奥氏体-铁素体相平衡探析

双相不锈钢是以Fe-Cr-Ni-N合金系为基础的。这些钢的成分被调整到使母材金属的微观组织由50%铁素体和50%奥氏体组成，故得名“双相”钢。然而所有双相不锈钢凝固时实际上都生成100%的铁素体，再通过部分的固态相变来形成其平衡组织中的奥氏体。氮经常作为合金元素加入钢中，以加速奥氏体相的形成，同时也改善耐点蚀能力。钼、钨和（或）铜也加入某些钢中以改善耐蚀性。由于合金含量高，加上要求精确而困难的热-机械加工过程，特别是轧制产品，双相不锈钢的生产成本比奥氏体不锈钢高。

双相不锈钢母材金属中的铁素体形成元素与奥氏体形成元素的比例。一般高于奥氏体不锈钢。这就说明了为什么双相不锈钢凝固时实际上生成100%的铁素体。图7-1指出按WRC-1992相组分图当量式计算的铬当量和镍当量的比值大约为1.8或更多时，将凝固成100%的铁素体。而对典型的双相不锈钢母材金属，这个比例大致为2.25～3.5。在高温时（高于铁素体固溶线）合金保持为铁素体。奥氏体只能在铁素体固溶线以下温度才能成核和生长。这些钢的退火和热加工一般在铁素体固溶线以下温度进行，此时奥氏体和铁素体可以平衡共存。通过控制加工温度和随后的冷却速度，可以控制轧制产品中铁素体相和奥氏体相的比例和分布。

图7-1 双相不锈钢成分范围内的伪二元相图中的高温区域，阴影部分代表商业用钢的成分范围

尽管在伪二元相图上画相组成间的连线，其精度是不够的，但仍可以从图7-1看出：如果在靠近铁素体固溶线的温度进行退火或热加工，然后进行淬火，得到的钢将主要含有大量铁素体，只含有少量晶界奥氏体。当退火或加工温度下降，则平衡组织将含有越来越多的奥氏体和越来越少的铁素体。在平衡条件下将发生合金元素的偏聚，结果铁素体生成元素（铬、钼、钨）将通过扩散而集中到铁素体

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图7-2 2205型不锈钢中合金元素的偏聚。成分（质量分数）： 22%Cr、6%Ni、3%Mo、0.12%N

a）低氮双相不锈钢母材金属的显微组织，白色为铁素体，灰色为奥氏体 b）Cr的分布，近白色为w（Cr）=20%～21%，黑色和深灰色为w（Cr）=21%～23%，浅灰色为w（Cr）=23%～24% c）Ni的分布，近白色为w（Ni）=5.0%～5.5%，黑色和深灰色为w（Ni）=5.5%～7.0%，浅灰色为w（Ni）=7.0%～8.0% d）Mo的分布，近白色为w（Mo）=2.50%～2.75%，黑色和深灰色为w（Mo）=2.75%～3.50%，浅灰色为w（Mo）=3.5%～4.0% e）N的分布，近白色为w（N）=0.00%～0.05%，黑色和深灰色为w（N）=0.05%～0.25%，浅灰色为w（N）=0.25%～0.60%（引自Ogawa和Koseki^[11]）

相中，同时奥氏体形成元素（镍、碳、氮和铜）将扩散、集中到奥氏体相中。Ogawa和Koseki^[11]通过图7-2中Cr、Mo富集于铁素体，Ni、N富集于奥氏体说明了这个效应。随着温度下降，奥氏体和铁素体的平衡成分将沿奥氏体固溶线和铁素体固溶线而变化，同时扩散速度也随温度下降而降低。由于在某一个温度时扩散将不再能和两个相平衡成分的变化保持同步，这时，这个温度下存在的平衡相及其成分将被保留在钢中，好像钢在这个温度被淬火了一样。

Vitek和David^[12]提出了一个“有效淬火温度”的概念。在双相不锈钢中如果有效淬火温度高（接近铁素体固溶线温度），则意味着在其相组织中含有很高含量的铁素体。如果有效淬火温度远低于铁素体固相线温度则意味着组织中将含有更多的奥氏体。由于热加工加速了扩散，因而轧制的双相不锈钢比铸造的双相不锈钢或焊缝金属更容易得到一个较低的有效淬火温度。铸造双相不锈钢是通过在1040℃（1900℉）或高于此温度下进行退火，然后淬火来得到室温下的微观组织^[13]。在实践中尽可能选低的退火温度或热加工温度，但也要高到足以使所有的析出物都被固溶^[1]。这个实践中的操作使残留在铁素体中的氮含量降到最低。