析出行为的引发原因与应对策略

在铁素体不锈钢焊缝金属中铁素体晶粒内或铁素体-马氏体界面上会出现细小的弥散的析出物。在未经稳定化的钢中这些弥散析出物主要是富铬的碳化物[M₂₃C₆和M₂₃（C_，N）₆]或者是富铬的氮化物^[29]；在稳定化的钢中（444型、439型和468型）也可能是MC型的碳化物。图5-9b示出了在439型不锈钢焊缝金属中的这种析出物。在热影响区中也观察到类似的析出物。这些析出物是由于在高温时碳和氮在铁素体相中过饱和而形成的。在冷却时取决于冷却速度，析出的位置可以在晶界也可以在晶内，在冷速快时观察到有众多的晶内析出，而冷速慢时优先在晶界析出^[30]。析出物的数量和性质将对铁素体不锈钢焊件的力学性能和耐腐蚀性能产生影响^[2，29]。

如图5-1和前面的图2-3所示，随焊缝金属在固态下冷却，碳在铁素体中的溶解度剧烈下降。在w（Cr）=13%的钢中，在1400℃（2550℉）下，质量分数高达0.1%的碳可溶解于铁素体中，而在冷却到1100℃（2010℉）时，碳的溶解度实际上降到了0。在w（Cr）=17%的钢中，碳的溶解度（质量分数）也随冷却而剧烈下降，从1400℃（255℉）的0.15%降到1000℃（1830℉）的接近于0.03%。在碳的质量分数高达0.05%的商业用低铬和中铬铁素体不锈钢中，如果没有碳化物稳定元素（Ti或Nb）和（或）没有高温奥氏体存在，则在焊缝金属中析出碳化物是不可避免的。许多现代铁素体不锈钢碳的质量分数仅为0.02%～0.03%，以避免过多的碳化物析出。但是即使在这种钢中（如果设有稳定化元素），也会有一些碳化物析出。

图5-11示出了铬的质量分数为18%的Fe-Cr-N三元系的伪二元相图。如图所示氮的析出行为将和碳相似。在铁素体中氮的溶解度（质量分数）由1300℃（2370℉）下的0.08%降低到900℃（1650℉）下的少于0.02%。因为大多数第一代商业用铁素体不锈钢含有质量分数为0.05%数量级的氮，因而在铁素体中可望析出氮化物。和碳相似，氮化物或者碳氮化物的析出可以通过添加稳定化元素钛和铝来避免。这两种元素都是很强的氮化物形成元素。

如果在高温形成了奥氏体（沿铁素体晶界），则因为碳和氮在其中有高的溶解度而不会形成析出物。由图5-1和图5-11可知：（在1200℃（2210℉）下w（Cr）=17%～18%的合金中碳和氮的溶解度（质量分数）将分别为0.32%和0.41%，所以高温时对于这两种元素奥氏体就像一个沉淀池，在高温时出现奥氏体（导致室温组织中出现马氏体），那么在室温微观组织中马氏体周围的铁素体中经常形成无析出物区。这是因为作为马氏体的母相的奥氏体在高温对碳和氮有强的亲和力，碳和氮经短程扩散从附近的铁素体进入奥氏体，从而降低了其周围铁素体中碳和氮的局部浓度，而当冷却通过析出温度区间时，碳、氮化物析出的驱动力很小，甚至没有。图5-10示出了430型不锈钢焊接熔敷金属中沿铁素体晶粒边界析出的马氏体周围出现的无析出物区。

弥散析出也可能沿着铁素体-铁素体或者铁素体-马氏体边界发生，这些析出物一般是富铬M₂₃C₆和M₂₃（C+N）₆^[2]。这种析出导致晶界附近局部区域铬含量降低（贫铬），使晶界对腐蚀破坏敏感。这种称为“敏化”的现象将在5.6节中更详细地讨论。碳化物、碳氮化物和氮化物的析出可以被有效地遏制，这是通过降低碳、氮含量到极低的水平[w（N）<0.01%]和通过加入稳定化元素或者两种措施都采用来实现。很多第三代的高铬铁素体钢，例如E-Brite 26-1把碳的质量分数限制到0.01%以下，氮的质量分数低于0.02%同时含有Ti和Nb的添加剂。本章后面将讨论对于铁素体不锈钢，为了保证其力学性能和耐蚀性，避免弥散析出是其关键。(www.xing528.com)

图5-11 w（Cr）=18%的Fe-Cr-N伪二元相图

（引自ASM《金属手册》^[31]，由ASM国际授权）