马氏体不锈钢加热时的转变特点

 马氏体不锈钢的热处理理论，如马氏体不锈钢加热时的转变（奥氏体化）、冷却时的转变（奥氏体转变）以及淬火马氏体回火时的转变，基本与碳钢、合金钢相似。只不过是由于较高的铬含量及钼、钒等合金元素的存在，使这些转变复杂化了，并具有新的特点。与碳钢不同的另一个问题是，对马氏体不锈钢的热处理除保证要求的机械性能外，还应考虑不同使用环境中的耐腐蚀性要求。

下面以铬的影响为例，说明马氏体不锈钢热处理时的特点。

1. 铁－碳合金加热时的转变

  众所周知，通过淬火可以硬化的钢，加热转变即钢的奥氏体化是一个重要的过程。

 根据图4-6的铁碳系平衡相图可知，钢加热到PSK(A1)温度时，开始发生α,+Fe3C≤y.转变，即珠光体向奥氏体的转变。随着加热温度的升高，依据钢中碳成分的高低，会发生α向y的溶解或Fe3C向γ的溶解过程。这个过程将在GS(A3)温度（亚共析钢）或ES(A)温度（过共析钢）基本结束。

  钢在加热奥氏体化时，包括奥氏体的形成和成分均匀化过程。对于碳钢来说，奥氏体成分均匀化主要是碳的均匀化。从图4-6可知，钢加热时形成的奥氏体（γ)的成分与原来铁素体（α)和渗碳体（Fe,C)的成分相差很大。所以，在钢奥氏体化过程中，有一个重要的现象，就是碳原子的扩散。通过碳原子的扩散，使奥氏体成分均匀化。

 在马氏体不锈钢中，由于有较高的含铬量，使得奥氏体形成和均匀化过程复杂化了。

 2. 铬对钢加热转变的作用和影响

 铬所以能对钢加热转变，即钢的奥氏体化过程产生作用和影响是由铬的一些特性决定的。

 首先，铬与铁可形成连续固溶体。铬与αx-Fe原子结构相同，均属于体心立方晶格；点阵常数接近，铬点阵常数为2.878×10^-8cm,α-Fe点阵常数为2.8605×10^-8cm;原子间距接近，铬原子间距为2.492×10^-8cm,α-Fe原子间距为2.477×10^-8cm;

 当配位数为12时，两者原子直径接近，铬原子直径约为2.57×10^-8cm,α-Fe原子直径约为2.54×10^-8cm;铬和α-Fe的电势接近，铬的电负性为1.6,α-Fe的电负性为1.8。

 铬与α-Fe之间正是由于有这么多相似之处，才使其能形成连续固溶体。

 第二，铬是强碳化物形成元素，铬与碳能形成多种碳化物。经究表明，在钢中加入铬时，随铬量的不同，铬与碳会形成多种稳定的碳化物，主要有（FeCr)₃C、（FeCr)₇C₃、（FeCr)₂₃ C₆等。不同类型的碳化物晶格类型不同，含铬量也不同。（FeCr)₃C型碳化物属斜方点阵，其可含铬至少为15%,（FeCr)₇C₃型碳化物属菱方点阵，至少含铬为35%;而（FeCr)₂₃C₆属立方点阵，至少含铬为70%.在马氏体不锈钢中，碳化物以（FeCr)₂₃ C₆为主。

 铬的这些特性对钢相变和奥氏体形成产生的影响表现在以下方面。

 a. 对Fe-Fe₃C相图及相变点的影响

铬含量不同，对相图的影响程度也不同。以含铬12%~13%时的影响为例。

图4-7和图4-8,是含铬为13%和12%的Fe-Cr-C平衡相图，将其与图4-6对比可见，由于铬的作用使γ相区缩小了，相变点的位置也发生了改变（图4-8),共析点左移了（由B至B'),即共析点碳含量降低了；碳在奥氏体中最大溶解度减少了（由E至E');8相的稳定温度降低了（由FG至F'G');α相的稳定温度升高了（由AB至A'B')。

 b. 铬对奥氏体形成的影响

 众所周知，根据钢的热处理相变理论，钢在加热形成奥氏体的转变过程中，奥氏体首先在铁素体和渗碳体两相交界处形核，之后，渗碳体逐渐溶解，奥氏体向铁素体成长。这个过程的关键是碳的扩散，或者说，奥氏体的形成是通过碳的扩散来实现的。铬元素的存在对碳的扩散的影响是复杂的。研究表明：当含铬量较低时，铬与碳形成较稳定的不易溶解的（FeCr)₃C或（FeCr)₇C₃型的碳化物，这时，铬会降低碳在奥氏体中的扩散系数，使奥氏体形成速度减慢。而当含铬量大于11%时，碳化物的类型变成了含碳量较少的，较易溶解的（FeCr)₂₃C₆.这种碳化物是不稳定的，并且，在钢中生成较多的（FeCr)₂₃C₆时，相对地增加了相界面，因此，有利于奥氏体的形成速度的增快。

 铬的存在使铁素体（α相）的稳定度升高了，又对奥氏体的形成产生了不利的作用。

 铬降低了碳在奥氏体中的溶解度，也就是降低了奥氏体形成时的两相界面浓度差和碳的浓度梯度，这会降低碳在奥氏体中的扩散速度，不利于奥氏体的形成。

 奥氏体的形成除了碳的扩散作用外，还存在铬元素本身的扩散和均匀化问题。铬是强碳化物形成元素，当铬大于11%时，所形成的碳化物（FeCr)₂₃C₆中，含铬量可达70%左右，可见在奥氏体形成的初始阶段，铬的不均匀性是明显的。为保证奥氏体成分的均匀化，铬的扩散也是必须的。而铬在奥氏体中的扩散系数比碳在奥氏体中的扩散系数小得多，有的研究表明，前者比后者低4~5个数量级。

可见，在马氏体不锈钢中，13%左右的铬元素的存在，通过其对相变点、对碳的扩散、对两相界面多少的影响及铬自身扩散困难等因素，综合反映在钢加热、奥氏体形成过程中总的作用是减缓速度，不利于奥氏体成分的均匀化。

 合金奥氏体形成时，碳化物的溶解程度、奥氏体成分的均匀性对钢热处理后的组织和性能影响很大。奥氏体成分的不均匀，固溶体中碳和合金元素不足，会使钢淬火后的马氏体硬度不足，合金元素不能充分发挥作用，降低钢的淬透性、力学性能和耐腐蚀性能。

 考虑铬元素对钢热处理加热奥氏体形成过程中的作用和影响，我们在制订热处理工艺时，应适当提高淬火加热温度，延长保温时间，以保证合金碳化物的充分溶解和奥氏体成分均匀化，从而保证最大限度发挥材料热处理后的各项性能。