高性能奥氏体不锈钢指南--冶金学概述（1）

1、不锈钢的种类

不锈钢是铬含量不低于10.5%的铁基合金，因其良好的耐腐蚀性能和高温性能而获得广泛应用。当铬含量达到10.5%时， 钢的表面会形成一层富铬氧化物，称为钝化层或钝化膜。这层膜对不锈钢起保护作用，使它不会像普通钢那样生锈。不锈钢的种类很多，但所有不锈钢都需满足这个最低铬含量的要求。

不锈钢分为五大类：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢(具有铁素体和奥氏体混合结构)、马氏体不锈钢及沉淀硬化不锈钢。这几个类别的划分与不锈钢的晶体结构(原子排列)及其热处理有关。在金属中具有相同晶体结构的晶体群被称为相。不锈钢中主要有三种相：奥氏体相、铁素体相和马氏体相。通过标准的金相检测流程和光学金相显微镜可测定不锈钢金相组织的种类和数量。

奥氏体不锈钢的特点是金相组织以奥氏体相为主。奥氏体相的晶体结构为面心立方(fcc)结构，即在立方体的每个角和每个面的中心各有一个原子。相比之下，铁素体相的晶体结构为体心立方(bcc)结构，立方体的每个角和立方体中心各有一个原子。马氏体相的晶体结构为高应变体心四方结构(图1)。

图1 奥氏体相的晶体结构为面心立方(fcc)晶格、铁素体相的晶体结构为体心立方(bcc)晶格、马氏体相的晶体结构为体心四方(bct)晶格。

1.1 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢无磁性、屈服强度中等、加工硬化率高、抗拉强度高、塑性好、低温韧性优异。与其他不锈钢不同的是，奥氏体不锈钢的韧性随温度的下降而缓慢地降低(图2)。奥氏体不锈钢没有明确的韧性脆性转变温度(DBTT)，因此是低温应用的理想材料。

图2 奥氏体、铁素体和双相(奥氏体-铁素体)不锈钢的韧脆转变温度(DBTT)示意图。实际DBTT取决于断面厚度、化学成分和晶粒尺寸。铁素体不锈钢的DBTT一般为20至-30°C(70至-22°F)。

奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，可制成各种复杂的形状。这个系列的不锈钢不能通过热处理将其硬化或强化，但可以通过冷成型或加工硬化使其强化(见ASTM A666)。奥氏体不锈钢特别是标准奥氏体不锈钢，有一个潜在的缺点，那就是与铁素体不锈钢和双相不锈钢相比，容易发生氯化物应力腐蚀开裂。

300系或标准奥氏体不锈钢一般含有8%～11%的镍和16%～20%的铬。标准奥氏体不锈钢的金相组织以奥氏体晶粒为主，同时含有少量(一般为1~5%)的δ铁素体相(图3)。因为有铁素体相的存在，这些奥氏体不锈钢有一点磁性。

图3 锻轧不锈钢304L的典型金相组织，由奥氏体晶粒和个别条状铁素体组成©TMR Stainless

与300系不锈钢相比，200系奥氏体不锈钢的Ni含量较低，但Mn和N含量较高。200系不锈钢比300系不锈钢强度更高，应变硬化系数更大。因为含镍量较低，200系不锈钢有时作为300系不锈钢的廉价替代品。

高性能奥氏体不锈钢的显微组织全部为奥氏体相，无铁磁性(图4)。与标准奥氏体不锈钢相比， 高性能奥氏体不锈钢含有更多的镍、铬、钼元素， 而且一般都含有氮。这些不锈钢在强酸、强碱及高氯化物介质包括半咸水、海水和盐水等腐蚀性环境中具有很强的耐腐蚀性能。与标准的奥氏体不锈钢相比，高性能奥氏体不锈钢的强度等级更高，耐应力腐蚀开裂性能较好。

图4 6%Mo高性能奥氏体不锈钢的金相组织，全部由奥氏体晶粒组成© TMR Stainless

1.2 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢的显微组织为铁素体相。铁素体不锈钢的镍含量很低，或者不含镍，具有铁磁性，不能通过热处理将其硬化。这类不锈钢的铁磁性能与碳钢相似。铁素体不锈钢具有良好的强度，耐氯化物应力腐蚀开裂的能力大大优于标准300系奥氏体不锈钢。但是，它们的成形性和焊接性较差。它们的韧性不如奥氏体不锈钢，而且会随着截面厚度的增加而降低。随着温度的下降，铁素体不锈钢会呈现出明显的韧性-脆性转变(图2)。受到这些因素的限制，铁素体不锈钢的使用通常限于壁厚较薄的产品如薄板、带材和薄壁管材。

1.3 双相不锈钢

双相不锈钢是由铁素体相和奥氏体相组成，两相大约各占一半。双相不锈钢具有奥氏体和铁素体不锈钢的许多特性。虽然热处理不能使这种钢硬化，但它们的屈服强度通常是标准奥氏体不锈钢的两倍，而且它们的磁引力与铁素体相的体积分数成正比。双相不锈钢金相组织的双相特性使其耐应力腐蚀开裂的性能优于标准奥氏体不锈钢。

1.4 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢的显微组织主要是马氏体相，可能夹杂有少量的二次相如铁素体相、奥氏体相和碳化物等。马氏体不锈钢具有铁磁性，与碳钢类似。其最终硬度取决于特定的热处理。马氏体不锈钢强度高、耐磨性好、韧性差、韧性脆性转变温度较高。它们很难焊接，一般需要进行焊后热处理。因此，马氏体不锈钢通常仅限于非焊接应用。马氏体不锈钢的铬含量不太高，一些铬元素以碳化物的形式析出，由此耐蚀性较低， 一般低于标准的304/304L奥氏体不锈钢。因其韧性和耐蚀性较差，马氏体不锈钢一般用于要求很高强度和硬度的应用如刀具、紧固件和轴等。

1.5 沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化(PH)不锈钢也可以通过热处理进行强化。这类不锈钢的基本特点是其部分强化是依靠析出机制实现的。利用时效硬化热处理生成细小的金属间析出物，起到提高强度的作用。沉淀硬化不锈钢由于铬含量较高，其耐蚀性优于马氏体不锈钢，适用于要求良好耐蚀性能的高强度应用中。沉淀硬化不锈钢主要用于弹簧、紧固件、飞机配件、轴、齿轮、波纹管和喷气发动机零件。

2、相组分

合金元素影响着相平衡关系，对奥氏体相、铁素体相和马氏体相的稳定性有很强的影响。添加到不锈钢中的元素可分为铁素体相形成元素或奥氏体相形成元素。相平衡取决于钢的化学成分、退火温度和冷却速率。耐腐蚀性、强度、韧性、焊接性和成形性等性能都会受到相平衡的影响。

铁素体形成元素有助于铁素体相的形成，而奥氏体形成元素则促进奥氏体相的形成。表3列出了常见的铁素体相和奥氏体相形成元素。不锈钢牌号及其应用决定了所需要的相平衡。大多数标准的奥氏体不锈钢在固溶退火状态下都有少量的铁素体相，固溶退火可改善焊接性能和高温下的韧性。但是如果铁素体相含量过高，则会降低耐蚀性和韧性等其它性能。高性能奥氏体不锈钢是按固溶退火状态下全部为奥氏体相设计的。

表3 促进铁素体相和奥氏体相形成的合金元素

控制钢的相组分从而控制钢的性能，需要使合金元素处于平衡状态。Schaeffler组织图 (图5)反映了凝固状态下不锈钢化学成分与预期的相结构之间的关系，如同焊缝组织所揭示的。这样，用户就可以根据给定的化学成分预测相平衡。通过化学成分计算“镍当量”和“铬当量”，并将其绘制在图中。Schaeffler组织图常用参数的公式如下：

镍当量 = % Ni + 30%C +0.5%Mn + 30%N

铬当量 = %Cr + %Mo +1.5%Si + 0.5%Nb

典型的高性能奥氏体不锈钢含有约20%Cr、6%Mo、20%Ni和0.2%N，位于图中的单相奥氏体相区，在镍当量约为24，铬当量约为26的“无铁素体”线附近。相比之下，标准不锈钢(如304)的化学成分对应于有少量铁素体相的奥氏体+铁素体(A+F)的双相区(图5)。铁素体不锈钢在该图的铁素体相区，双相不锈钢在奥氏体+铁素体(A+F)双相区。

图5 Schaeffler组织图反映了化学成分对铸态焊缝金属金相组织中铁素体相和奥氏体相数量的影响。

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