廣泛使用的不銹鋼仍然是高鉻鋼，因此首先分析Fe-Cr二元平衡圖，然后討論碳對Fe-Cr相圖的影響。圖2.12為Fe-Cr二元平衡圖。Fe和(he)Cr的(de)原(yuan)子半徑尺寸相(xiang)近（表2.1），Cr加入(ru)Fe中后(hou)可以(yi)(yi)與(yu)α-Fe無限互溶。約在12％Cr和(he)1000℃時封閉y區(qu)，以(yi)(yi)后(hou)是(shi)α＋γ兩相(xiang)區(qu)，當鉻含量超過14％后(hou)，將得到α固溶體(ti)。需要(yao)指出，γ區(qu)和(he)α＋y區(qu)邊界(jie)的(de)測(ce)定(ding)結果與(yu)所用(yong)原(yuan)料(liao)的(de)純(chun)(chun)度有關，早期(qi)使用(yong)的(de)原(yuan)料(liao)不可能很純(chun)(chun)，所含碳及(ji)氮較高(gao)。圖2.12的(de)y區(qu)和(he)α＋γ雙相(xiang)區(qu)邊界(jie)數據來(lai)自(zi)于文獻。
由圖2.27 Fe-Cr-C在700℃時(shi)的(de)平衡圖可以看(kan)出，隨Cr／C的(de)增加(jia)，鋼中先后生成(cheng)（Fe，Cr）3C、（Fe，Cr），C3和（Fe，Cr）23C6。鉻(ge)(ge)是縮小Fe-C合金γ相區的(de)元(yuan)素，圖2.34可以顯示鉻(ge)(ge)縮小y相區的(de)趨勢，當鉻(ge)(ge)含量為20％時(shi)，γ相區縮小為一點。
碳能擴大Fe-Cr平衡圖(tu)的(de)γ相區，但其(qi)溶解度極限卻隨(sui)鉻(ge)含(han)(han)量(liang)(liang)的(de)提高(gao)(gao)而減(jian)少(shao)。圖(tu)9.6表明，在(zai)碳含(han)(han)量(liang)(liang)為(wei)0.6％的(de)Fe-Cr-C合金中(zhong)，鉻(ge)含(han)(han)量(liang)(liang)達18％時(shi)(shi)高(gao)(gao)溫下仍為(wei)單(dan)一(yi)的(de)y相；鉻(ge)含(han)(han)量(liang)(liang)范圍在(zai)18％～27％時(shi)(shi)，鋼(gang)在(zai)高(gao)(gao)溫時(shi)(shi)的(de)組(zu)織(zhi)為(wei)a＋y相；鉻(ge)含(han)(han)量(liang)(liang)高(gao)(gao)于27％時(shi)(shi)，鋼(gang)的(de)組(zu)織(zhi)將成(cheng)為(wei)單(dan)一(yi)的(de)α相，不可能產生馬(ma)氏體相變。碳含(han)(han)量(liang)(liang)為(wei)0.6％和(he)鉻(ge)含(han)(han)量(liang)(liang)為(wei)18％時(shi)(shi)，單(dan)一(yi)的(de)γ相區最(zui)寬，如(ru)果繼續提高(gao)(gao)碳含(han)(han)量(liang)(liang)，將生成(cheng)碳化物相。
不(bu)銹鋼的(de)鉻含(han)量一(yi)般在12％以(yi)上，在Fe-Cr-C合金中，馬氏體鋼鉻含(han)量為12％～18％，鐵素體鋼鉻含(han)量為15％～30％，這兩類鋼的(de)鉻含(han)量有重復的(de)區域（15％～18％），至于(yu)屬于(yu)哪一(yi)類，取(qu)決于(yu)其碳含(han)量。
含鉻的奧(ao)氏(shi)體(ti)（y相）不穩定，只存在于高(gao)溫(wen)區，緩冷時轉(zhuan)變(bian)為鐵素體(ti)（α相），急冷時可(ke)以轉(zhuan)變(bian)為馬氏(shi)體(ti)；加(jia)入(ru)碳之后(hou)，可(ke)以擴大y相區；速冷后(hou)，可(ke)以獲得部分殘(can)余奧(ao)氏(shi)體(ti)，但(dan)高(gao)碳的奧(ao)氏(shi)體(ti)在冷卻過(guo)程中易(yi)于析(xi)出碳化鉻而降(jiang)低(di)基體(ti)中的鉻含量，降(jiang)低(di)了鋼的耐蝕性。
為了(le)能在(zai)室溫獲得穩定的奧氏體(ti)，可在(zai)Fe-C中加入鎳(nie)和錳，兩者(zhe)都是擴大γ相區的元素。圖(tu)(tu)2.5、圖(tu)(tu)2.7分別為Fe-Mn和Fe-Ni的平衡圖(tu)(tu)，Fe-Mn和Fe-Ni均(jun)可生成無限互(hu)溶的γ相區。
圖9.7為Fe-Cr-Ni三元系在(zai)(zai)高溫(wen)的相(xiang)圖，可以看出，由于(yu)鎳的存在(zai)(zai)，在(zai)(zai)1100℃下(xia)，y相(xiang)區擴展(zhan)到較高的鉻含量，這種(zhong)(zhong)高溫(wen)穩定(ding)的γ相(xiang)急冷到室溫(wen)，形成(cheng)如圖9.8所(suo)示的室溫(wen)下(xia)的各種(zhong)(zhong)亞穩相(xiang)及穩定(ding)相(xiang)。
雖然錳和鎳一樣可以擴展和穩定y相，但在奧氏體不銹(xiu)鋼中用錳完全代替鎳是有困難的。根據Fe-Cr-Mn三元相圖（圖9.9及圖9.10），當鉻含量大于15％時，錳含量的增加并不能避免α相的出現。為了節約鎳，在18Cr-8Ni 奧氏體不銹鋼中，可以用8％Mn代替其中的4％Ni。圖9.11為Fe-Cr-Ni-Mn相圖，可以看出，在Cr-Mn鋼中加入少量的氮可使獲得奧氏體組織所需的鎳含量大大減少。圖9.12也表明，在含18.5％Cr的鋼中，加入少量的氮可以顯著減少為獲得奧氏體所需的鎳含量。
合(he)金元素對(dui)不銹鋼(gang)組織的影響基本上可(ke)以(yi)分為兩大類：一類是擴大奧(ao)氏體區或穩定(ding)奧(ao)氏體的元素，它(ta)們(men)是碳、氮(dan)、鎳、錳、銅等；另一類是封閉或縮小奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)區形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)，它們(men)是鉻、硅、鈦(tai)、鈮、鉬等。當這兩(liang)類作用(yong)(yong)(yong)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)同時存在(zai)(zai)于不(bu)銹鋼中時，不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)就(jiu)(jiu)取決于它們(men)互相作用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果(guo)。如(ru)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)在(zai)(zai)鋼中占優勢(shi)，鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)就(jiu)(jiu)是鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)；如(ru)穩定(ding)奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)在(zai)(zai)鋼中占優勢(shi)，鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)則為(wei)奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)；如(ru)穩定(ding)奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)(yong)程度還不(bu)足以(yi)使鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)轉變點（M3）降(jiang)至室溫(wen)以(yi)下，自高溫(wen)冷(leng)卻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)高于室溫(wen)即轉變為(wei)馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)，這樣(yang)鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)織(zhi)就(jiu)(jiu)是馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。為(wei)了簡便起見，可把(ba)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)元素(su)折合成(cheng)(cheng)(cheng)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)(yong)，把(ba)奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)元素(su)折合成(cheng)(cheng)(cheng)鎳的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)(yong)，而制(zhi)成(cheng)(cheng)(cheng)鉻當量［Cr］。和鎳當量［Ni］eq圖(tu)，以(yi)表(biao)明鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實際成(cheng)(cheng)(cheng)分和所得(de)到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)狀態(tai)，見圖(tu)9.13。該圖(tu)適用(yong)(yong)(yong)于從高溫(wen)快速冷(leng)卻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Cr-Ni系不(bu)銹鋼，因而可以(yi)用(yong)(yong)(yong)來(lai)確定(ding)焊(han)縫冷(leng)卻后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)。其中：
圖9.13雖不(bu)(bu)能十分(fen)確切地(di)確定不(bu)(bu)銹(xiu)鋼中的(de)(de)組織(zhi)，但仍可以幫助了解穩定奧(ao)氏體元(yuan)素和(he)鐵素體形成元(yuan)素對不(bu)(bu)銹(xiu)鋼中組織(zhi)的(de)(de)相(xiang)對影(ying)響，粗略地(di)分(fen)析一些(xie)具有(you)復雜化學成分(fen)的(de)(de)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼組織(zhi)。
圖(tu)9.14是從大量Cr-Ni奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼的試驗數據中整理得到的，適用(yong)于1150℃熱(re)加(jia)工后冷卻狀態的不銹(xiu)鋼組織。該圖(tu)考慮了元(yuan)素間的交(jiao)互作用(yong)：
