成晶体学平直晶界可以降低能量，在这个过程中新的晶界离开老的晶界，再加热时（例如多道焊），这种平直的晶界可能进一步迁移。迁移晶界带着凝固晶界原有两侧晶粒的晶格取向差，仍是一种大角度晶界，位相差大于30°。

迁移晶界在奥氏体不锈钢组织中很普遍。例如，当焊缝金属以AF模式凝固时，铁素体在凝固终了阶段沿凝固亚晶界（SSGB）和凝固晶界（SGB）形成。铁素体对凝固晶界的晶体学“组分”有钉扎作用，可阻止它离开母体凝固晶界发生迁移，这样就因为大角度晶界不能迁移而不能形成迁移晶界。