物理冶金和力学冶金探究

最广义地看，不锈钢是基于铁-铬二元系的合金。可以从图2-1的铁-铬系相图看到体心立方（BCC）晶系的铁素体相在一个很宽的成分和温度范围内是稳定的。在铬的质量分数低于12%的低铬成分区，冷却时奥氏体（FCC）从固态的铁素体中形成。相图中奥氏体稳定的区域按其形状经常称为γ回线，在γ回线中生成的奥氏体在平衡条件下冷却时将再转变为铁素体，但在更快的冷却条件下奥氏体可能形成马氏体。大部分马氏体钢加有其他元素，经常是碳，它扩展γ回线，从而促进奥氏体的生成并促进其向马氏体转变。这样Fe-Cr-C三元相图就更适合于描述马氏体钢中的相平衡。如第2章所述Fe-Cr-C三元系最好地描述了马氏体不锈钢焊件在加热和冷却时发生的相变。图4-1所示的三元相图中设定铬的质量分数为13%的伪二元相图能够用来决定从凝固温度到室温区间相的稳定^[1]。请注意在w（C）=0.1%～0.25%的碳含量范围内钢凝固成铁素体，然而在凝固终了时会生成一些奥氏体，或者是铁素体和奥氏体的混合物。由图4-1预测随着从凝固区间冷却，在这个碳含量范围内的所有铁素体转变为奥氏体。在低于800℃（1470°F）后，平衡相是铁素体和碳化物（Cr₂₃C₆）。

图4-1 Fe-13Cr伪二元相图，虚线代表了410型不锈钢的名义含碳量

（引自Castro和Tricot^[1]）

在正常的焊接冷却条件下，高温时出现的奥氏体将转变成马氏体，然而很多马氏体不锈钢的马氏体基体中会残留高温铁素体。铁素体残留问题将在后面讨论，然而这里要指出铁素体的残留决定于铁素体形成元素和奥氏体形成元素之间的平衡。碳含量较高时奥氏体相区域扩大，促成全马氏体组织，然而由高的碳含量形成的更硬、更脆的马氏体使钢更倾向于形成氢致裂纹和脆性断裂。

用图4-2所示的410型钢的等温转变图^[2]可以预测焊缝金属和HAZ从奥氏体相区冷却时形成的微观组织。由于在410型钢等温转变中铁素体形成曲线的“鼻尖”的时间坐标超过了100s，所以对大多数熔焊过程就会在焊缝和部分热影响区形成以马氏体为主的微观组织，因而有很高的硬度（大约为45HRC）。值得注意的是：在图4-2中，如果高温奥氏体能在少于200s（大致3min）之内冷却到低于700℃（1290°F），然后在略高于Ms点保温，那么金属就可以保持奥氏体状态至一星期或更长时间。这种性质对于为马氏体钢选择预热或层间温度是非常有用的。多道焊就可以在这种条件下进行，使焊缝金属保持为奥氏体，从而可以容纳焊缝的收缩应变。在这种条件下，即使氢在奥氏体中的扩散系数远低于在铁素体或马氏体中因而逸出很慢，但也可以有足够的时间让氢逸出。当焊接结束后，允许焊缝冷却时，奥氏体焊缝金属就可以转变成马氏体。由于马氏体的密度低于奥氏体，因而这个转变伴随着体积膨胀，使焊缝在压应力下冷却到室温，就不会促使生成裂纹。这种方法经常用于以马氏体不锈钢焊缝金属熔敷连铸器的低合金钢辊以防止裂纹。

图4-24 10型不锈钢的等温转变图

（引自McGannon^[2]，美国钢铁公司授权）

形成马氏体的温度区间主要决定于合金成分，几乎所有的合金元素（除了钴）都倾向于降低马氏体开始转变温度Ms，而碳的影响最大。为了预测不锈钢中马氏体开始转变温度，推导了很多关系式^[3-9]，这些关系式列于表4-3，其中给出了加入马氏体不锈钢中的各个元素的作用系数。表左侧列的常数是一个基数，为了预测Ms的温度（℃），要从这个基数减去以表中系数加权后的项。例如表中Gooch^[3]的预测式可写成：

Ms（℃）=540-（497C+6.3Mn+36.3^[1]Ni+10.8Cr+46.6Mo） （4-1）在应用这些式子时要注意，对于同一成分用不同式子预测得到的Ms温度差别可高达100℃（180°F），一般讲在几个预测值中推荐使用比较安全的预测值。譬如为了选择预热温度就要选择最高的Ms温度预测值。如果关心的是从奥氏体相区冷却时要实现完全的马氏体转变，那么就要选择最低的Ms，因为马氏体转变完成温度Mf大概比Ms值低100℃（180°F）。(www.xing528.com)

表4-3 预测马氏体开始转变温度Ms（℃）的关系式

①-1.34（Ni×Cr）+22.4（Cr+Mo）×C。

大多数马氏体不锈钢碳的质量分数为0.1%～0.25%，其Ms值相对较高，在200～400℃（390～750°F）范围内。因为马氏体转变完成温度Mf一般比Ms低100℃（180°F），所以马氏体转变可以在室温完成。在合金含量更高的钢中，特别是镍的质量分数为4%或更高的钢中，Mf值低于室温，使某些奥氏体残留在钢中，这对钢的韧性可能有利。

图4-34 10型不锈钢淬火后的回火组织

图4-3示出了回火马氏体不锈钢母材的典型微观组织。这个组织主要含有铁素体和碳化物，而回火促使形成富铬碳化物和（或）合金碳化物，并使马氏体的BCT（体心正方）晶体结构转变为铁素体的BCC（体心立方）结构。

表4-4给出了几种退火状态和（或）回火状态下马氏体不锈钢力学性能的下限值。更完全的不同产品类型和热-机械加工后的性能可查阅其他文献^[10]。

表4-4 马氏体不锈钢力学性能下限值