时效温度对马氏体时效不锈钢微观组织与力学性能影响的研究

时效温度对马氏体时效不锈钢微观组织与力学性能影响的研究

徐殿鑫1,杨年浩2

哈尔滨电机厂有限责任公司 黑龙江 哈尔滨  150040

中国三峡建工（集团）有限公司 四川  成都 610095

摘要：研究了强度级别为1900MPa的新型马氏体不锈钢在经过不同制度的热处理后的微观组织及其对钢力学性能的影响，探讨了新型马氏体时效不锈钢的强韧化机理。

关键词：马氏体时效不锈钢；强韧化机理；析出相；力学性能

马氏体时效不锈钢因其具有良好的强韧性与耐蚀性,广泛的应用在航空、航天、核技术、舰船、先进机械制造等高科技领域的承力耐蚀（或高温）部件。但当前的马氏体时效不锈钢的发展也面临着一个突出的问题，强韧性配合不够优异，如何在保证马氏体时效不锈钢高强度的同时，提高韧性指标就有了重要的理论意义和应用价值。因此本文在原有马氏体时效不锈钢AFC-77的基础上，开发了一种具有良好的耐蚀性和强韧性配合的新型马氏体时效不锈钢1Cr14Co13Mo5，通过对新研制的马氏体时效不锈钢在不同热处理阶段微观组织的观察和力学性能的分析，探讨这种高强度马氏体时效不锈钢的组织转变特点以及微观组织对其力学性能的影响，从而为热处理制度的优化提供可靠的依据。

一.实验材料和方法

马氏体时效不锈钢选用高纯电解 Fe，电解 Ni，高纯 Mo、Co 等采用超高

真空感应炉熔炼25kg的钢锭，实验钢主要成分如表1.1所示。钢锭在1100℃±10℃开锻，终锻温度为900℃±10℃，锻成Φ40mm的棒材，锻件锻后在24h内进行退火处理，在860℃±10℃退火保温2-3小时，炉冷备用。

为使钢能够得到高强度和高韧性匹配良好的综合性能, 试样的固溶处理温度分别为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃保温60min，水冷；深冷处理（液氮+酒精的混合溶液-78℃） ; 然后在不同温度（520℃、540℃、560℃、580℃）时效处理两次，每次保温2h。固溶处理和时效处理的热处理炉均为8KW的马弗炉,固溶和时效处理温度偏差不超过±10℃。

在力学性能测试中，拉伸试样和冲击试样分别为GB/T228-2002和GB/T229-1994标准试样，拉伸试样标距段长度为25 mm, 直径为5 mm，冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm。用洛氏硬度计测试马氏体时效不锈钢热处理后的硬度，试样经粗磨后细磨，使上、下两表面平行并且粗糙度高于 0.8，每个试样至少测三个点(当所测点的硬度值相差较大时，应多测几个点)，取平均值。

表1.1   试验用新型马氏体时效不锈钢化学成分

二.试验结果与分析讨论

2.1时效处理后实验钢的微观组织

为进一步提高实验钢的强度以及消除淬火应力，在1100℃固溶＋深冷处理后，进行时效处理，分别选择520℃，540℃，560℃，580℃时效两次，每次两小时，空冷。图1的（a）~（d）分别为520℃，540℃，560℃，580℃处理后的微观金相组织，可以看出钢经过时效处理后的基体组织是低碳板条马氏体，马氏体板条上有细小而弥散分布的时效析出相，在晶界还有少量的残余奥氏体和逆转变奥氏体，随着时效温度的提高逆转变奥氏体增多，可以看到在580℃时效处理后，在晶界处和马氏体板条束间存在连续分布的逆转变奥氏体和残余奥氏体。

为了更深入的研究实验钢经固溶深冷+时效处理后的马氏体形貌和析出相情况，对540℃时效处理的样品进行透射电镜观察，如图1（a）和（b）所示，

            （a）                                               （b）

          图1.1100℃固溶深冷+540℃时效两次后的析出相形貌

可以看到，经过时效处理后,在马氏体的基体上析出大量弥散、细小、强化的析出相。析出相的析出提高了钢的强度,由于钢中含有的合金元素种类多,经过时效处理后在基体中得到的析出物较为复杂,析出物也呈现不同的形貌，根据文献[5-7]介绍，在高合金超高强度马氏体时效不锈钢中常见的析出相有椭球状的Fe2Mo 型的 Laves相( hcp 点阵结构) Ni3 Ti , R相,μ相和针状的M2C等。在本课题的实验钢的析出相的观察中，只看到椭球状的析出相，可以推断为是Fe2Mo 型的 Laves相，这是因为实验钢的成分中只含有2%的Ni元素且不含有Ti元素，不足以为其他种类的析出相产生提供成分条件，Fe2Mo 型的 Laves相也是二次硬化钢中的典型强化相。同时由于试验钢是超低碳马氏体时效不锈钢，碳元素含量只有0.17％，故碳化物的析出量也很少。

2.2时效温度对实验钢力学性能的影响

在时效热处理温度升至540℃以前，实验钢的屈服强度和抗拉强度随时效热处理温度的升高呈现明显的上升趋势，至540℃时效后实验钢的抗拉强度和屈服强度出现峰值，时效热处理温度在540℃时为峰时效状态，当时效热处理温度超过 540℃时将导致过时效，之后强度开始随着时效热处理温度的升高而降低，这是因为实验钢在时效热处理过程中，随着时效热处理温度的升高实验钢中有Fe

2Mo型的Laves析出强化相生成并且长大，强度也随之升高，在540℃时效时实验钢中析出相的尺寸，适中且弥散度最好，与板条马氏体的基体有良好的共格关系，且逆转变奥氏体量较少，因此实验钢的抗拉强度和屈服强度达到最高值。随着时效热处理温度继续升高，由于实验钢中逆转变的奥氏体量增加，同时析出相聚集长大，破坏了与基体之间的共格关系，沉淀强化作用减弱，导致实验钢的抗拉强度和屈服强度开始下降，并且屈服强度的下降幅度要大于抗拉强度的下降幅度，

三. 结论

（1）实验钢经固溶深冷+时效处理后基体组织仍是低碳板条马氏体，还有少量的残余奥氏体和转变奥氏体，以及细小、弥散的Fe2Mo 型的 Laves析出强化相，它们分布在马氏体板条上,尺寸大小在10~30nm之间。

（2）实验钢经过1100℃固溶处理1h+（-78℃深冷）+540℃时效2次的热处理工艺，抗拉强度达到1900MPa，冲击韧性达到ak60J/cm2，硬度达到HRC50，强韧性配合良好，可以达到工程应用的基本性能要求。

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