不锈钢的金相组织

（一）不同元素对不锈钢组织和相的影响

　　对于马氏体型铬不锈钢来说，对组织产生主要影响的元素有铬、碳和钼；对马氏体型铬镍不锈钢来说，产生主要影响的元素有镍、钼、铝、钴、氮和钛等。
　　马氏体型铬镍不锈钢中由于所含的铬与碳发生交互的作用，使其在高温下形成稳定的r相区和稳定的a+r相区。碳量的增加可使r相区得到扩大，但是随着铬含量的增加碳的溶解极限下降。马氏体型铬镍不锈钢中添加镍解决了马氏体型不锈钢为提高其耐蚀性以牺牲钢的硬度为代价的问题。但是其中的镍含量不易过高，否则由于镍扩大奥氏体相区和降低Ms温度而使不锈钢变成奥氏体型不锈钢，从而完全丧失淬火能力。
　　影响铁素体型不锈钢组织的元素主要有铬、钼、碳、氮和镍，另外有一些铁素体型不锈钢中还添加有钛、铌和铜等元素，对组织也有一定的影响。其中添加铬和钼的主要的目的是加速和促进α’相和α相的形成和沉淀，使铁素体晶粒更加粗大。
　　影响奥氏体型不锈钢组织的主要元素有碳、铬、镍、钼、氮、铜、硅和锰等，有时在生产易切削不锈钢时，也将硫作为添加元素。碳在奥氏体型不锈钢中是形成、稳定和扩大奥氏体区的元素。碳在奥氏体型不锈钢中是形成、稳定和扩大奥氏体区的元素，其形成奥氏体的能力远高于镍许多倍。碳在奥氏体型不锈钢中是有用元素，但同时也是有害元素，一方面由于碳作为一种间隙元素可通过固溶强化显著提高奥氏体型不锈钢的强度，同时也可提高高浓度氯化物腐蚀介质中的耐蚀能力；但另一方面由于碳在某些条件下生成Cr23C6，使得耐腐蚀性能显著下降。铬在奥氏体型不锈钢中的作用与其在铁素体型不锈钢中作用基本相同。
　　影响比相不锈钢组织的主要元素有镍、氮、锰、铬、钼、硅和钨等。镍在α+r双相不锈钢中能扩大r相区。有关资料指出，镍的添加还能促成形成σ（x）相，增加脆化敏感性并有使脆化敏感温度向高温方向移动的倾向，也将使马氏体相变温度降低，改善双相不锈钢的冷加工性能。

　（二）相及相变
　　热处理是不锈钢生产和加工过程中以及最终产品加工过程中重要的工序。对于马氏体型不锈钢，通常进行淬火—回火热处理。对于铁素体型不锈钢，需进行恢复由于加工引起的应硬化和焊接部位回火后恢复韧性的热处理，通常是高温加热后进行空冷的退火热处理。对于奥氏体型不锈钢，根据使用目的需要进行固溶处理、稳定化处理、消除应力退火和时效处理等。
　　通过进行热处理来控制不锈钢的金相组织时，可采用相变和恢复、再结晶等形式来实现。
　　相变的内涵可以说有以下3种情况，即结构的变化、组成的变化和其规律性的变化告示。在不锈钢发生的相变中最常见的马氏体相变就是其结构发生变化的一种形式，而所发生的其他的相变均为扩散相变。

　 1.马氏体型不锈钢
　　马氏体型不锈钢有良好的淬火性能，即使是截面积很大的工件，也可在空冷条件下实现淬火硬化。
　　为比较马氏体型不锈钢与其他碳含量相同的碳素钢、合金钢的淬火性能，用等温相变曲线进行了分析。结果表明其珠光体相变时间延迟，曲线鼻部的温度上升。其中镍使珠光体相变明显推迟，只需添加1%即可大大改善淬火性能，但回火过程则需要相当长的时间。
　　马氏体型不锈钢中的合金元素可改变钢的Ms点。其中碳的影响尤为显著，碳的浓度高时Ms点向低温方向移动，易生成残留奥氏体。以13%Cr钢为例，在淬火加絷温度为1180℃时，在碳含量大于0.80%的情况下Ms点降至室温以下。生成物为过冷奥氏体相组织。但由于也随之生成了残留奥氏体，因此淬火硬度也下降了，对于高碳马氏体型不锈钢来说，为避免该现象的发生和残留奥氏体相变引起的尺寸变化，需在粹火后通过进行低温处理来尽量减少残留奥氏体的存在。
　　对于马氏体型不锈钢，进行淬火处理后还需进行回火处理。一般将这两者连在一起统称为淬火回火处理。进行回火处理是将由奥氏体相的相变得到的马氏体进行回火，其目的是为改善马氏体型不锈钢的拉伸性能和得到高的持久强度和屈强比。回火后在其基体中过饱和固溶的碳形成碳化物析出，且随时间的延长逐渐形成稳定相。是采用低温回火还是采用高温回火，依成分和使用目的而异。低碳马氏体型不锈钢在440-540℃进行回火时显著变脆，发生常说的二次硬化。由于此问题的产生不是夹杂元素的偏析等原因造成的，因此为同时照顾到韧性、拉伸性能和耐应力腐蚀性能，应尽可能在高温下进行回火，也可通过添加钼、钨和钒等元素来改善性能。

2.铁素体型不锈钢
　　铁素型不锈钢在碳和氮的含量极少时，无论在高温下还是在室温下均为铁素体单相。当碳和氮的含量增加时就会在高温下生成r相，可通过回火处理析出碳化物和氮化物而变为铁素体单相。据有关资料介绍。在600-900℃回火时大部分碳和氮将析出。
　　高铬铁素体型不锈钢在经高温加热后会产生各种脆化现象。这些现象与其金属组织有关，如σ相脆化、475℃脆性和高温脆性。
　　σ相脆化：在Fe-Cr二元系合金中，在铬含量为46at%-53at%的很窄范围内产生，是非磁性和硬的相。当铬含量大于25%和加热温度高于600℃时即可在较短时间内产生。当钢中含有硅、锰、镍和钼等元素时，其产生范围加宽。铬、硅和铝对σ相也有一定的影响。随铬的增加TTT曲线向短时间方向扩展。硅虽有明显的析出促进作用但铝却予以抑制。在冷加工中，可在很短时间内便产生σ相析出。一旦发生σ相脆化的钢，可加热至850-900℃使析出的σ相固溶，然后再进行急冷就可消除脆性和恢复韧性。
　　475℃脆性：是将铁素体钢在400-500℃长时间加热时出现的脆化现象。475℃脆性产生与σ相脆化产生相比较，首先是产生温度范围不同，其次是475℃脆性较σ相脆化在更短的时间内产生。能够减轻475℃脆性的合金添加元素还没有发现。对发生475℃脆性的钢在600℃进行短时间处理即可消除脆性和恢复韧性。
　　高温脆性：当高铬铁素体型不锈钢从900-1000℃的高温急冷时，随着晶粒的粗化和碳化物向晶界凝集发生明显脆化。铬含量越高，脆化的程度越大。破坏现象与475℃脆性相象。由于晶粒粗化，因此在进行深冲、弯曲等冷加工时表面易发生粗糙等缺陷。又因为晶界上析出碳化物因此晶间腐蚀敏感性增加。为避免该缺陷的产生同，需从高温缓冷至800℃左右，或650-800℃短时间的退火。

　 3.奥氏体型不锈钢
　　从Fe-Cr-Ni三元系平衡相图的分析中可知，当70%Fe等浓度断面中镍含量为10%时，该合金在800-1000℃下为r单相。具代表性的Cr18-Ni8钢由于存在碳、氮等奥氏体稳定化元素，因此室温下即为r单相。其中氮较碳有约两倍的固溶度，因而含氮量为0.1%-0.3%的高强度不锈钢己得到了应用。
　　目前己明确碳、氮、钴、锰和铜等元素是奥氏体稳定化元素，铝、钒、钼、硅和钨等元素是铁素体稳定化元素。
　　作为固相内的平衡相，除α相、r相以外还有金属间化合物σ相。碳、氮和镍等奥氏体稳定化元素抑制σ相的生成，但锰与钼、硅、钛、铌、锆、钒和铝等铁素体稳定化元素促进σ相的生成。除此以外在奥氏体型不锈钢中由于添加不同的元素，还有可能生成拉弗斯（Laves）相或x相等金属间化合物。其析出的反应是随合金组成、时效温度及制造合金时的加工和热处理条件来决定的，是一个非常复杂的变化。
　　在钢中添加铬、镍、锰、碳和氮等元素时，马氏体相变初始温度Ms几乎与这些合金元素的添加成比例降低，在常温下也可保持r相。奥氏体不锈钢就是其具代表性的合金之一。
　　虽说为使奥体型不锈钢的r相稳定添加了大量的锰或镍，但实际上r相往往并非稳定而是处于亚稳定态。从热力学角度来看可以说α相到是稳定的。一般称这些奥氏体相为亚稳定奥氏体相。当对亚稳定奥氏体相冷却至极低温或室温下进行加工时，其中的部分或全部亚稳定奥氏体相将发生马氏体相变。
　　通过对奥氏体型不锈钢进行冷却或加工得到的马氏体中除有α’相外还有ε相。该相具有hcp结构.且有0.7%左右的收缩，是非磁性的，容易发生加工诱发相变。ε相是当Cr：Ni为5：3且Cr+Ni定为24%时生成的。由于面心立方结构的（111）面的每两个原子面上发生堆垛缺陷时将成为ε马氏体结构，因此ε相的生成和堆垛缺陷有着密切的关系。
　　奥氏体型不锈钢的马氏体相变中一个重要的问题是，一旦发生马氏体相变后经再加热进行恢复的问题。对于Cr18-Ni8钢主要发生扩散型的逆相变，而象Cr16-Ni10钢则发生剪切的逆相变。后者的铬含量较前者低，镍含量较前者高。
　　从金相组织上来看，奥氏体型不锈钢是相对稳定的，其中碳化物的析出与其耐蚀性能、高温强度以及韧性等主要性能密切相关。在通常作为固溶热处理温度1000℃附近，碳的固溶量可达到最高，但当温度低于800℃时固溶量急剧下降而产生碳化物。所以进行固溶化处理或焊接后如果冷却速度过慢，在晶界上会产生碳化物，成为晶间腐蚀的原因。钢中的碳有活性随镍含量的增加而增加，随铬含量的增加而减少。也就是说镍的增加使碳的固溶量减少，铬的增加使碳的固溶量增加。另外在晶界还析出铬碳化物，合金添加元素有时也生成相应的碳化物。

4.双相不锈钢
　　通常进行不同的铬含量和镍当量的组合可以得到铁素体（α相或δ相）和奥氏体（r相）的双相组织。如果以铬含量的多少来进行分类的话，可分类为 18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。同时为确保r相的量需添加4%-11%的镍，为提高其耐蚀性需添加不多于4%的钼。在最终经 1050-1100℃固溶处理后，在α相基体中分散有不多于50%的r相。在400-1000℃下进一步进行时效时，生成金属间化合物、碳化物以及氮化物等各种析出物。
　　在双相组织中，铬、钼和硅等铁素体稳定元素浓缩在α相中。而镍、锰、碳和氮等奥氏体稳定元素浓缩在r中。在时效过程中最有影响的是σ相，可造成σ相脆化。另外时效还可产生M23C6，也和铁素体型不锈钢一样发生475℃脆性。

5.沉淀硬化型不锈钢
　　沉淀硬化型不锈钢是除具备不锈钢特有的耐蚀性外，还可通过进行时效处理实现沉淀硬化的高强度不锈钢，根据基体的金属组织情况，即根据铬当量和镍当量之间的平衡情况，沉淀硬化型不锈钢可分为马氏体系沉淀硬化型不锈钢、半奥氏体系沉淀硬化型不锈钢、奥氏体—铁素体系沉淀硬化型不锈钢、奥氏体系沉淀型不锈钢和铁素体系沉淀硬化型不锈钢。
　　马氏体系沉淀硬化型不锈钢，铬和镍的含量少且铬含量和镍含量低。由于马氏体相变结束温度高于室温，因此固溶化处理奥氏体相冷却过程发生马氏体相变，在室温下为马氏体组织。
　　半奥氏体系沉淀硬化型不锈钢，比前者铬含量和镍含量高，Ms点接近室温。固溶处理后形成亚稳定r相，经冷加工或低温处理，低温退火处理可以发生马氏体相变。单独和复合添加有铝、钛和钼等沉淀硬化元素，经在450-550℃ 时效处理产生α’相和η相实现硬化。
　　奥氏体系沉淀硬化型不锈钢，含有较多的奥氏体稳定化和铁素体稳定化元素，镍当量高且Ms点在室温以下。在固溶处理状态下为r单相组织。作为沉淀硬化元素添加的有碳、磷、氮、钛、铝、铌和钒等元素，经比其他系钢高的温度时效处理后析出碳化物、氮化物、磷化物或η相和r’相等。
　　铁素体系沉淀硬化型不锈钢，只含少量的镍等奥氏体稳定化元素，含较多的铬、硅和钼等铁素体稳定化元素，因而在固溶化状态下即呈铁素体组织。对其通过添加硅和镍来促进沉淀硬化。时效温度为550-600℃。