時效溫度對PH13-8Mo不銹鋼組織和力學性能的影響

張 湛，薛 春，黃春波，陳有光，王玲奇，陸 超

（1.上海材料研究所，上海200437；2.上海市軸承技術研究所，上海200031）

0 引 言

馬氏體時效不銹鋼是由低碳馬氏體相變強化和時效強化兩種強化效應疊加的高強度不銹鋼，現已廣泛應用于航空、航天、機械制造、原子能等領域。近30a來，馬氏體時效不銹鋼的開發和研究取得了很大進步［1］。

馬氏體時效不銹鋼的代表鋼種為0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）和 0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），它們一般用于制造在400℃以下環境中工作的高強耐蝕承力構件，如發動機零件、緊固件等。PH13-8Mo不銹鋼在航空承力耐蝕中溫結構件方面的應用十分廣泛，現已代替17-4PH鋼應用于美國海軍艦載機——F/A18超級大黃蜂和E-2C鷹眼預警機的起落架中；此外，空客A340-300型客機的機翼梁也采用了該鋼。在對高強度和高韌性（特別是沖擊性能）有特殊要求的部位，如機身框架，均要求使用PH13-8Mo不銹鋼。目前，PH13-8Mo不銹鋼作為高強度耐腐蝕結構材料已廣泛用于海上平臺、航空、航天等。但在國內，無論是民用飛行器還是軍用武器裝備，該鋼都未能得到推廣使用［2］。在耐腐蝕高強度沉淀硬化不銹鋼的使用上，我國軍、民裝備仍在使用那些已被發達國家淘汰的材料，如17-4PH等。此外，PH13-8Mo不銹鋼至今仍未列入我國沉淀硬化不銹鋼的標準牌號中，而且國內對于其力學性能、耐腐蝕性能的研究還不完善，對其冶煉及熱處理工藝亦未能完全掌握。為此，作者研究了不同時效溫度對PH13-8Mo不銹鋼力學性能和顯微組織的影響，希望能為今后此類材料的研制和開發提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用PH13-8Mo不銹鋼取自自產的φ25mm熱鍛棒材，其化學成分如表1所示。該鋼采用真空冶煉和電渣重熔雙聯凈化工藝制備，制備過程中充分去除氣體，以減少偏析、低熔點雜質和去除非金屬夾雜物，在WZC-30型30kg雙室真空油淬爐內對試驗鋼進行固溶處理，固溶溫度為930℃，保溫1h；然后在SX2-8-10型工業熱處理電阻爐內進行時效處理，時效溫度為480，510，540，565，590，620℃，保溫時間為4h。

表1 PH13-8Mo不銹鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of PH13-8Mo stainless steel（mass） %

制備的硬度試樣的兩端面、拉伸試樣的標距部位及沖擊試樣的表面粗糙度（Ra）不大于5μm。采用8150LK型洛氏硬度計測試驗鋼的洛氏硬度；采用LEICA-DMLM型光學顯微鏡觀察試驗鋼的顯微組織；采用Philips XL-30型掃描電鏡（SEM）觀察試驗鋼的顯微形貌，并進行微區成分分析；參考GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備拉伸試樣，并在ZWICK-Z400型拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸試樣的標距尺寸為φ10mm×50mm，屈服強度階段的拉伸速度為1mm·min-1，抗拉強度階段則為25mm·min-1；參考GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，在ZBC-2302-Z型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，沖擊試樣的尺寸為10mm×10mm×55mm，開V型缺口，沖擊能量為300J。以上試驗數據均取三個試樣的平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能

由表2可見，PH13-8Mo不銹鋼經固溶處理后的硬度、強度較低，沖擊功較高，為180J；均隨著時效溫度升高，PH13-8Mo不銹鋼的硬度、強度均先升高后降低，并在510℃時達到最高，但此時的沖擊功較低，為37.4J。

表2 PH13-8Mo不銹鋼經不同熱處理后的力學性能Tab.2 Mechanical properties of PH13-8Mo stainless steel after different heat treatments

2.2 顯微組織

由圖1可見，PH13-8Mo不銹鋼在930℃固溶后的組織為馬氏體和奧氏體；在480℃時效處理后的組織為回火馬氏體和少量析出相；在510℃時效處理后的組織為回火馬氏體和彌散分布的析出相；在620℃時效處理后的組織主要為回火索氏體和粒狀析出相。

2.3 SEM形貌和EDS譜

由圖2可見，PH13-8Mo不銹鋼在510℃時效4h后，出現了極個別較大的（微米級）析出相，該相中鎳和鋁元素的含量均較高，且它們的原子分數比為2.98，接近于3，表明該析出相為金屬間化合物Ni3Al。由圖3可見，PH13-8Mo不銹鋼基體中鋁和鎳的含量基本與熱處理前的接近。

2.4 TEM形貌

由圖4可以看出，PH13-8Mo不銹鋼在480℃時效4h后，僅有少量析出相，且析出相尺寸非常?。{米級），分布也不均勻；在510℃時效4h后，析出相尺寸與480℃時效的相比基本無變化，但數量明顯增多，且分布的較為均勻；在565℃時效4h后，析出相的數量、分布均勻性與510℃時效后的相比無明顯變化，但部分析出相開始長大，且長大速度不同；在620℃時效4h后，析出相的數量、分布均勻性與565℃時效后的相比基本不變，析出相繼續長大，且長大速度不同。

2.5 討 論

PH13-8Mo不銹鋼的時效硬化是在其在時效過程中析出金屬間化合物Ni3Al的結果［3］，析出相的數量取決于時效溫度和時間，在時效時間一定的情況下，時效溫度的高低決定了析出相的數量和尺寸。

PH13-8Mo不銹鋼在480℃時效后，硬度、強度比固溶狀態的高，析出了少量析出相；在510℃時效后的硬度和強度最高，此時析出相完全析出且尺寸較小，故最佳的時效溫度約為510℃。在480℃和510℃時效后，彌散析出相與基體形成共格關系，增大了基體的硬度和強度，但析出相在晶界的析出會影響晶界的結合，從而導致沖擊韌性降低。

圖1 PH13-8Mo不銹鋼經不同熱處理后的的顯微組織Fig.1 Microstructure of PH13-8Mo stainless steel after different heat treatments：（a）solid-solution at 930 ℃for 1h；（b）solid-solution and aging at 480℃for 4h；（c）solid-solution and aging at 510℃for 4hand（d）solid-solution and aging at 620 ℃for 4h

圖2 PH13-8Mo不銹鋼在510℃時效4h后析出相的SEM形貌和EDS分析結果Fig.2 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of precipitates in PH13-8Mo stainless steel after aging at 510 ℃ for 4h

圖3 PH13-8Mo不銹鋼在510℃時效4h后基體的SEM形貌和EDS分析結果Fig.3 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of PH13-8Mo stainless steel substrate after aging at 510 ℃for 4h

圖4 PH13-8Mo不銹鋼在不同溫度時效4h后的TEM形貌Fig.4 TEM morphology of PH13-8Mo stainless steel after aging at different temperatures for 4h：（a）dark field image and（b-d）bright field images

PH13-8Mo不銹鋼在510～620℃時效處理時，隨時效溫度升高，析出相逐漸長大，彌散析出相與基體形成的共格關系逐漸被打破，發生過時效［4-5］，對位錯的阻礙作用下降，硬度和強度隨之降低；同時基體組織也隨著溫度升高而長大，晶界上的析出相又溶于基體組織中，沖擊韌性增加。

3 結 論

（1）PH13-8Mo不銹鋼在930℃固溶后再在510℃時效4h后具有最高的硬度和強度，但此時的沖擊韌性較低；在510～620℃時效時，隨著時效溫度的升高，硬度和強度下降，沖擊韌性增加。

（2）PH13-8Mo不銹鋼在930℃固溶后的組織為馬氏體和奧氏體，在480℃時效后的組織為回火馬氏體和少量Ni3Al析出相，在510℃時效后的組織主要為回火馬氏體和彌散分布的Ni3Al析出相；經620℃時效處理后的組織為回火索氏體和粒狀析出相。

（3）PH13-8Mo不銹鋼在480℃時效時開始析出金屬間化合物Ni3Al，該析出相隨時效溫度升高而逐漸長大和增多。

［1］姜越，周蓓蓓，艾瑩瑩，等.變溫循環相變超細化后00Cr13Ni7Co5Mo4Ti馬氏體不銹鋼的組織與性能［J］.機械工程材料，2012，36（10）：7-10，28.

［2］孫永慶，楊志勇，梁劍雄，等.中國商用飛機高強度不銹鋼的現狀及發展趨勢［J］.鋼鐵研究學報，2009，21（6）：1-5.

［3］文靜，樂精華.沉淀硬化不銹鋼及其在閥門上的應用［J］.閥門，2005（2）：19-21.

［4］李國明，陳珊，常萬順，等.時效溫度對新型馬氏體沉淀硬化不銹鋼性能的影響［J］.熱加工工藝，2009，38（8）：129-135.

［5］夏曉玲，李玉清，吳大茂.不同熱處理對17-4PH鋼過時效組織與性能的影響［J］.材料科學與工程，1997，5（2）：106-109.