奥氏体不锈钢中的物理冶金及相图分析

奥氏体不锈钢通过成分设计和热-机械加工使其组织主要是奥氏体，轧制和铸造的微观组织可以是全奥氏体或者是奥氏体和铁素体的混合组织，这取决于铁素体形成元素和奥氏体形成元素之间的平衡。

图6-1示出了轧制奥氏体不锈钢微观组织的两个例子。一个微观组织是由等轴奥氏体晶粒组成。另一个微观组织中有沿轧制方向排列的残留高温铁素体（δ铁素体）。这些铁素体是由于在凝固和热-机械加工时铁素体生成元素（主要是铬）发生偏聚而产生的。经常只有较低体积分数（少于2%～3%）的铁素体出现。虽然在大多数应用中，不认为在轧制奥氏体不锈钢中出现铁素体是有害的，但它可能降低奥氏体不锈钢的韧度和延性。M₂₃C₆和σ相可能在铁素体相上优先析出。而σ相在不锈钢中是脆性组分。

图6-1 304型不锈钢板微观组织

a）全奥氏体 b）奥氏体+条状铁素体

奥氏体不锈钢的相变行为可以用第2章中讲述的Fe-Cr-Ni三元素中w（Fe）=70%的伪二元相图^[1]来描述。在图6-2中重画了这张图。

图6-2 Fe-Cr-Ni系w（Fe）=70%的伪二元相图

（引自Lippold和Savage^[1]，美国焊接学会授权）

注意：奥氏体不锈钢凝固时析出的初始相可以是奥氏体也可以是铁素体。这两种凝固初始析出相的分界线大约在三元系中的18Cr-12Ni成分，即铬、镍的比值是18∶12。铬/镍比例高于此比值，凝固初析相是δ铁素体；而比例低于此比值是奥氏体。注意：在凝固温度区间有一个小三角区，其中奥氏体、铁素体和液相三相共存。在这个三角区左侧凝固成的奥氏体在冷却到室温过程中都保持为稳定的奥氏体。然而凝固初始析出铁素体的钢在凝固结束时可能是全铁素体或者是奥氏体和铁素体的混合物组成。由于奥氏体和铁素体的固溶线都有一个向右的弯曲度，因而在随后平衡冷却时大部分或者全部铁素体转变为奥氏体。这可以由名义成分为20Cr-10Ni的钢看出，其组织在冷却到1000°C（1830°F）时转变为全奥氏体。而在焊接时经受的快速冷却会使这个相变受到遏制。一些铁素体会残留在微观组织中，由此产生的结果将在6.3.1节中予以阐述。

在奥氏体不锈钢中其他合金元素对相平衡的影响可以用由计算热力学（如ThermCalc^[2]）画出的相平衡图来确定。图6-3中示出了Fe-18Cr-10Ni-1.5Mn-0.5Si-0.04N系钢随碳含量变化计算的相图，和Fe-10Ni-1.5Mn-0.5Si-0.04C-0.04N系钢随铬含量变化计算的相图。这些相平衡图和图2-5a很相似，只是附带地显示了析出碳化物和氮化物的区间。

图6-3 用ThermoCalc计算得到的相图

a）Fe-18Cr-10Ni-1.5Mn-0.5Si-0.04N，变量是C b）Fe-10Ni-1.5Mn-0.5Si-0.04C-0.04N，变量是Cr（AntonioRamirez授权）(www.xing528.com)

在奥氏体不锈钢中可以形成很多不同的析出物，这取决于钢的成分和热处理过程。表6-3列出了这些析出物和其晶体结构以及化学配比。

表6-3 奥氏体不锈钢中的析出物

由于铬是一个强碳化物生成元素，因而在每一种奥氏体不锈钢中都有碳化物存在。加入其他碳化物形成元素包括Mo、Nb和Ti也促进碳化物的生成。碳化物形成的属性包括成分和生成温度区间的影响是很复杂的，对其细节，读者可以参阅更丰富更完备的资料^[3，4]。

由于M₂₃C₆碳化物的析出对钢耐腐蚀性能的有害影响，因而备受关注。如图6-4所示，M₂₃C₆在700～900°C（1290～1650°F）温度区间内沿晶界很快析出，只要停留时间稍长，碳化物就会在晶界析出，而导致在某些介质中产生晶间腐蚀。^[5]在由冷作硬化而强化的不锈钢中这种析出会加速。

图6-4 在含质量分数为0.05%碳的304型不锈钢中M₂₃C₆碳化物的析出

（引自Cihal^[5]）

σ相，χ相、η相、G相和莱维氏（Laves）相（表6-3）也可能在奥氏体不锈钢，特别是在含有Mo、Nb和Ti的钢中形成。钢在高温长时间停留后形成这些相而脆化，这是一种很典型的情况。图6-5示出了σ相对Fe-Cr-Ni系钢冲击韧度的影响。注意不到5%的σ相已足以使冲击韧度降低50%以上。

图6-5 σ相对Fe-Cr-Ni系不锈钢室温冲击韧度的影响

（引自Talbot和Furman^[6]，ASM国际授权）