探究铁素体-马氏体合金系的性质

已开发了预测在铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和铁素体-马氏体不锈钢中相平衡的公式和相组分图。Kaltenhauser^[63]认识到Thielemann在参考文献[16]中提出的不同合金元素的铬当量系数，是基于二元相图而且是为锻压母材而研发的，他在参考文献[63]中修正了这些系数，并且提出了一个铁素体因子，以确定在铁素体不锈钢焊缝中形成马氏体的倾向。Kaltenhauser特别关注的是低铬铁素体类钢如409不锈钢，他提出的这个铁素体因子被称为Kaltenhauser因子或叫K因子：

K因子=Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al-40（C+N）^[4]-2Mn-4Ni （3-34）

当K因子高于^[4]一定水平后就可以保证得到全铁素体组织。Kaltenhauser又假设对于铁素体类的所有钢种，为了保证得到全铁素体的组织，K因子不是唯一值。他在测定了大量不同成分的焊缝金相组织的基础上，对于各个钢种分别提出了对应的K因子值，对于低铬铁素体钢，其临界K因子值是13.5；而对于中铬系钢，K临界值是17，要达到这个临界K因子水平从而得到由其决定的微观组织，一般是通过降低碳含量或者通过增加钛含量，或者二者并用来实现。

Wright和Wood^[64]在对Thielemann^[16]体系进行修正后也提出了一个铬当量关系式：

Cr_eq=Cr+5Si+7Ti+4Mo+12Al-40（C+N）-2Mn-3Ni-Cu （3-35）

在一般铁素体钢的成分范围内，要求铬当量值高于12以保证得到全铁素体组织。这个关系式除了加了一个铜的系数项以及铝的作用系数有大的差别外，它和Kaltenhauser因子关系式只略有差别。

Lefevre等^[65]在研究了比商业合金成分范围更宽的低铬合金钢后，（通过改变铬和镍的当量关系式）开发出一个用于这些钢的相组分图，类似于DeLong相组分图。这张图（图3-19）也是Schaeffler相组分图成分范围内的一张子图。其坐标轴的数值计算是先确定铬和镍的当量值然后各自减掉一个常量，其公式如下：

Cr_eq=Cr+8Ti-11 （3-36）

Ni_eq=Ni+10C-0.4（ 3-37）

Lippold^[66]在1990年对铁素体不锈钢焊接性的综述中延伸了这个想法并用K因子当量重画了Lefevre的相组分图，如图3-20所示。图中铁素体+马氏体相区的形状和Shaeffler相组分图（图3-4）的相似。然而在Lefevre等和Kaltenhauser工作的基础上这张相组分图考虑了钛和铝的作用，为预测低铬不锈钢微观组织提供了更精确的方法。

图3-19 用于铁素体和马氏体不锈钢的Lefevre相组分图

（引自Lefevre等^[65]）

图3-20 Lippold用Kaltenhauser因子开发的铁素体不锈钢相组分图

（引自Lippold^[66]，Edison焊接研究所授权）

因为用于相组分图微观组织的数据是由低铬合金从1100°C（2021°F）淬火后的组织中得到的，所以可以作为一级近似用来预测其焊缝金属的组织。请注意相组分图中完全铁素体相区和铁素体+马氏体相区之间的界线和Kaltenhauser对低铬钢提出的临界K因子（K因子=13.5）相对应而且接近他对中铬合金钢的推荐值（K=17）。这种相组分图对预测在马氏体不锈钢焊缝中是否存在δ铁素体也有用。由于在他们开发相组分图时，文献中可用的数据不全，因而相组分图中没有可以预测焊缝金属中马氏体或铁素体体积分数的等铁素体线。(www.xing528.com)

Patriarca等^[67]在研究9Cr-1Mo钢用于蒸汽发生器的可能性时，用了一些Thielemann的常数^[16]去修正通用电气公司（GE）研究者开发的铬当量关系式，这个修改后的式子用来预测在马氏体焊缝组织中形成的δ铁素体数量。式子为：

Cr_eq=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+12Al+8Ti-40C-2Mn-4Ni-2Co-30N-Cu （3-38）

这个式子在预测合金元素可能的影响方面更为全面，除普遍报道的元素外，加入了钨、钒、铌和钴的系数项。

Panton-Kent^[68]在研究9Cr-1Mo钢的相平衡时用了Patriarca等的铬当量关系式并修正了K因子，在其中加入了铌的系数项以用于马氏体钢。他们得到了下式所示的修正后的铁素体因子FF，并发现FF对于用商用焊条焊成的成分范围比较窄的焊缝金属更为精确。

FF=Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al+4Nb-2Mn-4Ni-40（C+N） （3-39）

用此式得到的铁素体因子（FF）接近或者低于7.5的焊缝金属将为全马氏体组织。

图3-21 预测低碳13%Cr马氏体不锈钢焊接热影响区（HAZ）中铁素体含量的相组分图

（引自Gooch等^[69]）

Gooch等^[69]在英国焊接研究所（TWI）开发了一张初级相组分图（图3_-21），用来预测所谓超级马氏体不锈钢的低碳13%Cr钢HAZ中铁素体的含量。由于用此图评价的钢的数目很少，特别是高镍含量钢更少，所以对微观组织的预则只是定性的而不是严格定量的。又由于这张相组分图是在热影响区组织的基础上开发的，所以是否能用于焊缝金属也还有问题。

最近Balmforth和Lippold^[70，71]开发了一张铁素体-马氏体不锈钢相组分图。这张图覆盖了大多数商业铁素体钢和马氏体钢的成分范围。他们为了开发这种图，焊了200多个不同成分的纽扣形焊珠，然后用定量金相方法测定其中存在的相组分，得到的图示于图3-22。

图3-22 用于铁素体和马氏体不锈钢焊缝金属的Balmforth相组分图，相图上面的表列出了开发相组分图用的成分范围

（引自Balmforth和Lippold^[71]，美国焊接学会授权）

这张相组分图中的镍当量实际上和WRC-1992相组分图的镍当量是相同的，但铬当量关系式中Al和Ti的作用系数较大。这张图在其开发时用的成分范围内（高达Ni_eq=6，Cr_eq=24），被证明是非常精确的。图的坐标轴稍有延伸，为的是能容纳更宽的合金范围。该图的有效成分范围列于图3-22中相组分图的上方，它覆盖了大多数铁素体不锈钢和马氏体不锈钢，但是用于碳的质量分数低于0.03%的钢可能会有问题，这个限制将在第4章和第5章中讨论。在Balmforth相组分图的上部也有一个奥氏体稳定区，这和图3-4的Schaeffler相组分图是一致的。