熱處理工藝對00Cr12Ni10MoTi不銹鋼組織與力學性能的影響

陶則旭，江水，周榮田，張凱，王長軍

1.武漢重型機床集團有限公司 湖北武漢 430000

2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所 北京 100081

1 序言

00Cr12Ni10MoTi作為一種低溫用馬氏體時效不銹鋼，不僅具有高強度，還具有低溫時優異的沖擊、拉伸性能，正成為液氧、液氮存儲器和低溫結構件的重要用鋼[1]。馬氏體時效不銹鋼的強韌化機理與其熱處理工藝有著密切關系，其強韌性對熱處理工藝十分敏感，主要可以分為固溶強化、相變強化、時效強化等三個階段。固溶強化效果的大小與固溶原子的類型有關，固溶到基體的合金元素會在時效階段析出，從而導致馬氏體基體中固溶的合金元素大量減少，因此馬氏體時效不銹鋼中固溶強化對強度貢獻較少[2]；從固溶溫度冷卻到室溫的過程中，馬氏體時效不銹鋼中的奧氏體會發生馬氏體轉變，產生高密度相變位錯，同時產生細晶強化；時效強化是馬氏體不銹鋼最重要的強化方式，主要通過時效生成彌散的納米級金屬間化合物來使基體得到強化[3，4]。以往關于該鋼的研究主要關注預處理[5，6]、固溶處理及時效溫度對力學性能的影響[7]。本文研究不同熱處理工藝對00Cr12Ni10MoTi不銹鋼室溫及低溫力學性能的影響。

2 試驗方法

00Cr12Ni10MoTi不銹鋼錠采用真空感應爐熔煉，表1給出了試驗用鋼化學成分控制范圍；將其鍛成截面為460mm×450mm的鍛件，沿縱向切取225mm×170mm×150mm的矩形熱處理試樣。經調研并參考相關文獻，確定了4種試驗熱處理工藝方案，見表2。經過熱處理后，按GB/ T2975—2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》進行取樣加工，按GT/T 228—2008《金屬材料拉伸試驗方法》、GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行試樣拉伸、沖擊試驗。

表1 試驗用鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗熱處理工藝

主要設備儀器為P I T452C-2型沖擊試驗機、HRS-150型數顯洛氏硬度計、AG-IS250型電子萬能試驗機、GX53F型金相顯微鏡、Quonta650型熱場發射掃描電鏡及INSTRON5982型低溫拉伸材料試驗機。

3 試驗結果與分析

3.1 不同熱處理工藝對室溫低溫拉伸性能的影響

對不同熱處理工藝試樣進行室溫拉伸和低溫拉伸測試，結果如圖1所示。1～3號試樣室溫抗拉強度均在1000MPa以上，其中2號試樣的抗拉強度最高達1019MPa，4號的抗拉強度最低僅為931MPa。可以看出2次750℃相變處理后抗拉強度明顯偏低。1～3號試樣均為1次750℃相變處理，常溫抗拉強度均在1000MPa以上。另外還可看出，4種熱處理工藝對-196℃低溫拉伸性能影響不大，試樣的低溫抗拉強度比常溫抗拉強度提高40%左右；同時可看出，冷卻方式對試樣的拉伸性能影響不大。

圖1 拉伸試驗結果

3.2 不同熱處理工藝對室溫低溫沖擊性能的影響

圖2所示為常溫及低溫沖擊試驗結果。由圖2可看出，4種熱處理工藝的常溫沖擊吸收能量變化不大，為230～240J，而低溫沖擊性能有明顯的變化，2號試樣的低溫沖擊吸收能量最低僅為146J，4號試樣的沖擊吸收能量最高達192J。由此可看出，熱處理的冷卻方式對試樣的低溫沖擊吸收能量影響較小，而循環相變次數對低溫沖擊吸收能量影響較大。經2次750℃相變處理的試樣，擁有更高的低溫沖擊吸收能量。

圖2 常溫及低溫沖擊試驗結果

3.3 不同熱處理工藝對硬度的影響

圖3所示為硬度檢測試驗結果。由圖3可看出，1～3號試樣硬度均＞34HRC，均比4號高，4號試樣硬度最低為32HRC。由此可知，硬度值與冷卻方式關系不大，但750℃相變次數增加，硬度會略微降低。

圖3 硬度檢測試驗結果

3.4 不同熱處理工藝的物相分析

為了分析不同熱處理工藝所得組織對力學性能的影響，圖4所示為固溶時效后試樣的XRD圖譜。由圖4可見，試樣的基體為BCC結構的馬氏體，并均出現了γ相衍射峰，說明固溶后基體中保留了部分殘留奧氏體組織，500℃時效處理會發生馬氏體的逆轉變，從而生成逆變奧氏體，可改善材料的沖擊性能[8]。圖4中的4號試樣奧氏體相峰明顯增強，經計算奧氏體相含量達22%，因此4號熱處理工藝表現出了較高的沖擊性能，低溫沖擊吸收能量最高達

圖4 不同熱處理工藝試樣的XRD圖譜

192J。

3.5 不同熱處理工藝的組織結構

圖5所示為4種熱處理工藝試樣的微觀組織。從圖5可看出，馬氏體基體組織中分布著大量長條和塊狀的奧氏體，其尺寸、外形各異。時效處理后馬氏體發生明顯的逆轉變，逆變奧氏體相在馬氏體板條界形核長大，原馬氏體組織被取代，原板條束被分割，使其間距增大[7]。圖5d中逆變奧氏體數量更多，且分布更加均勻，平均寬度＜2μm，也佐證了2次750℃相變處理后試樣有更優異的韌性。

圖5 4種熱處理工藝試樣的微觀組織

4 結束語

1）熱處理工藝方法的改變對00Cr12Ni10MoTi不銹鋼的低溫拉伸性能影響不大，兩次750℃相變處理的常溫抗拉強度最低僅為931MPa。

2）不同熱處理工藝對00Cr12Ni10MoTi不銹鋼的常溫沖擊性能影響不大，兩次750℃相變處理的-196℃低溫沖擊吸收能量最高，達192J。

3）4種熱處理工藝處理后00Cr12Ni10MoTi不銹鋼的硬度在32～34.8HRC之間，兩次750℃相變處理后的硬度最低為32HRC。