Fe-Cr-Ni系相图计算

边 书，张玉妥，王承志

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

相图是研究成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。相图广泛应用于材料研究及材料工程，用以了解材料的组成、结构和工艺条件之间的关系，但是实验确定的相图通常仅仅适用于二元系和某些三元系，对多元合金系应用较少。随着热力学理论、相图测试技术和计算机软件的发展，计算相图成为本学科的研究热点［1-4］。采用热力学软件Thermo-Calc可计算多元合金相图［5-6］。Fe-Cr-Ni是非常重要的一个合金体系，奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相不锈钢其基础成分位于Fe-Cr-Ni系富铁角。本文采用Thermo-Calc软件计算Fe-Cr-Ni三元系在500～1700℃的等温截面以及Fe-C-12.5 Cr-4.5Ni-0.5Si-0.6Mn系垂直截面相图，并分析了相关系，从而更好地描述了多元系合金的平衡凝固的过程。

1 Fe-Ni、Fe-Cr 和 Cr-Ni二元系相图

Fe-Cr-Ni三元合金有三个边缘二元系，Fe-Ni、Fe-Cr和 Cr-Ni系，如图1所示。

图1 Fe-Cr-Ni系中Fe-Ni、Fe-Cr和 Cr-Ni二元相图

Fe-Ni二元平衡相图中，在平衡状态下有液相和三个固溶体:δFe、(γFe，Ni)和(αFe)，以及 Fe-Ni3金属间化合物组成。在温度1514±2℃时产生一狭窄包晶反应:L+δ↔γ;在温度为347℃时发生共析反应:γ↔α +FeNi3。Ni为扩大奥氏体区的元素，随着Ni含量的增加，γ相存在的温度范围加大。当Ni含量达到20%时，γ↔α相变温度降低到600℃以下。

Fe-Cr二元平衡相图中，有液相、与(α、δFe)、γFe、σ三个固相，σ与δ为Fe的同素异形体。Cr是缩小奥氏体区的元素，并形成一个封闭的γ相区。当Cr含量超过12wt.%即形成(α、δFe)固溶体，在固相区间为一大范围稳定;当温度低于830℃时，成分为45wt.%Cr时会发生转变，由(α、δFe)↔σ。当Cr含量超过14.3%时，处于γ单相区，无γ↔α的相变。当Cr含量超过20%时，如在500～800℃，可出现σ相，使钢变脆，耐蚀性下降。在Fe-Cr相图中，γ相区接近于环弧状，与Fe-C相图的γ相区相比，其温度范围要小一些，而成分范围更大一些。在该相图中存在着σ相区，这种相为脆性相。

Ni-Cr二元平衡相图，在平衡状态的相有Ni(FCC)、Ni2Cr(γ')、Cr(BCC)。在 1345 ℃有一共晶反应，在更低的温度是有序相Ni2Cr转变。在1345℃发生共晶反应:L↔(Ni)+(Cr);在590℃有一包析反应:Ni+Cr↔γ'。Cr在Ni中有很高的固溶度，Ni的晶体为面心立方结构，通常称为γ相，而Ni在Cr中的固溶度变化很大。

2 Fe-Cr-Ni三元系等温截面

采用热力学计算软件Thermo-Calc计算Fe-Cr-Ni三元系500～1700℃的等温截面相图。图2为Fe-Cr-Ni三元系1350～1700℃的等温截面相图。

图2 Fe-Cr-Ni三元系1350～1700℃的等温截面相图

图3 Fe-Cr-Ni三元系1000～1300℃的等温截面相图

温度为1700℃时，在富Cr角δ相首先由液相中析出，形成δ相初晶区。随着温度下降，Cr和Fe含量增加，δ相区增大。温度为1520℃时在富Fe角形成 相区，1510℃时存在富Cr-Fe的 δ相区，同时δ相在富Fe角析出，随着Ni含量的增加，δ相区扩大。当温度降到1350℃时，液相将消失。

图3为Fe-Cr-Ni三元系1000～1300℃的等温截面相图，在此温度范围内，Fe-Cr-Ni三元合金系中存在δ、(δ+γ)和δ三个相区。

图3中，当Fe含量为50～70%，Cr含量为20～30%，图中的阴影区代表了三个合金系，奥氏体不锈钢完全在γ相区，铁素体不锈钢完全在 δ(α)相区，双相不锈钢在(δ+γ)相区［7］。

图4为Fe-Cr-Ni三元系500～950℃的等温截面相图，在此温度范围内，简单四方晶格结构的脆性相σ相析出。在此Fe-Cr-Ni三元系中，σ相区向三元系内延伸。

图4 Fe-Cr-Ni三元系500～950℃的等温截面相图

从相图可见，当Cr含量较低时，则合金远离含σ相的相区，当Cr含量较高时，则合金可能进入含σ相的相区。一旦不锈钢中析出了σ相，则会使合金脆化，耐蚀性下降。存在两个三相平衡区(α+γ+σ)和(δ+σ +γ)，随着温度的下降，这两个三相区扩大。该温度范围内，相的分布相似，只是相区的大小。计算的Fe-Cr-Ni三元系等温截面相图与J.Sopuuˇsek［3］、V.Raghavan［4］和Josef Tomiska［5］等人的结果一致。

3 ZG0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢相图

ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢国内广泛使用在三峡等大型水轮机转轮上，一台大型水轮机转轮的重量为400余吨。ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢主要用于正火和回火条件下，其正火后组织主要为板条马氏体及少量铁素体。回火后为回火马氏体和保持一定数量的逆变奥氏体，这种结构可以提供最佳的强度、塑性、韧性和硬度、焊接等综合性能。计算的Fe-C-12.5Cr-4.5Ni-0.5Si-0.6Mn垂直截面相图如图5 所示［8］，P.Wang等人［9］基于计算的该相图确定了13Cr4Ni钢扩散退火温度，研究了 相对13Cr4Ni钢冲击性能的影响。

相图是描述平衡凝固过程的有效工具，根据图5可以分析ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢(图中虚线)平衡凝固过程中其相变特点:冷却到液相线温度1478℃时，从液相中开始析出 铁素体，然后到1435℃开始转变为奥氏体。到1308℃时，该合金完全进入奥氏体区，继续平衡冷却到840℃以下，有M23C6(Cr23C6)碳化物相由奥氏体中脱溶析出。ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢空冷到室温其组织为板条马氏体。

图5 计算的Fe-C-12.5Cr-4.5Ni-0.5Si-0.6Mn相图

4 结论

计算了Fe-Cr-Ni三元系在500～1700℃的等温截面相图。温度为1700℃时，在富Cr角δ相首先由液相中析出，形成δ相初晶区，1510℃时存在富Cr-Fe的δ相区。1000～1300℃的温度范围内，Fe-Cr-Ni三元合金系中存在 δ、(δ+γ)和 γ 三个相区，奥氏体不锈钢完全在γ相区，铁素体不锈钢完全在δ(α)相区，双相不锈钢在(δ+γ)相区。500～950℃区间脆性σ相析出，当Cr含量较低时，则合金远离含σ相的相区，当Cr含量较高时，则合金可能进入含σ相的相区。

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

［2］王崇琳.相图理论及其应用［M］.北京:高等教育出版社，2008:1-20.

［3］J.SopuuŠek，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，张玉妥.ZG0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢［A］.魏寿昆院士百岁寿辰纪念文集［C］.北京:科学出版社，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.