超纯铁素体不锈钢脆性析出相的影响因素
2.1 合金元素
超纯铁素体不锈钢中Cr、Mo、Ti、Nb、W和Cu等合金元素对其脆性析出相有一定的影响。
铁素体不锈钢中Cr元素含量越高，越容易钝化，会使铁素体不锈钢表面不易被氧化，从而拥有更好的耐腐蚀性能，同时耐点蚀、耐缝隙腐蚀和耐晶间腐蚀的能力也会得到提高；与此同时，当Cr的质量分数越高时，铁素体不锈钢中脆性相形成的速度会越快。另外，α'和σ相形成和析出的快慢也与Cr的质量分数有关，Cr质量分数越高，析出速度越快，且析出相会使钢的韧性下降、脆性转变温度显著提高。
铁素体不锈钢中Mo元素是第二重要的元素，当Mo的质量分数到达一定比例时，铁素体不锈钢中σ相和χ相的析出量明显增多；Moura L B等研究发现，在25Cr-7Mo的铁素体不锈钢中，Mo的加入降低了α′相的最高沉淀温度，使温度从475℃降低至400℃左右，并增加α′相的数量。
Kaneko M等发现，Mo元素会使Cr在钝化膜中更快地富集，提高钝化膜的稳定性能，加强钢中Cr的耐腐蚀作用；Ma L等研究发现，在1020℃退火后，30Cr钢会析出Laves相，该相主要由Fe、Cr、Mo、Si和Nb组成。与基体金属相比，Laves相中的Nb和Mo质量分数较高，30Cr钢1020℃退火后Laves相的X射线能谱分析如图6所示。由此可见，在30Cr超纯铁素体不锈钢中，Mo含量的提高会加速Laves相的析出。文献指出，随Mo含量的提高，时效后的26Cr不锈钢中除了σ相和Laves相析出外，还会有富Mo的χ相析出，而随着时效时间的延长，部分Laves相会逐渐转化成σ相。
图6 30Cr钢1020℃退火后Laves相的X射线能谱分析(EDS)
（a）基体金属的EDS分析；（b）Laves相的EDS分析
钢中加入的Nb和Ti等具有稳定性质的元素与C和N元素结合，会析出TiN、NbC和Fe2Nb等相，且分布在晶粒内部和晶界上，使Cr的碳化物和氮化物的形成速度变慢，从而增强铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀性能；Anttila S等研究了添加Ti和Nb对430等铁素体不锈钢焊缝的影响，焊接温度达到950 ℃时，易生成Laves相，导致焊接接头变脆，接头的冲击韧性降低。另外，Naghavi S S等研究发现，高温时效时，铁素体不锈钢中Nb元素在基体中溶解度随着温度的升高而降低，易导致Laves相粗化，使铁素体不锈钢的抗拉强度降低。
研究发现，含有W元素的444铁素体不锈钢在1000℃高温时效时，可显著提高钢的高温抗拉强度，但随着W质量分数的增加，会导致Laves相严重粗化，沉淀强化效应减弱，高温抗拉强度降低。
当铁素体不锈钢中含有Cu元素时，会析出富Cu相，可显著提高430-Cu的耐腐蚀性能。含Cu元素的Fe-Cu二元合金和Fe-Cu-Ni三元合金可以提高钢的强度和韧性。富Cu相主要在650℃和750℃时析出，在初始时效阶段，富Cu相保持球形，随着时效温度及时间的增加，会逐渐变为椭圆形和棒状，如图7所示。
图7 17Cr-0.86Si-1.2Cu-0.5Nb铁素体不锈钢在750°℃时效1h后富Cu相的形貌
2.2 稀土元素
稀土元素(RE)极具化学活性，加入适量的RE可以有效优化钢的性能。
27Cr铁素体不锈钢析出相的透射电镜检测结果如图9所示。未添加RE时，铁素体不锈钢中的析出相较为复杂，如图8(a)所示，二次相会在晶界析出，同时以链状出现在铁素体基体中，主要有σ相、M23C6、M6C，还存在少量M2N和χ相。添加RE后，链状析出相逐渐减少，在基体中经常以单个的形态呈现，主要为σ相，同时，碳、氮化物析出变少，如图8(b)所示。当超纯铁素体不锈钢中RE的质量分数为0.106%时，会起到更好的强化作用，此时RE元素的添加会使晶粒细化，提高冲击功，使冲击断裂机制发生转变，由脆性转变为韧性；另外，添加RE还能降低钢中S的质量分数，有效减少点蚀诱发源，提高耐点蚀性能。
图8 27cr铁素体不锈钢析出相透射电镜检测结果
( a )0%RE样品的明场图像；( b ) 0.106%RE样品的明场图像
2.3 时效处理
不同的时效处理对脆性析出相的影响是不同的。当超纯铁素体不锈钢产生脆性析出相时，其力学性能、冲击性能和耐腐蚀性能等综合性能都会恶化，而时效处理不仅能改善组织和提高塑性，还可有效地减少析出相的析出，降低其对钢的危害。
LU H H等研究发现，27Cr-4Mo-2Ni铁素体不锈钢在600～800℃时效时，主要有χ相、Laves相和σ相等析出相，27Cr-4Mo-2Ni铁素体不锈钢不同温度时效处理后各相的形态和分布如图9所示。这些析出物会导致冲击韧性、抗拉强度和塑性的降低及硬度的增加。χ相主要在600～800 ℃时效后沿晶界析出，700 ℃时效时晶粒内部会析出Laves相，而σ相一般在750℃以后在晶界析出，这时Laves相会有部分溶解到基质中，为σ相的生长提供了Cr和Mo原子，使晶粒粗化，导致钢的脆性断裂。
图9 27Cr-4Mo-2Ni铁素体不锈钢不同温度时效处理后x相、Laves相和o相的形态和分布
( a ) 650℃时效4h；( b ) 700℃时效4h；( c ) 750℃时效2h；( d ) 800℃时效4h。
张晶晶发现SUS444超纯铁素体不锈钢在850℃时效10min后，TiN会慢慢转变为TiN/NbC/贫Nb相的复合结构，该复合结构与基体的界面有较高的结合强度，会使冲击韧性大幅提升。
骆毅等对446超纯铁素体不锈钢进行时效处理时，发现其在800℃时效，σ相会在0.5h后析出，且σ相析出会随着时效时间增加而慢慢变多，并形成类似于网状的结构，同时σ相中逐渐产生微裂纹，这些大量的网状σ相会严重降低钢的韧性。
马力等对26%Cr超纯铁素体不锈钢退火时发现，主要存在TiN、NbC和χ相等3种典型的析出相，有害相χ相会严重导致钢的脆性产生，而随退火温度的升高，达到1020℃，χ相逐渐减少至微乎其微。因此，想要χ相消失，需要提供足够高的退火温度。
对于高Cr铁素体不锈钢27.4Cr-3.8Mo-2.1Ni，QU H P等发现在950℃时效0.5h后，会析出σ和 Laves相，它们提高了钢的硬度，但却降低了其延展性。这些有害相在1100℃固溶处理0.5h后可溶解到基质中。
武敏等发现441热轧板材在900～950℃退火时有大量Laves相析出，如图10所示，析出相有两种：一种是初生相，为 (Ti, Nb)(C, N)的复合结构，尺寸约5 μm；另一种是Laves相，呈细小的点状，数量多而密集，均匀分布在晶界、亚晶界和晶内。另外，将退火温度提高到1000～1050℃后，可以有效地消除Laves相，但还会有少量Nb(C, N)相析出。
图10 441铁素体不锈钢热轧板材在不同退火温度后的Laves相形貌
( a ) 900℃退火后的Laves相形貌；( b ) 950℃退火后的Laves相形貌。
