铁-铬-碳系中碳的影响及铁素体形成元素铬的作用

把碳加入铁-铬系，显著改变了平衡相图使其复杂化。由于碳是奥氏体形成元素，它使γ相回线区扩大，即在铬含量高得多的成分下仍使奥氏体在高温区保持稳定。图2-2示出了碳对扩大奥氏体相区的影响，请注意即使很少的碳含量，也可使γ相回线区显著地扩大，这对于开发马氏体钢很重要，因为要在冷却时形成马氏体，则在高温时钢必须是奥氏体。而对于铁素体类钢，γ相回线面积必须予以控制，使得高温时没有或者只有很少奥氏体存在。

图2-2 碳对奥氏体相区扩张的影响

（引自Baerlacken等^[6]）

为了可以观察Fe-Cr-C三元系随温度的变化，需要把其中一个成分设为固定值，用这种方法可以建立一种伪二元相图或者叫等成分面。这种相图之所以称为伪二元相图是因为它只示出了一个三维系统中的二维投影，因此它不能像二维相图那样使用。例如在伪二元相图中相界线之间的连接线就不能用来预测相的平衡组分，因为这种相图还有“深度”（即连接线不一定就在伪二元相图所在的平面上）。然而它们在理解三元系中相的转变和平衡方面是很有用的。图2-3示出了Fe-Cr-C三元系中w（Cr）=13%和17%的两个合金系的Fe-C伪二元相图。

这些相图比简单的Fe-Cr相图要复杂得多，这主要是因为加入了碳元素和出现了附加的二相和三相区，由于加了碳，在相图中还出现了两种不同的碳化物（Cr，Fe）23C₆和（Cr，Fe）7C₃。

对于铬含量低的铁素体和马氏体不锈钢，w（Cr）=13%的伪二元相图可以用来解释相的稳定和微观组织。在碳含量很低时[w（C）低于0.1%]，这种三元合金在高温时是完全的铁素体组织，如果冷却速度足够快，则合金会把初始铁素体保留下来。对于w（Cr）=13%的相图，这就是形成低铬铁素体不锈钢如409型钢的基础。(www.xing528.com)

当碳的质量分数高于0.1%时，在高温时将形成奥氏体，在刚刚低于固相线的温度范围内是奥氏体和铁素体的混合组织，在冷却到低于1200℃（2190℉）温度时组织变成全奥氏体。随后当冷速足够快时会转变为马氏体，这就是低铬马氏体不锈钢如410型钢形成的基础。在碳的质量分数较低（0.05%）的钢中，高温时可以出现奥氏体和铁素体混合组织，从而在快速冷却时得到含有铁素体和马氏体的混合组织，由于这种组织的力学性能较差，所以是不希望得到的。

图2-3 Fe-Cr-C伪二元相图

a）w（Cr）=13% b）w（Cr）=17% C₁—（Cr，Fe）23 C₆碳化物 C₂—（Cr，Fe）7 C₃碳化物（引自Castro和Tricot^[7]）

在高铬含量的Fe-Cr-C系合金中，由图2-3bw（Cr）=17%的伪二元相图中可以看到铁素体相区扩大，奥氏体相区缩小。这是由于铁素体形成元素铬的作用。这时在高温形成的铁素体就更为稳定，而要形成高温奥氏体就必须含有更多的碳。这就是形成中铬铁素体钢如430型钢和中铬、高碳马氏体钢如440型钢的基础。