平衡相图可用于描述不锈钢的相变和相的稳定性。这里介绍Fe-Cr二元系和
Fe-Cr-C和Fe-Cr-C三元系相图。把这些相图用于各种类型的不锈钢可以预测微观组织的演变。然而这些相图只能近似地预测焊缝中形成的实际微观组织，这是因为：①不锈钢母材和填充金属含有高达十种合金元素，标准的相图很难与其相匹配；②相图是基于平衡条件绘制的，而焊接时快速加热和冷却形成了明显的非平衡条件。
经典相图的某些局限性已经被克服，这是通过用大型计算程序以热力学的知识来建立常用合金系的相图来实现的。这些计算程序和得到的相图的准确性决定于其输入数据的准确性，然而对于铁基合金是可以提供合格的精确度的。
一、铁-铬系
因为铬是不锈钢的主要合金元素，所以把图1所示的铁-铬系相图作为讨论不锈钢相平衡的起点。注意相图中Cr在高温时全部溶于铁中，所有Fe-Cr合金凝固时都生成铁素体。而凝固温度区间很窄。对低铬含量的合金在912～1394℃ 温度区间形成一个奥氏体区，通常被称为γ相回线。铬的质量分数高于12.7％的合金在高温时全是铁素体，而铬的质量分数低于12.7％的合金在这个γ相回线温度范围内多多少少要形成一些奥氏体。而铬的质量分数低于12％的合金在此回线的温度范围内将是全奥氏体组织，形成的奥氏体在快速冷却时可转变成马氏体。在Fe-Cr系中存在一种称为σ相的低温平衡相，这种相是具有（Fe，Cr）化
学配比的四方晶体。σ相在w（Cr）超过20％的合金中形成得最快，但是由于σ
相是在低温下形成的，其形成的动力学过程十分迟缓，在600～800℃ 温度范围内析出需要较长时间。因为σ相是一种既硬又脆的相，在不锈钢中经常不希望其存在。
图1 Fe-Cr平衡相图
（引自《金属手册》，原始出处为Hansen，由McGraw-Hill授权。）
在Fe-Cr相图中，在σ＋α相区里有一条475℃的水平虚线，在此温度下，由于在α母体中形成了一种共格的富铬析出物而使合金脆化，被称为475℃脆化。这种析出物被称为α′相，α′相实际上是在400～540℃温度范围内形成的，在铬的质量分数高于14％的合金中具有严重的脆化效应。α′相的形成也很缓慢，加入合金元素会加速其形成。
二、铁-铬-碳系
把碳加入铁-铬系，显著改变了平衡相图使其复杂化。由于碳是奥氏体形成
元素，它使γ相回线区扩大，即在铬含量高得多的成分下仍使奥氏体在高温区保持稳定。图2示出了碳对扩大奥氏体相区的影响，请注意即使很少的碳含量，也可使γ相回线区显著地扩大，这对于开发马氏体钢很重要，因为要在冷却时形成马氏体，则在高温时钢必须是奥氏体。而对于铁素体类钢，γ相回线面积必须予以控制，使得高温时没有或者只有很少奥氏体存在。
图2 碳对奥氏体相区扩张的影响
（引自Baerlacken等）
为了可以观察Fe-Cr-C三元系随温度的变化，需要把其中一个成分设为固定
值，用这种方法可以建立一种伪二元相图或者叫等成分面。这种相图之所以称为伪二元相图是因为它只示出了一个三维系统中的二维投影，因此它不能像二维相图那样使用。例如在伪二元相图中相界线之间的连接线就不能用来预测相的平衡组分，因为这种相图还有“深度”（即连接线不一定就在伪二元相图所在的平面上）。然而它们在理解三元系中相的转变和平衡方面是很有用的。图3示出了Fe-Cr-C三元系中w（Cr）＝13％和17％的两个合金系的Fe-C伪二元相图。
这些相图比简单的Fe-Cr相图要复杂得多，这主要是因为加入了碳元素和出
现了附加的二相和三相区，由于加了碳，在相图中还出现了两种不同的碳化物
（Cr，Fe）23C6和（Cr，Fe）7C3。
图３ Fe-Cr-C伪二元相图
ａ）w（Cr）＝13％ ｂ）w（Cr）＝17％
C1— （Cr，Fe）23C6碳化物 C2— （Cr，Fe）7C3碳化物
（引自Castro和Tricot）
对于铬含量低的铁素体和马氏体不锈钢，w（Cr）＝13％的伪二元相图可以用来解释相的稳定和微观组织。在碳含量很低时［w（C）低于0.1％］，这种三元合金在高温时是完全的铁素体组织，如果冷却速度足够快，则合金会把初始铁素体保留下来。对于w（Cr）＝13％的相图，这就是形成低铬铁素体不锈钢如409型钢的基础。
当碳的质量分数高于0.1％时，在高温时将形成奥氏体，在刚刚低于固相线
的温度范围内是奥氏体和铁素体的混合组织，在冷却到低于1200℃时组织变成全奥氏体。随后当冷速足够快时会转变为马氏体，这就是低铬马氏体不锈钢如410型钢形成的基础。在碳的质量分数较低（0.05％） 的钢中，高温时可以出现奥氏体和铁素体混合组织，从而在快速冷却时得到含有铁素体和马氏体的混合组织，由于这种组织的力学性能较差，所以是不希望得到的。
在高铬含量的Fe-Cr-C系合金中，由图3b w（Cr）＝17％的伪二元相图中可以看到铁素体相区扩大，奥氏体相区缩小。这是由于铁素体形成元素铬的作用。这时在高温形成的铁素体就更为稳定，而要形成高温奥氏体就必须含有更多的碳。这就是形成中铬铁素体钢如430型钢和中铬、高碳马氏体钢如440型钢的基础。
三、铁-铬-镍系
把Ni加入Fe-Cr系也使奥氏体相区扩大并使奥氏体在室温时仍为稳定相。这种三元系是奥氏体不锈钢和双相不锈钢的基础。可以画出Fe-Cr-Ni系的液相面和固相面的投影图（图4）并可用来描述这个系中合金的凝固行为。以观察凝固开始的液相面和凝固结束的固相面来对此进行分析。
图4 Fe-Cr-Ni三元系中的液相面和固相面的投影图
ａ） 液相面 ｂ） 固相面
（引自《金属手册》，由ASM国际授权）
液相面在图4a上显示了一条从相图三角形靠近富Fe角的点出发到Cr-Ni边的粗黑曲线。这条曲线把凝固成铁素体初始析出相的成分和凝固成奥氏体初始析出相的成分区分开来。在接近48Cr-44Ni-8Fe的成分点形成了一个三元共晶点。
固相面在图4b上显示了两条从靠近富铁角的点出发到Cr-Ni边的粗黑曲线，在两条线之间略高于固相面的温度奥氏体和铁素体与液相共存，而在略低于固相面的温度只是奥氏体和铁素体共存。两条粗黑线之间的这个区域把低于固相
面的铁素体和奥氏体的单相区隔开。请注意这两条曲线终止于三元共晶点。线上的箭头表示温度下降的方向。
在三元相图中自液相面到室温取一个Fe含量固定的截面就可以得到一个Fe-Cr-Ni系的伪二元相图。以等温三元截面为基础建立了w（Fe）＝70％和w（Fe）＝60％的两张伪二元相图，并画在图5中。因为这是一个三元系，每一个相区
都是三维的，从而得到了在标准二元相图中不会出现的三相共存区。
图5 Fe-Cr-Ni三元系中的伪二元相图
ａ）w（Fe） ＝70％ ｂ） w（Fe） ＝６０％
（引自Lippold和Savage，美国焊接学会授权）
请注意图５中固相线和液相线之间的小三角区，这就是奥氏体＋铁素体＋液相的三相区，这个区把凝固成奥氏体的合金（左侧） 和凝固成铁素体的合金（右侧）隔开。铬的质量分数大于20％的合金在高温固相区其铁素体是稳定的，当温度下降时，在Cr的质量分数为20％ ～25％的合金中部分铁素体要转变为奥氏体。凝固成奥氏体的合金（小三角三相区左面的合金） 在冷却时奥氏体保持不变直至室温。而成分紧靠小三角三相区右侧边界，凝固成铁素体的合金，冷却时必然要经过奥氏体铁素体两相区，结果有部分铁素体转变为奥氏体。而随着成分离小三角右边界越远（高Cr／Ni比值），铁素体就变得越稳定，直到最后在每张相图的右侧，就只存在全铁素体的组织。这些相图可用来解释奥氏体不锈钢和双相不锈钢的相变和微观组织演变。
四、特殊合金系的相图
目前有很多软件包可以基于热力学数据来建立特殊合金系的相图。这些软件包考虑了多种元素的相互作用，从而建立从熔点到室温范围的相平衡图。ThermoCalc是用得最广泛的软件包之一。像ThermoCalc这样的软件程序对于预测不锈钢焊缝及热影响区组织的演变是很有用的，但是必须认识到由其产生的相图是表示平衡状态，而在焊接过程中，由于快速加热和冷却，平衡经常是达不到的。
图6示出了一个用ThermoCalc开发的相图的例子。它代表了基本合金成分
（质量分数） 为12Cr=0.5MO-0.5Si-0.1C的典型410型马氏体不锈钢的相图。这
个图的成分轴上Ni的质量分数由0％变化到5％。在确定Ni含量如何影响各个相区，特别是对确定Ni加入量如何影响这种合金的焊缝及热影响区中铁素体含量方面这种相图是很有用的。例如在图6中比较w（Ni）＝0.3％的合金A和w（Ni）＝2.0％的合金Ｂ，可以发现对于合金Ｂ在1400℃附近不存在铁素体单相区，而随Ni含量增加α＋γ双相区的温度范围变得越来越窄。这些数据也可以用来建立图7所示的以摩尔分数表示的相组分随温度的变化图。用这样的方法可以方便地评价母材和填充金属成分对相稳定性的作用，并可预测焊接和热处理过程中微观组织的演变。
图6 w（Cr）＝12％的马氏体不锈钢的ThermoCalc相图
图中显示添加Ni的影响（由俄亥俄州立大学Antonio Ramirez授权，2002）
图7 图6中w（Cr）＝12％的钢中，w（Ni）＝0.3％时，其相组分（摩尔分数）随温度的变化（由俄亥俄州立大学Antonio Ramirez授权）
图8给出了另外一个例子，这是以氮作为成分变量由计算得到的双相不锈钢2205的相图。一个典型的氮的质量分数是0.15％，图上以一根垂直虚线表示。由图可知即使在高温，合金也不能得到全铁素体组织，而微观组织中总有一些奥氏体存在，这就可以有效地减少在焊接热影响区铁素体的长大。图中也示出
了碳化物（M23C6），氮化物（Cr2N）和σ相在热力学上稳定的相区。
图8 显示氮作用的双相不锈钢2205的ThermoCalc相图
（引自Ramirez）
和图7相似，图9可以预测在给定氮的质量分数为0.15％时各个相的体积分数随温度的变化。和图7不同的是这里用了体积分数而不是摩尔分数。为了使图更为清晰，图中没有画出碳化物和氮化物相，这是因为它们的含量很低。这种相图对在给定温度下确定每种相存在的数量是很有用的，比如在1375℃附近微观组织中含有大约95％的铁素体和5％的奥氏体。
图9 双相不锈钢2205［w（N）＝0.15％］中各种相的体积分数随温度的变化
（引自Ramirez等）
请注意图9指出：在低于大约900℃ 的温度时，σ相是一种平衡相。尽管在铁-铬系合金中σ相形成得很缓慢，但在Fe-Cr-Ni系含铁素体的不锈钢中，特别是在Cr、Mo含量较高、在大约700℃时σ相的形成要快得多。双相钢的这种特性加上铁素体含量又高，使其对形成σ相而产生的脆化很敏感。为了避免由铁素体形成σ相，要求在大致为900～500℃ 的温度范围内快速冷却。双相钢的这种特性也使其高温加工包括焊后热处理受到限制。
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