特殊合金系相图优化

目前有很多软件包可以基于热力学数据来建立特殊合金系的相图。这些软件包考虑了多种元素的相互作用，从而建立从熔点到室温范围的相平衡图。Ther-moCalc是用得最广泛的软件包之一。像ThermoCalc这样的软件程序对于预测不锈钢焊缝及热影响区组织的演变是很有用的，但是必须认识到由其产生的相图是表示平衡状态，而在焊接过程中，由于快速加热和冷却，平衡经常是达不到的。

图2-6示出了一个用ThermoCalc开发的相图的例子。它代表了基本合金成分（质量分数）为12Cr-0.5Mo-0.5Si-0.1C的典型410型马氏体不锈钢的相图。这个图的成分轴上Ni的质量分数由0%变化到5%。在确定Ni含量如何影响各个相区，特别是对确定Ni加入量如何影响这种合金的焊缝及热影响区中铁素体含量方面这种相图是很有用的。例如在图2-6中比较w（Ni）=0.3%的合金A和w（Ni）=2.0%的合金B，可以发现对于合金B在1400℃（2550℉）附近不存在铁素体单相区，而随Ni含量增加α+γ双相区的温度范围变得越来越窄。这些数据也可以用来建立图2-7所示的以摩尔分数表示的相组分随温度的变化图。用这样的方法可以方便地评价母材和填充金属成分对相稳定性的作用，并可预测焊接和热处理过程中微观组织的演变。

图2-6 w（Cr）=12%的马氏体不锈钢的ThermoCalc相图，

图中显示添加Ni的影响（由俄亥俄州立大学Antonio Ramirez授权，2002）

图2-7 图2-6中w（Cr）=12%的钢中，w（Ni）=0.3%时，

其相组分（摩尔分数）随温度的变化（由俄亥俄州立大学Antonio Ramirez授权）

图2-8给出了另外一个例子，这是以氮作为成分变量由计算得到的双相不锈钢2205的相图。一个典型的氮的质量分数是0.15%，图上以一根垂直虚线表示。由图可知即使在高温，合金也不能得到全铁素体组织，而微观组织中总有一些奥氏体存在，这就可以有效地减少在焊接热影响区铁素体的长大。图中也示出了碳化物（M₂₃C₆），氮化物（Cr₂N）和σ相在热力学上稳定的相区。(www.xing528.com)

和图2-7相似，图2-9可以预测在给定氮的质量分数为0.15%时各个相的体积分数随温度的变化。和图2-7不同的是这里用了体积分数而不是摩尔分数。为了使图更为清晰，图中没有画出碳化物和氮化物相，这是因为它们的含量很低。这种相图对在给定温度下确定每种相存在的数量是很有用的，比如在1375℃（2510℉）附近微观组织中含有大约95%的铁素体和5%的奥氏体。

请注意图2-9指出：在低于大约900℃（1650℉）的温度σ相是一种平衡相。尽管在铁-铬系合金中σ相形成得很缓慢，但在Fe-Cr-Ni系含铁素体的不锈钢中，特别是在Cr、Mo含量较高、在大约700℃时（1290℉）σ相的形成要快得多。双相钢的这种特性加上铁素体含量又高，使其对形成σ相而产生的脆化很敏感。为了避免由铁素体形成σ相，要求在大致为900～500℃（1650～930℉）的温度范围内快速冷却。双相钢的这种特性也使其高温加工包括焊后热处理受到限制，这将在第7章中进行讨论。

图2-8 显示氮作用的双相不锈钢2205的ThermoCalc相图

（引自Ramirez[10]）

图2-9 双相不锈钢2205[w（N）=0.15%]中各种相的体积分数随温度的变化

（引自Ramirez等^[10]）