如何避免σ相脆化？

如图7-3所示，在高于生成α′析出相的温度，会生成金属间化合物的析出相，最重要的金属间化合物是σ相（近似为FeCr）。尽管同时也生成χ相（Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀或近似为Fe₃CrMo）。金属间化合物大概于570℃（1000℉）开始形成，在800～850℃（1470～1560℉）形成最快，而在高于大约1000℃（1830℉）时（取决于合金的成分），会再次溶解。

在焊接HAZ和再热的焊缝金属中，总有一些区域一次或多次地在形成σ相或其他金属间化合物的570～1000℃温度区间停留。一般讲，对w（Cr）=22%的双相不锈钢，在焊态下金属间化合物形成不显著；然而对于w（Cr）=25%的双相不锈钢金属间化合物形成很快，在焊态下不能完全避免形成这种相，但是如果这些相只限于形成小的不连续的区域，它们对焊缝力学性能几乎没有影响^[29]。双相不锈钢焊件，特别是其中装有铸件的，可能要求退火以优化其组织。轧制双相不锈钢的标准ASTM A240和铸造双相不锈钢的标准ASTM 890都要求在不低于1040℃（1900℉）温度下进行退火，接着进行水淬。然而在为焊件选择退火温度时需要考虑在填充金属中提高了镍含量，Grobner^[30]发现在双相不锈钢中增加镍的含量将提高σ相保持稳定的最高温度。图7-20示出了Grobner相图。

图7-20 Grobner相图，显示增加镍含量提高了σ相保持稳定的温度

（引自Grobner^[30]，AMAX金属公司授权）(www.xing528.com)

对w（Ni）=8%～10%的2205和255双相不锈钢的焊缝金属，即使在1040℃（1900℉）退火还生成了大量的σ相[31]，使断后伸长率仅为4%或更低。图7-21示出了w（Ni）=8.3%的2205钢焊缝金属在1065℃（1950℉）退火4h后生成的σ相和铁素体和奥氏体的混合组织。一些σ相在1095℃（2000℃）退火后仍然存在，只有在1120～1150℃（2050～2100℉）退火后才能消除σ相。

图7-21 w（Ni）=8.3%的2205钢焊缝金属在1065℃（1950℉）退火4h后形成的组织

从耐腐蚀的观点看，对提高了镍含量的焊缝金属，为了消除σ相而提高退火温度是不合适的。因为在铁素体中保留了过多的固溶氮（如图7-5所示），而从1120～1150℃（2050～2100℉）温度区间淬火后会形成一些氮化物析出物。为了避免析出氮化物，设计了分步退火程序：在1150℃保温消除所有加热时形成的σ相，然后炉冷到1040℃（1900℉）保温2h后淬火。这样在加热时形成的σ相在1150℃下溶解，而在1040℃σ相必须重新成核，但是在这个温度形核很慢（如图7-3所示），在其成核之前进行淬火就可以得到高延性和高韧度的焊缝金属^[31]，需要指出的是：在退火温度1040℃时，双相不锈钢的强度很低，因而必须在热处理过程中采取措施稳妥地支撑焊接部件。