廣泛使用的不(bu)銹鋼(gang)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(wei)Fe-Cr二元平(ping)衡圖。Fe和(he)(he)Cr的原子半徑(jing)尺寸相(xiang)近（表2.1），Cr加入Fe中后可(ke)以與α-Fe無限互(hu)溶(rong)。約在12％Cr和(he)(he)1000℃時封閉y區(qu)，以后是α＋γ兩(liang)相(xiang)區(qu)，當鉻含量超過14％后，將得到α固溶(rong)體。需要指出，γ區(qu)和(he)(he)α＋y區(qu)邊(bian)界的測(ce)定結果(guo)與所用原料的純(chun)度有(you)關，早期(qi)使用的原料不(bu)可(ke)能很純(chun)，所含碳(tan)及氮較高。圖2.12的y區(qu)和(he)(he)α＋γ雙相(xiang)區(qu)邊(bian)界數據來自(zi)于文獻。
由圖(tu)2.27 Fe-Cr-C在700℃時的平衡圖(tu)可以看(kan)出，隨(sui)Cr／C的增加，鋼中(zhong)先后生成(cheng)（Fe，Cr）3C、（Fe，Cr），C3和（Fe，Cr）23C6。鉻(ge)是縮小Fe-C合金(jin)γ相(xiang)區的元(yuan)素(su)，圖(tu)2.34可以顯示鉻(ge)縮小y相(xiang)區的趨勢，當鉻(ge)含量(liang)為(wei)20％時，γ相(xiang)區縮小為(wei)一點。
碳能擴大Fe-Cr平(ping)衡圖的(de)(de)γ相(xiang)(xiang)區，但其溶解度極限卻隨(sui)鉻含(han)(han)(han)量(liang)的(de)(de)提高而減少。圖9.6表明(ming)，在(zai)碳含(han)(han)(han)量(liang)為0.6％的(de)(de)Fe-Cr-C合金中，鉻含(han)(han)(han)量(liang)達(da)18％時(shi)高溫下仍為單一的(de)(de)y相(xiang)(xiang)；鉻含(han)(han)(han)量(liang)范圍在(zai)18％～27％時(shi)，鋼在(zai)高溫時(shi)的(de)(de)組(zu)織為a＋y相(xiang)(xiang)；鉻含(han)(han)(han)量(liang)高于27％時(shi)，鋼的(de)(de)組(zu)織將(jiang)成為單一的(de)(de)α相(xiang)(xiang)，不可能產(chan)生(sheng)(sheng)馬(ma)氏(shi)體相(xiang)(xiang)變。碳含(han)(han)(han)量(liang)為0.6％和鉻含(han)(han)(han)量(liang)為18％時(shi)，單一的(de)(de)γ相(xiang)(xiang)區最(zui)寬(kuan)，如果繼(ji)續提高碳含(han)(han)(han)量(liang)，將(jiang)生(sheng)(sheng)成碳化物相(xiang)(xiang)。
不銹鋼(gang)的鉻(ge)(ge)含(han)量(liang)一(yi)般在12％以上，在Fe-Cr-C合金(jin)中，馬氏(shi)體(ti)鋼(gang)鉻(ge)(ge)含(han)量(liang)為12％～18％，鐵素體(ti)鋼(gang)鉻(ge)(ge)含(han)量(liang)為15％～30％，這(zhe)兩(liang)類鋼(gang)的鉻(ge)(ge)含(han)量(liang)有重復(fu)的區域（15％～18％），至于屬于哪一(yi)類，取決于其(qi)碳含(han)量(liang)。
含(han)鉻的(de)奧氏體(ti)（y相）不穩定，只(zhi)存在(zai)于高(gao)(gao)溫(wen)區，緩(huan)冷時(shi)轉變為鐵素體(ti)（α相），急冷時(shi)可以(yi)轉變為馬氏體(ti)；加入碳(tan)(tan)之(zhi)后(hou)，可以(yi)擴大y相區；速(su)冷后(hou)，可以(yi)獲得(de)部分殘余奧氏體(ti)，但(dan)高(gao)(gao)碳(tan)(tan)的(de)奧氏體(ti)在(zai)冷卻過程中易(yi)于析(xi)出碳(tan)(tan)化鉻而降低基體(ti)中的(de)鉻含(han)量，降低了鋼的(de)耐蝕性(xing)。
為了能(neng)在室(shi)溫獲得穩定(ding)的奧氏體，可在Fe-C中加入鎳和(he)錳，兩(liang)者都是擴(kuo)大γ相(xiang)區的元素。圖(tu)2.5、圖(tu)2.7分別為Fe-Mn和(he)Fe-Ni的平衡圖(tu)，Fe-Mn和(he)Fe-Ni均可生成無限互溶的γ相(xiang)區。
圖9.7為Fe-Cr-Ni三元系在高溫(wen)(wen)的相圖，可以看(kan)出(chu)，由于鎳的存在，在1100℃下(xia)，y相區擴(kuo)展到(dao)較高的鉻含量，這種高溫(wen)(wen)穩(wen)定(ding)的γ相急冷(leng)到(dao)室溫(wen)(wen)，形成(cheng)如(ru)圖9.8所(suo)示的室溫(wen)(wen)下(xia)的各(ge)種亞穩(wen)相及穩(wen)定(ding)相。
雖然錳和鎳一樣可以擴展和穩定y相，但在奧氏體不銹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(jin)元素對不銹鋼(gang)組織的影響(xiang)基(ji)本(ben)上可(ke)以分為(wei)兩大類(lei)：一(yi)類(lei)是擴大奧氏體區或穩定奧氏體的元素，它(ta)們是碳、氮、鎳(nie)、錳、銅等；另一(yi)類是(shi)(shi)封(feng)閉或縮(suo)小奧氏體(ti)區形(xing)成(cheng)(cheng)鐵素(su)體(ti)的(de)(de)元(yuan)素(su)，它們是(shi)(shi)鉻、硅、鈦、鈮、鉬等。當這兩類作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)不(bu)同的(de)(de)元(yuan)素(su)同時(shi)存在(zai)(zai)于不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中時(shi)，不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)組織就取決于它們互(hu)相作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)結果。如形(xing)成(cheng)(cheng)鐵素(su)體(ti)的(de)(de)元(yuan)素(su)在(zai)(zai)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中占優勢(shi)，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)組織就是(shi)(shi)鐵素(su)體(ti)；如穩定(ding)奧氏體(ti)的(de)(de)元(yuan)素(su)在(zai)(zai)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中占優勢(shi)，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)組織則為奧氏體(ti)；如穩定(ding)奧氏體(ti)的(de)(de)元(yuan)素(su)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)程度還不(bu)足以使鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)馬氏體(ti)轉變(bian)(bian)點（M3）降至室溫(wen)以下，自高(gao)溫(wen)冷卻的(de)(de)奧氏體(ti)在(zai)(zai)高(gao)于室溫(wen)即轉變(bian)(bian)為馬氏體(ti)，這樣(yang)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)組織就是(shi)(shi)馬氏體(ti)。為了簡便起(qi)見，可把(ba)鐵素(su)體(ti)形(xing)成(cheng)(cheng)元(yuan)素(su)折(zhe)合成(cheng)(cheng)鉻的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)，把(ba)奧氏體(ti)形(xing)成(cheng)(cheng)元(yuan)素(su)折(zhe)合成(cheng)(cheng)鎳(nie)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)，而制成(cheng)(cheng)鉻當量［Cr］。和鎳(nie)當量［Ni］eq圖，以表明(ming)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)實際成(cheng)(cheng)分和所(suo)得(de)到(dao)的(de)(de)組織狀態(tai)，見圖9.13。該圖適用(yong)(yong)(yong)于從高(gao)溫(wen)快速(su)冷卻的(de)(de)Cr-Ni系不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)，因而可以用(yong)(yong)(yong)來確定(ding)焊縫冷卻后的(de)(de)組織。其中：
圖9.13雖不(bu)能十分(fen)確(que)(que)切(qie)地確(que)(que)定不(bu)銹鋼(gang)中(zhong)的組織，但仍可以幫助了(le)解穩定奧氏體(ti)元素(su)和鐵素(su)體(ti)形成元素(su)對(dui)不(bu)銹鋼(gang)中(zhong)組織的相對(dui)影響，粗略地分(fen)析一些(xie)具有復雜(za)化(hua)學成分(fen)的不(bu)銹鋼(gang)組織。
圖9.14是從大(da)量Cr-Ni奧(ao)氏體不銹鋼的(de)(de)試驗(yan)數(shu)據中整理得到(dao)的(de)(de)，適用于1150℃熱加工后冷卻狀(zhuang)態的(de)(de)不銹鋼組織。該圖考慮了元素間的(de)(de)交(jiao)互作用：
