根据铁铬二元相图可以看出,在831~1394℃的温度范围内,靠近纯铁的一边,存在一个封闭的y相区(或称高温奥氏体稳定区域,是指铁和其他元素形成的面心立方晶格结构的固溶体),并存在一个窄的ay双相区域。马氏体就是奥氏体通过无扩散型相变而转变成的亚稳相(具有铁磁性,其硬度、强度主要由过饱和的碳含量决定)。因此,为了获得马氏体组织,一个基本的先决条件,就是在相图中必须存在有奥氏体(y相)的区域。对于无碳Fe-Cr工二元台金平衡相图而言,铭含量大于12%时,在所有温度条件下,均不存在奥氏体组织,为此只有加入能改变相图扩大y相区的元素,(主要是碳等)才能实现上述先决条件。

随着碳含量的增加,y相区边界逐渐向高铭方向扩展,而铬含量的增加,又稳定铁素体和缩小奥氏体y相区,并阻碍冷却时奥氏体向马氏体的转变,所以提高铭含量时,还需相应提高碳含量来扩大y相区,才能获得马氏体组织。当碳含量达0.6%时,纯(单一)奥氏体相最高铬含量达18%左右。若继续增加碳含量,因形成碳化物等而不再扩大7相区,但能提高耐磨性。因此,马氏体不锈钢管一般含路量在12%~18%之间,含碳量在0.1%~1.0%范围内。

鉴于碳对钢的组织与性能的重大影响,马氏体铬不锈钢管习惯上可按碳含量大体分为三类:(1)低碳类:c<0.1 5%Cr12%~14%,如1Cr13:(2)中磁类:C 0.2%~0.4%Cr12%~14%,如2Cr133Cr13等:(3)高碳类:C 0.6%~1.0%Cr18%,如9Cr199Cr18Mov等。

为了改善铬马氏体不锈钢管的性能向钢中加入少量的镍,于是形成另一类(或第四类)为含有少量镍的马氏体不锈钢管。镍属于稳定奥氏体和扩大y相区的元素,加入2%Ni时,就有明显效果。这样可以用镍代碳,如1Cr17Ni,马氏体不锈钢管,因其低碳高铭加镍,比一般马氏体不锈钢管具有更好的耐蚀性、强度与韧性。

标准的马氏体不锈钢管是:403410414416416Se),420431440A440B1440C型,这些钢材的耐腐蚀性来自“铬”,其范围是从11.518%,铬含量愈高的钢材需碳含量愈高,以确保在热处理期间马氏体的形成,上述三种440不锈钢管很少被考虑做为需要焊接的应用,且440型成份的熔填金属不易取得。

标准马氏体钢材的改良,含有类如镍、钼、钒等的添加元素,主要是用于将标准钢材受限的容许工作温度提升至高于1100K,当添加这些元素时,碳含量也增加,随着碳含量的增加,在焊接物的硬化热影响区中避免龟裂的问题变成更严重。

马氏体不锈钢管能在退火、硬化和硬化与回火的状态下焊接,无论钢材的原先状态如何,经过焊接后都会在邻近焊道处产生一硬化的马氏体区,热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量,当硬度增加时,则韧性减少,且此区域变成较易产生龟裂、预热和控制层间温度,是避免龟裂的最有效方法,为得最佳的性质,需焊后热处理。

马氏体不锈钢管是一类可以通过热处理(淬火、回火)对其性能进行调整的不锈钢管,通俗地讲,是一类可硬化的不锈钢管。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件:一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在,在该区域温度范围内进行长时间加热,使碳化物固溶到钢中之后,进行淬火形成马氏体,也就是化学成分必须控制在yy+a相区,二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜,铬含量必须在10.57%以上。

按合金元素的差别,可分为马氏体铬不锈钢管和马氏体铬镍不锈钢管。马氏体铬不锈钢管的主要合金元素是铁、铬和碳。图1-4Fe-Cr系相图富铁部分,如Cr大于13%时不存在y相,此类合金为单相铁素体合金,在任何热处理制度下也不能产生马氏体,为此必须在内Fe-Cr二元合金中加入奥氏体形成元素,以扩大y相区,对于马氏体铬不锈钢管来说,cN是有效元素,CN元素添加使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢管中,除铬外,C是另一个最重要的必备元素,事实上,马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金。当然,还有其他元素,利用这些元素,可根据Schaeffler图确定大致的组织。