一、鐵素體、奧氏體、馬氏體簡介

大家知道固態金屬及合金都是晶體，即在其內部原子是按一定規律排列的，排列的方式一般有三種即：體心立方晶格結構、面心立方晶格結構和密排六方晶格結構。金屬是由多晶體組成的，它的多晶體結構是在金屬結晶過程中形成的。組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結構：910℃以下為具有體心立方晶格結構的α—鐵，910℃以上為具有面心立方晶格結構的Υ—鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，而又不破壞鐵所具有的晶格結構，這樣的物質稱為固溶體。碳溶解到α—鐵中形成的固溶體稱鐵素體，它的溶碳能力極低，最大溶解度不超過0.02%。而碳溶解到Υ—鐵中形成的固溶體則稱奧氏體，它的溶碳能力較高，最高可達2%。奧氏體是鐵碳合金的高溫相。鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727℃以下時變成不穩定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230℃以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴散的可能，奧氏體將直接轉變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體。由于含碳量過飽和，引起馬氏體強度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。不銹鋼的耐蝕性主要來源于鉻。實驗證明，只有含鉻量超過12%時鋼的耐蝕性能才會大大提高，因此，不銹鋼中的含鉻量一般均不低于12%。由于含鉻量的提高，對鋼的組織也有很大影響，當鉻含量高而碳含量很少時，鉻會使鐵碳平衡，圖上的Υ相區縮小，甚至消失，這種不銹鋼為鐵素體組織結構，加熱時不發生相變，稱為鐵素體型不銹鋼。當含鉻量較低（但高于12%），碳含量較高，合金在從高溫冷卻時，極易形成馬氏體，故稱這類鋼為馬氏體型不銹鋼。鎳可以擴展Υ相區，使鋼材具有奧氏體組織。如果鎳含量足夠多，使鋼在室溫下也具有奧氏體組織結構，則稱這種鋼為奧氏體型不銹鋼。二、馬氏體型不銹鋼馬氏體型不銹鋼有良好的淬火性能，即使是截面積很大的工件，也可在空冷條件下實現淬火硬化。為比較馬氏體型不銹鋼與其他碳含量相同的碳素鋼、合金鋼的淬火性能，用等溫相變曲線進行了分析。結果表明其珠光體相變時間延遲，曲線鼻部的溫度上升。其中鎳使珠光體相變明顯推遲，只需添加1%即可大大改善淬火性能，但回火過程則需要相當長的時間。馬氏體型不銹鋼中的合金元素可改變鋼的Ms點。其中碳的影響尤為顯著，碳的濃度高時Ms點向低溫方向移動，易生成殘留奧氏體。以13%Cr鋼為例，在淬火加縶溫度為1180℃時，在碳含量大于0.80%的情況下Ms點降至室溫以下。生成物為過冷奧氏體相組織。但由于也隨之生成了殘留奧氏體，因此淬火硬度也下降了，對于高碳馬氏體型不銹鋼來說，為避免該現象的發生和殘留奧氏體相變引起的尺寸變化，需在粹火后通過進行低溫處理來盡量減少殘留奧氏體的存在。對于馬氏體型不銹鋼，進行淬火處理后還需進行回火處理。一般將這兩者連在一起統稱為淬火回火處理。進行回火處理是將由奧氏體相的相變得到的馬氏體進行回火，其目的是為改善馬氏體型不銹鋼的拉伸性能和得到高的持久強度和屈強比。回火后在其基體中過飽和固溶的碳形成碳化物析出，且隨時間的延長逐漸形成穩定相。是采用低溫回火還是采用高溫回火，依成分和使用目的而異。低碳馬氏體型不銹鋼在440-540℃進行回火時顯著變脆，發生常說的二次硬化。由于此問題的產生不是夾雜元素的偏析等原因造成的，因此為同時照顧到韌性、拉伸性能和耐應力腐蝕性能，應盡可能在高溫下進行回火，也可通過添加鉬、鎢和釩等元素來改善性能。三、鐵素體型不銹鋼鐵素型不銹鋼在碳和氮的含量極少時，無論在高溫下還是在室溫下均為鐵素體單相。當碳和氮的含量增加時就會在高溫下生成r相，可通過回火處理析出碳化物和氮化物而變為鐵素體單相。據有關資料介紹。在600-900℃回火時大部分碳和氮將析出。高鉻鐵素體型不銹鋼在經高溫加熱后會產生各種脆化現象。這些現象與其金屬組織有關，如σ相脆化、475℃脆性和高溫脆性。σ相脆化：在Fe-Cr二元系合金中，在鉻含量為46at%-53at%的很窄范圍內產生，是非磁性和硬的相。當鉻含量大于25%和加熱溫度高于600℃時即可在較短時間內產生。當鋼中含有硅、錳、鎳和鉬等元素時，其產生范圍加寬。鉻、硅和鋁對σ相也有一定的影響。隨鉻的增加TTT曲線向短時間方向擴展。硅雖有明顯的析出促進作用但鋁卻予以抑制。在冷加工中，可在很短時間內便產生σ相析出。一旦發生σ相脆化的鋼，可加熱至850-900℃使析出的σ相固溶，然后再進行急冷就可消除脆性和恢復韌性。475℃脆性：是將鐵素體鋼在400-500℃長時間加熱時出現的脆化現象。475℃脆性產生與σ相脆化產生相比較，首先是產生溫度范圍不同，其次是475℃脆性較σ相脆化在更短的時間內產生。能夠減輕475℃脆性的合金添加元素還沒有發現。對發生475℃脆性的鋼在600℃進行短時間處理即可消除脆性和恢復韌性。高溫脆性：當高鉻鐵素體型不銹鋼從900-1000℃的高溫急冷時，隨著晶粒的粗化和碳化物向晶界凝集發生明顯脆化。鉻含量越高，脆化的程度越大。破壞現象與475℃脆性相象。由于晶粒粗化，因此在進行深沖、彎曲等冷加工時表面易發生粗糙等缺陷。又因為晶界上析出碳化物因此晶間腐蝕敏感性增加。為避免該缺陷的產生同，需從高溫緩冷至800℃左右，或650-800℃短時間的退火。四、奧氏體型不銹鋼從Fe-Cr-Ni三元系平衡相圖的分析中可知，當70%Fe等濃度斷面中鎳含量為10%時，該合金在800-1000℃下為r單相。具代表性的Cr18-Ni8鋼由于存在碳、氮等奧氏體穩定化元素，因此室溫下即為r單相。其中氮較碳有約兩倍的固溶度，因而含氮量為0.1%-0.3%的高強度不銹鋼己得到了應用。目前己明確碳、氮、鈷、錳和銅等元素是奧氏體穩定化元素，鋁、釩、鉬、硅和鎢等元素是鐵素體穩定化元素。作為固相內的平衡相，除α相、r相以外還有金屬間化合物σ相。碳、氮和鎳等奧氏體穩定化元素抑制σ相的生成，但錳與鉬、硅、鈦、鈮、鋯、釩和鋁等鐵素體穩定化元素促進σ相的生成。除此以外在奧氏體型不銹鋼中由于添加不同的元素，還有可能生成拉弗斯（Laves）相或x相等金屬間化合物。其析出的反應是隨合金組成、時效溫度及制造合金時的加工和熱處理條件來決定的，是一個非常復雜的變化。在鋼中添加鉻、鎳、錳、碳和氮等元素時，馬氏體相變初始溫度Ms幾乎與這些合金元素的添加成比例降低，在常溫下也可保持r相。奧氏體不銹鋼就是其具代表性的合金之一。雖說為使奧體型不銹鋼的r相穩定添加了大量的錳或鎳，但實際上r相往往并非穩定而是處于亞穩定態。從熱力學角度來看可以說α相到是穩定的。一般稱這些奧氏體相為亞穩定奧氏體相。當對亞穩定奧氏體相冷卻至極低溫或室溫下進行加工時，其中的部分或全部亞穩定奧氏體相將發生馬氏體相變。通過對奧氏體型不銹鋼進行冷卻或加工得到的馬氏體中除有α’相外還有ε相。該相具有hcp結構.且有0.7%左右的收縮，是非磁性的，容易發生加工誘發相變。ε相是當Cr：Ni為5：3且Cr+Ni定為24%時生成的。由于面心立方結構的（111）面的每兩個原子面上發生堆垛缺陷時將成為ε馬氏體結構，因此ε相的生成和堆垛缺陷有著密切的關系。奧氏體型不銹鋼的馬氏體相變中一個重要的問題是，一旦發生馬氏體相變后經再加熱進行恢復的問題。對于Cr18-Ni8鋼主要發生擴散型的逆相變，而象Cr16-Ni10鋼則發生剪切的逆相變。后者的鉻含量較前者低，鎳含量較前者高。從金相組織上來看，奧氏體型不銹鋼是相對穩定的，其中碳化物的析出與其耐蝕性能、高溫強度以及韌性等主要性能密切相關。在通常作為固溶熱處理溫度1000℃附近，碳的固溶量可達到最高，但當溫度低于800℃時固溶量急劇下降而產生碳化物。所以進行固溶化處理或焊接后如果冷卻速度過慢，在晶界上會產生碳化物，成為晶間腐蝕的原因。鋼中的碳有活性隨鎳含量的增加而增加，隨鉻含量的增加而減少。也就是說鎳的增加使碳的固溶量減少，鉻的增加使碳的固溶量增加。另外在晶界還析出鉻碳化物，合金添加元素有時也生成相應的碳化物。五、雙相不銹鋼通常進行不同的鉻含量和鎳當量的組合可以得到鐵素體（α相或δ相）和奧氏體（r相）的雙相組織。如果以鉻含量的多少來進行分類的話，可分類為18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。同時為確保r相的量需添加4%-11%的鎳，為提高其耐蝕性需添加不多于4%的鉬。在最終經1050-1100℃固溶處理后，在α相基體中分散有不多于50%的r相。在400-1000℃下進一步進行時效時，生成金屬間化合物、碳化物以及氮化物等各種析出物。在雙相組織中，鉻、鉬和硅等鐵素體穩定元素濃縮在α相中。而鎳、錳、碳和氮等奧氏體穩定元素濃縮在r中。在時效過程中最有影響的是σ相，可造成σ相脆化。另外時效還可產生M23C6，也和鐵素體型不銹鋼一樣發生475℃脆性。六、沉淀硬化型不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼是除具備不銹鋼特有的耐蝕性外，還可通過進行時效處理實現沉淀硬化的高強度不銹鋼，根據基體的金屬組織情況，即根據鉻當量和鎳當量之間的平衡情況，沉淀硬化型不銹鋼可分為馬氏體系沉淀硬化型不銹鋼、半奧氏體系沉淀硬化型不銹鋼、奧氏體—鐵素體系沉淀硬化型不銹鋼、奧氏體系沉淀型不銹鋼和鐵素體系沉淀硬化型不銹鋼。馬氏體系沉淀硬化型不銹鋼，鉻和鎳的含量少且鉻含量和鎳含量低。由于馬氏體相變結束溫度高于室溫，因此固溶化處理奧氏體相冷卻過程發生馬氏體相變，在室溫下為馬氏體組織。半奧氏體系沉淀硬化型不銹鋼，比前者鉻含量和鎳含量高，Ms點接近室溫。固溶處理后形成亞穩定r相，經冷加工或低溫處理，低溫退火處理可以發生馬氏體相變。單獨和復合添加有鋁、鈦和鉬等沉淀硬化元素，經在450-550℃時效處理產生α’相和η相實現硬化。奧氏體系沉淀硬化型不銹鋼，含有較多的奧氏體穩定化和鐵素體穩定化