Fe-Cr-Ni系相圖計算

邊 書，張玉妥，王承志

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

相圖是研究成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。相圖廣泛應(yīng)用于材料研究及材料工程，用以了解材料的組成、結(jié)構(gòu)和工藝條件之間的關(guān)系，但是實驗確定的相圖通常僅僅適用于二元系和某些三元系，對多元合金系應(yīng)用較少。隨著熱力學理論、相圖測試技術(shù)和計算機軟件的發(fā)展，計算相圖成為本學科的研究熱點［1-4］。采用熱力學軟件Thermo-Calc可計算多元合金相圖［5-6］。Fe-Cr-Ni是非常重要的一個合金體系，奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼其基礎(chǔ)成分位于Fe-Cr-Ni系富鐵角。本文采用Thermo-Calc軟件計算Fe-Cr-Ni三元系在500～1700℃的等溫截面以及Fe-C-12.5 Cr-4.5Ni-0.5Si-0.6Mn系垂直截面相圖，并分析了相關(guān)系，從而更好地描述了多元系合金的平衡凝固的過程。

1 Fe-Ni、Fe-Cr 和 Cr-Ni二元系相圖

Fe-Cr-Ni三元合金有三個邊緣二元系，F(xiàn)e-Ni、Fe-Cr和 Cr-Ni系，如圖1所示。

圖1 Fe-Cr-Ni系中Fe-Ni、Fe-Cr和 Cr-Ni二元相圖

Fe-Ni二元平衡相圖中，在平衡狀態(tài)下有液相和三個固溶體:δFe、(γFe，Ni)和(αFe)，以及 Fe-Ni3金屬間化合物組成。在溫度1514±2℃時產(chǎn)生一狹窄包晶反應(yīng):L+δ?γ;在溫度為347℃時發(fā)生共析反應(yīng):γ?α +FeNi3。Ni為擴大奧氏體區(qū)的元素，隨著Ni含量的增加，γ相存在的溫度范圍加大。當Ni含量達到20%時，γ?α相變溫度降低到600℃以下。

Fe-Cr二元平衡相圖中，有液相、與(α、δFe)、γFe、σ三個固相，σ與δ為Fe的同素異形體。Cr是縮小奧氏體區(qū)的元素，并形成一個封閉的γ相區(qū)。當Cr含量超過12wt.%即形成(α、δFe)固溶體，在固相區(qū)間為一大范圍穩(wěn)定;當溫度低于830℃時，成分為45wt.%Cr時會發(fā)生轉(zhuǎn)變，由(α、δFe)?σ。當Cr含量超過14.3%時，處于γ單相區(qū)，無γ?α的相變。當Cr含量超過20%時，如在500～800℃，可出現(xiàn)σ相，使鋼變脆，耐蝕性下降。在Fe-Cr相圖中，γ相區(qū)接近于環(huán)弧狀，與Fe-C相圖的γ相區(qū)相比，其溫度范圍要小一些，而成分范圍更大一些。在該相圖中存在著σ相區(qū)，這種相為脆性相。

Ni-Cr二元平衡相圖，在平衡狀態(tài)的相有Ni(FCC)、Ni2Cr(γ')、Cr(BCC)。在 1345 ℃有一共晶反應(yīng)，在更低的溫度是有序相Ni2Cr轉(zhuǎn)變。在1345℃發(fā)生共晶反應(yīng):L?(Ni)+(Cr);在590℃有一包析反應(yīng):Ni+Cr?γ'。Cr在Ni中有很高的固溶度，Ni的晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，通常稱為γ相，而Ni在Cr中的固溶度變化很大。

2 Fe-Cr-Ni三元系等溫截面

采用熱力學計算軟件Thermo-Calc計算Fe-Cr-Ni三元系500～1700℃的等溫截面相圖。圖2為Fe-Cr-Ni三元系1350～1700℃的等溫截面相圖。

圖2 Fe-Cr-Ni三元系1350～1700℃的等溫截面相圖

圖3 Fe-Cr-Ni三元系1000～1300℃的等溫截面相圖

溫度為1700℃時，在富Cr角δ相首先由液相中析出，形成δ相初晶區(qū)。隨著溫度下降，Cr和Fe含量增加，δ相區(qū)增大。溫度為1520℃時在富Fe角形成 相區(qū)，1510℃時存在富Cr-Fe的 δ相區(qū)，同時δ相在富Fe角析出，隨著Ni含量的增加，δ相區(qū)擴大。當溫度降到1350℃時，液相將消失。

圖3為Fe-Cr-Ni三元系1000～1300℃的等溫截面相圖，在此溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)e-Cr-Ni三元合金系中存在δ、(δ+γ)和δ三個相區(qū)。

圖3中，當Fe含量為50～70%，Cr含量為20～30%，圖中的陰影區(qū)代表了三個合金系，奧氏體不銹鋼完全在γ相區(qū)，鐵素體不銹鋼完全在 δ(α)相區(qū)，雙相不銹鋼在(δ+γ)相區(qū)［7］。

圖4為Fe-Cr-Ni三元系500～950℃的等溫截面相圖，在此溫度范圍內(nèi)，簡單四方晶格結(jié)構(gòu)的脆性相σ相析出。在此Fe-Cr-Ni三元系中，σ相區(qū)向三元系內(nèi)延伸。

圖4 Fe-Cr-Ni三元系500～950℃的等溫截面相圖

從相圖可見，當Cr含量較低時，則合金遠離含σ相的相區(qū)，當Cr含量較高時，則合金可能進入含σ相的相區(qū)。一旦不銹鋼中析出了σ相，則會使合金脆化，耐蝕性下降。存在兩個三相平衡區(qū)(α+γ+σ)和(δ+σ +γ)，隨著溫度的下降，這兩個三相區(qū)擴大。該溫度范圍內(nèi)，相的分布相似，只是相區(qū)的大小。計算的Fe-Cr-Ni三元系等溫截面相圖與J.Sopuuˇsek［3］、V.Raghavan［4］和Josef Tomiska［5］等人的結(jié)果一致。

3 ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼相圖

ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼國內(nèi)廣泛使用在三峽等大型水輪機轉(zhuǎn)輪上，一臺大型水輪機轉(zhuǎn)輪的重量為400余噸。ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼主要用于正火和回火條件下，其正火后組織主要為板條馬氏體及少量鐵素體?；鼗鸷鬄榛鼗瘃R氏體和保持一定數(shù)量的逆變奧氏體，這種結(jié)構(gòu)可以提供最佳的強度、塑性、韌性和硬度、焊接等綜合性能。計算的Fe-C-12.5Cr-4.5Ni-0.5Si-0.6Mn垂直截面相圖如圖5 所示［8］，P.Wang等人［9］基于計算的該相圖確定了13Cr4Ni鋼擴散退火溫度，研究了 相對13Cr4Ni鋼沖擊性能的影響。

相圖是描述平衡凝固過程的有效工具，根據(jù)圖5可以分析ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼(圖中虛線)平衡凝固過程中其相變特點:冷卻到液相線溫度1478℃時，從液相中開始析出 鐵素體，然后到1435℃開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。到1308℃時，該合金完全進入奧氏體區(qū)，繼續(xù)平衡冷卻到840℃以下，有M23C6(Cr23C6)碳化物相由奧氏體中脫溶析出。ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼空冷到室溫其組織為板條馬氏體。

圖5 計算的Fe-C-12.5Cr-4.5Ni-0.5Si-0.6Mn相圖

4 結(jié)論

計算了Fe-Cr-Ni三元系在500～1700℃的等溫截面相圖。溫度為1700℃時，在富Cr角δ相首先由液相中析出，形成δ相初晶區(qū)，1510℃時存在富Cr-Fe的δ相區(qū)。1000～1300℃的溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)e-Cr-Ni三元合金系中存在 δ、(δ+γ)和 γ 三個相區(qū)，奧氏體不銹鋼完全在γ相區(qū)，鐵素體不銹鋼完全在δ(α)相區(qū)，雙相不銹鋼在(δ+γ)相區(qū)。500～950℃區(qū)間脆性σ相析出，當Cr含量較低時，則合金遠離含σ相的相區(qū)，當Cr含量較高時，則合金可能進入含σ相的相區(qū)。

［1］Mats Hillert.Phase Equilibria，Phase Diagrams and Phase Transformations［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1998:23-36.

［2］王崇琳.相圖理論及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2008:1-20.

［3］J.Sopuu?ek，T.Kruml.Sigma-Phase Equilibria and Nucleation in Fe-Cr-Ni Alloys at High Temperature［J］.Scripta Materialia，1996，35(6):689-693.

［4］V.Raghavan.Cr-Fe-Ni(Chromium-Iron-Nickel)［J］.Journal of Phase Equilibria and Diffusion，2009，30(1):94-95.

［5］Josef Tomiska.The system Fe-Ni-Cr:revision of the thermodynamic description［J］.Journal of Alloys and Compounds，2004，(379):176-187.

［6］Y.T.Zhang，X.Y.Li，D.Z.Li，et al.Phase Diagram Calculation and Experiment for Fe-Mn-Al System at Different Temperature［J］.Advances in Cryogenic Engineering Materials，2008，(54):132-138.

［7］STEEL CASTINGS HANDBOOK.Supplement 8 High Alloy Data Sheets Corrosion Series［DB/OL］.Steel Founder's Society of A-merica 2004，http://www.sfsa.org/sfsa/pubs/hbk/s8.pdf.

［8］李依依，張玉妥.ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼［A］.魏壽昆院士百歲壽辰紀念文集［C］.北京:科學出版社，2006:56-63.

［9］P.Wang，S.P.Lu，N.M.Xiao，et al.Effect of delta ferrite on impact properties of low carbon 13Cr-4Ni martensitic［J］.stainless steel Materials Science and Engineering A，2010，5(27):3210-3216.