低溫固溶處理改善馬氏體時效鋼韌性技術研究

楊卓越，高 齊，丁雅莉，巴士俠

(1.鋼鐵研究總院 特殊鋼研究所，北京 100081；2.中國船舶重工集團公司 規劃發展戰略研究中心，北京 100861)

1 試驗材料與方法

試驗用鋼為Cr-Mo-Ti馬氏體時效耐蝕鋼，用25 kg真空感應爐熔煉，主要合金元素含量為：w(Cr)=8.92%、w(Ni)=12.64%、w(Mo)=1.46%和w(Ti)=1.37%。冶煉坯經過1 150～850 ℃鍛造成40 mm×40 mm的方坯，用Formastor-D全自動相變測量儀測試的相變溫度為：Ac1=625 ℃，Ac3=740 ℃，Ms=60 ℃。

在方坯上切取拉伸、V型缺口沖擊坯樣。將坯樣分成2組，第1組采用800 ℃低溫固溶處理，第2組按常規1 000 ℃較高溫度固溶處理。2組固溶處理的試樣均經過-73 ℃×2 h冷處理，隨后2組固溶處理的試樣均分別經過450、480、510和540 ℃，4 h時效處理。最終加工的拉伸試樣標距直徑為5 mm，標距長為25 mm；沖擊試樣是外形尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標準V型缺口沖擊試樣。最后用WE300B拉伸試驗機和JBN—300B沖擊試驗機分別測試室溫拉伸性能和沖擊韌性。同一熱處理狀態的力學性能用3個試樣測試的平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 奧氏體形成及其晶粒形態的變化

切取固溶處理的試樣制成金相樣品，經硫酸和高錳酸鉀水溶液煮沸顯示原奧氏體晶界，奧氏體晶粒形態和尺寸對比如圖1所示。金相顯微鏡觀察表明，800 ℃低溫固溶處理雖已超過Ac3溫度(740 ℃)，但卻遺傳了鍛造變形的晶粒形態與尺寸，說明通過非擴散α′→γ逆轉變機制形成奧氏體；此外，由于鉻含量低于傳統的馬氏體時效不銹鋼，因此800 ℃低溫固溶處理以奧氏體基體為主，未見明顯的殘留第2相。由于非擴散α′→γ形成的奧氏體內缺陷密度較高，提高固溶處理溫度，能量相對較高的奧氏體發生回復和再結晶[5]，因此1 000 ℃固溶處理形成完全封閉、相對均勻的多邊形奧氏體晶粒。

圖1 奧氏體晶粒形態和尺寸對比

2.2 固溶處理溫度對力學性能的影響

采用800和1 000 ℃的溫度固溶處理后的力學性能對比結果如圖2所示。

a)抗拉強度

b)屈服強度

c)斷面收縮率

d)V型缺口吸收能量

由圖2可以看出，800和1 000 ℃固溶處理的材料力學性能隨時效溫度的變化呈現相同的規律，即450 ℃時效仍處于欠時效狀態，480 ℃時效出現屈服和抗拉強度峰值，進一步提高時效溫度進入過時效，即屈服和抗拉強度下降；然而塑性和沖擊韌性隨提高時效溫度始終處于上升狀態。 480 ℃峰值時，效抗拉強度分別達到1 773和1 760 MPa，屬于超高強度鋼的范疇；510 ℃時效抗拉強度比480 ℃峰時效僅分別下降4.1%和3.0%，但V型缺口吸收能量則分別上升29.0%和45.8%，因此510 ℃時效屬于優化的時效溫度。

對比不同溫度時效的力學性能可以看出，800和1 000 ℃固溶處理的材料屈服和抗拉強度相近，但800 ℃固溶處理材料450、480、510和540 ℃時效后，V型缺口沖擊韌性分別高出1 000 ℃固溶處理材料的37.2%、46.3%、30.7%和18.4%；因此，800 ℃低溫固溶處理材料的強韌性優勢非常明顯。

為研究800 ℃低溫固溶處理強韌性更好的原因，對強韌性配合最好的510 ℃時效試樣進行了X射線衍射分析(見圖3)。由圖3可以看出，800 ℃低溫固溶處理的試樣最終殘余/逆轉變奧氏體衍射峰相對強度顯著高于1 000 ℃固溶處理的試樣，對比衍射峰的相對強度計算800 ℃低溫固溶處理的試樣，最終殘余/逆轉變奧氏體體積分數為15.3%，而1 000 ℃固溶處理的試樣則為9.0%，顯然，更多的殘余/逆轉變奧氏體導致800 ℃低溫固溶處理的材料具有更高的沖擊韌性，但并未降低屈服強度和抗拉強度，這與800 ℃低溫固溶處理涉及的相變有關，一方面，800 ℃固溶處理遺傳了鍛態組織，即以α′→γ非擴散形式轉變為高密度缺陷的奧氏體，高密度缺陷奧氏體馬氏體相變抗力較大，最終冷卻和冷處理后殘留的奧氏體較多；另一方面，由于已形成的馬氏體再次遺傳了這種高密度的缺陷，有利于時效時通過擴散形成逆轉變奧氏體，因此最終的殘余/逆轉變奧氏體量必然較高。此外，800 ℃低溫固溶處理后的馬氏體缺陷密度較高，有利于時效處理強化析出相的彌散分布，增強了馬氏體的時效強化效應，彌補了較多殘余/逆轉變奧氏體的軟化效應。

圖3 510 ℃時效試樣X射線衍射

3 結語

通過上述研究，得出如下結論。

1)800 ℃低溫固溶處理以非擴散α′→γ形成奧氏體，遺傳鍛態奧氏體晶粒的形態和尺寸，而1 000 ℃固溶處理由于發生再結晶，形成相對均勻的多邊形再結晶奧氏體晶粒。

2)450～540 ℃時效后，800和1 000 ℃固溶處理的試樣強度相近，但800 ℃固溶處理以非擴散α′→γ形成奧氏體，其高密度缺陷最終遺傳到馬氏體內，既有增強時效強化的作用，又增加殘余/逆轉變奧氏體，因此具有更好的強韌性。

[1] Il’ina V P, Troitskaya V A. Effect of low-temperature quenching on the microstructure and capacity for corrosion cracking of steel 03Kh11N10M2T-VD[J].Metal Science and Heat Treatment, 2000,42(2): 53-56.

[2] Krasnikova I, Man T A, Drobot A V， et al. Effect of quenching parameters on the properties of maraging steel 05Kh12K14N5M5T-VD[J]. Metal Science and Heat Treatment, 1983,25(4):294-297.

[3] 劉振寶，楊志勇，雍歧龍，等.固溶處理對新型馬氏體時效不銹鋼力學性能的影響[J].鋼鐵，2007，42(3)：47-51.

[4]Novikov V I, Semenov V N，Dmitriev V V.High-strength stainless steels with "microduplex" structure for cryogenic applications[J]. Metal Science and Heat Treatment, 2001, 43: 481-483.

[5] Nikol'skaya V L, Pevzner L M and Orekhov N G.Effect of retained austenite on the properties of cast stainless steels[J].Metal Science and Heat Treatment, 1975, 17(9): 763-767.