探究金屬材料熱處理的影響因素

張潔溪，方 雅，王 璇

（河南工業職業技術學院，河南 南陽473000）

1 實驗材料及方法

實驗用馬氏體鋼包殼管材的外徑為12 mm、壁厚0.8 mm，經過真空感應熔煉+電渣重熔→1 160 ℃多道次熱鍛→1 160 ℃熱擠壓→精整+中間多道次冷軋→最終冷軋成管。本文所選用的材料是在HT9 馬氏體鋼的基礎上添加了0.15 mass%Nb、并對V 和W 等微量元素的含量進行調整，具體成分如表1 所示。

采用 Bruker D8 Focus X 射線衍射儀（Cu Ka 輻射，l=0.154 06 nm）檢測熱處理合金樣品的結構；利用OLYMPUS光學顯微鏡（OM）觀察微觀組織，選用FeCl3·6H2O（5 g）+HCl（25 mL）+C2H5OH（25 mL）腐蝕液，利用FEI Nova NanoSEM-400 掃描電鏡和JEOLJSM-6700F 場發射透射電鏡進一步表征其微觀組織和第二相析出粒子的結構，選用10%高氯酸+90%冰乙酸雙噴液；樣品在MTS810 拉伸實驗機上進行室溫和高溫600 ℃下的拉伸實驗，拉伸樣品的標距為25 mm，拉伸速率為1.5 mm/min；使用Image-J 軟件對晶粒尺寸和體積分數進行統計，晶粒尺寸采用手動統計測量多個晶粒取平均值，體積分數通過測定析出相區域面積分數來代替體積分數。此外，采用JMatPro 軟件對本工作采用的成分合金進行了熱力學計算。

表1 Fe-12Cr 馬氏體鋼包殼管材的化學成分（質量分數，%）

2 實驗結果與討論

2.1 熱力學計算結果

采用JMatPro 軟件計算Fe-12Cr 馬氏體鋼的析出相隨溫度的變化規律，發現材料在900～1 200 ℃較寬的溫度范圍保溫后淬火會得到全部的馬氏體組織；而在700～800 ℃的較低溫度范圍內時，析出相主要為M23C6 和M（C，N）碳化物，析出相的體積分數基本保持不變，分別約為4%和0.2%。當溫度低于650 ℃時，還會有少量Laves 相析出，且隨溫度降低，含量逐漸升高。

2.2 不同熱處理狀態下的微觀組織演化

Fe-12Cr 馬氏體鋼包殼管材冷軋及在不同溫度下保溫30 min 和15 min 后的微觀組織，如圖1 所示。可以看出，在未經正火處理的冷軋態下，合金中存在大量的碳化物粒子；當在980～1 050 ℃下保溫30 min 后，大量析出的碳化物粒子可以重新固溶于奧氏體中，經水淬后，形成馬氏體組織。隨正火溫度的升高，碳化物粒子的殘存量越來越少，至1 050 ℃下，只存在極少量碳化物粒子。另外，對形成馬氏體的原奧氏體晶粒尺寸進行了統計，原奧氏體晶粒尺寸會隨正火溫度升高而增加，在980 ℃×30 min 時，原奧氏體晶粒尺寸約為9 μm，在1 050 ℃×30 min 時，晶粒尺寸增加至12 μm。研究表明，原奧氏體晶粒尺寸會對馬氏體鋼的力學性能產生影響，尺寸越大，強度和塑性均越低。此外，在抑制奧氏體晶粒過大的同時，需要讓粗大碳化物粒子回溶至奧氏體中，以此保證馬氏體鋼獲得最優的力學性能。對不同正火溫度處理的馬氏體鋼中碳化物粒子的體積分數進行了統計，結果表明隨溫度的升高，碳化物粒子體積分數逐漸下降，說明碳化物逐漸重溶至奧氏體中，在1 050 ℃下保溫15～30 min 時，碳化物粒子體積分數僅為0.15%左右。

2.3 室溫和600 ℃下包殼管材的拉伸性能

對不同溫度回火處理后的管材樣品分別進行了室溫和高溫600 ℃下的拉伸性能測試，樣品在不同溫度回火2 h 后的力學性能如表2 所示。表2 列出了合金的屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm和伸長率A。可以看出，室溫下樣品的強度隨著回火溫度的提高逐漸降低，屈服強度由730 ℃回火時的696 MPa 降低至790 ℃回火時的561 MPa；在760 ℃回火時，樣品的屈服強度為641 MPa，略低于730 ℃回火時的強度。高溫600 ℃下的拉伸測試結果表明回火處理后的強度隨回火溫度升高略有降低，但降幅不大，其中屈服強度為230～270 MPa，且730 ℃回火和760 ℃回火處理的性能相差不大，屈服強度約為260 MPa。此外，760 ℃回火處理的樣品在600 ℃下具有出更優異的拉伸塑性，其伸長率為40%，高于730 ℃和790 ℃下回火處理的樣品性能。推測因為在760 ℃回火處理后，馬氏體板條間的碳化物粒子仍保持在非常細小尺寸的彌散析出，納米碳化物粒子的粗化現象不明顯，從而使得760 ℃回火處理后的管材試樣在保持高強度的同時仍具有非常好的塑性。

圖1 Fe-12Cr 馬氏體管材鋼在冷軋態及不同溫度正火處理后的微觀組織（OM 和SEM）

表2 樣品在不同溫度回火2 h 后的力學性能

3 結論

冷軋態下，合金馬氏體基體中存在粗大的碳化物粒子，經980～1 050 ℃正火處理15～30 min 后，粗大碳化物粒子會重溶于基體中；隨著正火溫度的升高，碳化物粒子含量逐漸減少，至1 050 ℃時，體積百分數僅約為0.13%；原奧氏體晶粒尺寸會產生粗化，從980 ℃的9 μm 增至1 050 ℃的12 μm；1 050 ℃×15 min 正火處理可使得合金保持較小的原奧氏體晶粒尺寸，確保粗大碳化物粒子充分溶入到馬氏體基體中。

馬氏體包殼管材最佳的熱處理工藝為1 050 ℃×15 min正火+760 ℃×2 h 回火處理，此時表現出最佳的力學強度和塑性，在室溫下的屈服強度為852 MPa，伸長率為24%；在高溫600 ℃下的屈服強度為270 MPa，伸長率為40%。