氮对不锈钢奥氏体相生成的影响

所有现代双相不锈钢都有意加入氮，以提高强度，改善耐点蚀能力，氮的质量分数的范围在0.08%和0.35%之间（见表7-1）。由图7-5中氮的溶解度和温度之间的关系曲线可以看到：这个含量远高于温度低于1000℃（1830℉）时氮在铁素体中的固溶极限。比较图中的两条曲线，奥氏体相中氮的固溶度要高得多。氮在两种相中固溶度的差异对合金中氮化物的析出具有重要含意。当组织是平衡的（在某一高温下保温，达到接近50/50的混合组织，然后快速冷却），这时氮在铁素体和奥氏体间进行分配，大部分留在固溶体中。

图7-5 氮在铁素体和奥氏体中的固溶度（在几个文献的基础上由Lippold构建）

如果铁素体含量高，譬如在快速冷却下的焊缝和热影响区中，由于氮含量已超过在铁素体中的固溶极限，而又没有充分的时间去偏聚到奥氏体相中，因而发生强烈的氮化物析出反应。在大多数情况下析出物是富铬氮化物，并认为主要是Cr₂N^[14，15]，强烈的析出反应的结果和铁素体不锈钢相似，最显著的是降低延性，降低韧度和降低耐腐蚀能力。

双相不锈钢的焊缝及其热影响区是从接近铁素体固相线的温度快速冷却的，所以有倾向在其金属中生成比母材金属多得多的铁素体。因为双相不锈钢焊件中相的平衡和扩散紧密相关，这样氮就成为降低有效淬火温度的关键元素使得HAZ能达到轧制或铸造双相不锈钢母材相平衡组分。之所以如此，是因为双相不锈钢中的合金元素除了碳和氮外都是置换型合金元素，它们的扩散速率都很低，相反碳和氮是小的间隙型元素，在等于或高于双相不锈钢正常退火温度[1040℃（1900℉）或更高]直到铁素体固溶线温度之间的温度区间有很快的扩散速度。碳由于对耐蚀性的负面作用是不希望要的元素，一般要使其含量尽可能低。这样氮就成为在焊接冷却条件下能控制相平衡，促成奥氏体的关键元素。

在高于1040℃（1900℉）到铁素体固相线的温度区间，氮在奥氏体中的溶解度远高于铁素体。Ogawa和Koseki^[11]发现在一种氮的名义质量分数为0.127%的2205型母材金属中，铁素体仅含有质量分数少于0.05%的氮，而奥氏体竟含有质量分数高达0.30%的氮。当钢冷却到铁素体固溶温度以下，氮就从铁素体向生成的奥氏体中扩散，如果冷却速度太快，使氮达不到奥氏体，则一些氮就会留在铁素体中，随后以铬的氮化物析出。

图7-2示出了合金元素在轧制2205钢中的偏聚，而图7-6示出了同一种钢由自动钨极氩弧焊（GTAW）焊得的焊缝组织和元素偏聚。可见焊缝金属中的铁素体相比轧制金属有很大增加———在参考文献[11]中Ogawa和Koseki确认在焊缝金属微观组织中有74%的铁素体，而在轧制金属中仅有49%的铁素体。图7-6a显示奥氏体主要沿铁素体晶界形成，在铁素体晶粒内只有很少量的小奥氏体片。焊缝金属也显示了大量铬的氮化物的析出（图7-6a铁素体晶粒内离晶界奥氏体一定距离的细小黑色斑纹），而在紧靠晶界奥氏体的区域没有氮化物，这是因为原来在这个区域的氮有足够时间扩散进入了奥氏体。

和图7-2中轧制金属不同，如图7-6b～d所示，在焊缝中Cr、Ni、Mo很少偏聚，由于在相变温度区间冷却速度相对很快，使这些置换型元素没有时间产生偏聚，铬、镍、钼的有效淬火温度接近于对应的铁素体固溶线的温度，而图7-6e显示间隙元素氮只要可能就强烈地偏聚到奥氏体中。在焊缝中氮在奥氏体中的含量接近于图7-2所示的氮在轧制金属奥氏体中的含量，这样氮就有一个显著低于铁素体固溶线温度的有效淬火温度，这说明在置换型元素只有极低扩散速度的温度下氮的移动能力仍然十分强。

Ogawa和Koseki^[11]进一步揭示：在2205钢中把氮的质量分数由0.12%增加到0.18%，奥氏体可以在更高的温度下在晶内形核，结果氮的扩散更快了，并让氮在铁素体固溶线以下温度范围内，需要扩散的距离缩短了，最终的结果是消除了焊缝金属中氮化物的析出，如图7-7a所示。由图7-7b～d可见：Cr、Ni、Mo的偏聚少有进展，而由图7-7e可见：氮的偏聚实际上已完成。同时奥氏体的生成量大为增加，且更多地生成于晶内，结果和图7-6的低氮含量钢相比较，氮只要扩散一个较短的距离就可达到奥氏体。

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图7-6 低氮2205焊缝金属组织及合金元素偏聚。成分（质量分数）：22%Cr、6%Ni、3%Mo、0.12%N

a）低氮双相不锈钢焊缝金属的显微组织，白色为铁素体，灰色为奥氏体 b）Cr的分布，近白色w（Cr）=20%～21%，黑色和深灰色w（Cr）=21%～23%[Cr在铁素体和奥氏体之间没有明显的偏聚，成分是均匀的，为w（Cr）=21%～23%]，浅灰色w（Cr）=23%～24% c）Ni的分布，白色w（Ni）=5.0%～5.5%，黑色和深灰色w（Ni）=5.5%～7.0%[Ni在铁素体和奥氏体之间没有明显的偏聚，虽然有一些晶粒间偏析，但整个成分都在w（Ni）=5.5%～7.0%之间]，浅灰色w（Ni）=7.0%～8.0% d）Mo的分布，白色w（Mo）=2.50%～2.75%，黑色到深灰色w（Mo）=2.75%～3.50%[Mo在铁素体和奥氏体之间没有明显的偏聚，整个成分都在w（Mo）=2.75%～3.50%之间]，浅灰色w（Mo）=3.5%～4.0% e）N的分布，近白色w（N）=0.00%～0.05%，黑色和深灰色w（N）=0.05%～0.25%，浅灰色w（N）=0.25%～0.60%

（引自Ogawa和Koseki^[11]）

图7-7 高氮2205焊缝金属组织及合金元素偏聚。成分（质量分数）：22%Cr、6%Ni、3%Mo、0.18%N

a）微观组织 b）Cr的分布，近白色w（Cr）=20%～21%，黑色和深灰色w（Cr）=21%～23%[Cr在铁素体和奥氏体之间没有明显的偏聚，成分几乎完全在w（Cr）=21%～23%之间]，浅灰色w（Cr）=23%～24% c）Ni的分布，白色w（Ni）=5.0%～5.5%，黑色和深灰色w（Ni）=5.5%～7.0%[Ni在铁素体和奥氏体之间没有明显的偏聚，成分几乎都在w（Ni）=5.5%～7.0%之间]，浅灰色w（Ni）=7.0%～8.0% d）Mo的分布，近白色w（Mo）=2.50%～2.75%[Mo在铁素体和奥氏体之间有一些偏聚，在沿着原先铁素体晶界的奥氏体中w（Mo）=2.50%～7.0%之间]，黑色和深灰色w（Mo）=2.75%～3.50%[Mo在铁素体和不是在铁素体边界上形成的奥氏体之间没有偏聚，所以成分除了在铁素体晶界上生成的奥氏体外，几乎都是w（Mo）=2.75%～3.50%]，浅灰色w（Mo）=3.5%～4.0% e）N的分布，近白色w（N）=0.00%～0.05%，黑色和深灰色w（N）=0.05%～0.25%，浅灰色w（N）=0.25%～0.60%

（引自Ogawa和Koseki^[11]）

氮不是在焊缝金属中对要求的相平衡组分的形成起关键作用。对于HAE组织和性能的影响，Lippold等^[16]也在2205钢[w（N）=0.13%]和225钢[w（N）=0.17%]的模拟HAZ组织上进行了测试。组织是先加热到1300℃（2370℉）（高于铁素体固溶线），然后以75℃/s（135℉/s）～2℃/s（3.6℉/s）的不同速度冷却后得到的。对于这两种氮含量较高钢以75℃/s（135℉/s）冷却时氮化物大量析出，以50℃/s（90℉/s）冷却时有中等量的氮化物析出，以20℃/s（36℉/s）冷却时只有少量氮化物析出而以2℃/s（3.6℉/s）冷却时析出量很少。他们也注意到：在1300℃（2370℉）保温时间从1s增加到10s铁素体晶粒有所长大，但不影响氮化物析出的量。在这个模拟热影响区中的铁素体从高冷却速度时很高的含量降到低冷却速度时接近母材金属中的铁素体含量（但达不到母材那么低）。前面Ogawa和Koseki^[11]工作中提到的氮对增加焊缝金属中奥氏体形成比例的作用，对于母材金属的标准制定和填充金属成分的设计都产生了影响。无数作者在讨论双相不锈钢的国际会议论文集^[5-10]中以UNSS31803这个编号来讨论2205钢，而在ASTMA240中规定UNSS31803的N质量分数是0.08%～0.20%。但从ASTM标准2000年年刊01.03卷首次发表的ASTMA240/A240M-99a开始，ASTM把2205钢列为UNSS32205[w（N）=0.14%～0.20%]，这样就有效地去掉了曾经认为是2205钢氮含量范围的下半部[w（N）=0.08%～0.14%]，其效果是改进了这种钢焊接热影响区的性能。