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