174PH不锈钢性能和组织研究.pdf

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1、Y 1 2 1 9 34 # 类B ：一 uD C ：，。一 工学硕士学位论文 & ：一 e ：一 1 7 4 P H 不锈钢性能和组织研究 硕士研究生 指导教师 学科、专业 学位论文主审人 杨晓 杨世伟教授 材料加工工程 郭二军教授 王丽萍教授 哈尔滨工程大学 2 0 0 7 年5 月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 高强度耐海水腐蚀不锈钢的开发与应用是材料领域的重要研究课题 之一。为了满足某零件的工况条件( 不定期的海水浸泡) 和力学性能要求 ( 以8 5 0 M P a ) ，初选了几种合金并进行试验与性能分析，确定了1 7 - 4 P H 马氏体沉淀硬化不锈钢为零件材料。对该钢进行热

2、处理工艺制度的优化试 验，制定了四种不同热处理工艺制度：在1 0 4 0 “ 0 固溶处理1 h 后分别在 5 0 0 、5 2 0 和5 5 0 时效处理4 h ；在1 0 4 0 固溶处理1 h 后进行8 1 6 x 0 5 h 的中间调整处理再进行5 2 0 x 4 h 的时效处理。对各种热处理工艺后材料的 微观组织结梅进行O M 、S E M 和E D S 观察与分析，同时开展拉伸试验、夏 比v 型缺口冲击试验、扭转试验和三点弯曲试验等力学性能试验以及极化、 循环极化等电化学性能试验，分析热处理工艺制度对材料的组织和性能的 影响。 试验结果表明，四种热处理状态的1 7 - 4 P H

3、不锈钢的强度指标以均大 于1 0 0 0 M P a 。在相同固溶处理条件下，随着时效温度的升高，材料的强度 下降，塑性上升。时效前进行调整处理的试样强度最低，塑性最好；其冲 击韧度数值约是其他工艺试样的两倍，断裂扭转角比其他工艺试样大4 0 ： 其耐海水全面腐蚀的性能相对优于其他工艺，但其点蚀发生后扩展的倾向 较大。 1 7 - 4 P H 不锈钢基体的马氏体组织及其高密度的位错以及沉淀相的强化 作用，使其具有较高强度；残余奥氏体的存在有利于1 7 - 4 P H 不锈钢保持良 好的塑性和韧性。1 7 - 4 P H 不锈钢微观区域成分的不均匀导致材料发生电化 学腐蚀，晶界处由于碳化物的析出

4、使腐蚀现象明显；强碳结合元素N b 的加 入减少了材料中的贫c r 区域，有利于提高材料的耐腐蚀性能；马氏体组织 的细小均匀化使其耐蚀性能较好。 关键词：1 7 - 4 P H 不锈钢；热处理工艺制度；力学性能；电化学腐蚀性能 哈尔滨丁稃大学硕+ 学位论文 A b s t r a c t n c d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh i g hs t r e n g t h 湖w a t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n t s t a i n l e s ss t e e li sam a

5、 j o rp r o j e c to fm a t e r i a l s I no r d e rt om e e tt h ew o r k i n g c o n d i t i o n ( n o n - p e r i o d i c a Ii m m e m i o ni n w a t c r ) a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y ( y i e l d s t r e n g t ha b o v es s O M P a ) o fs p a r ep a r t s , s e v e r a la l l o y sw e

6、 r eu s e dt oe x p e r i m e n t a n da n a l y z eb a s e do nw h i c h l 7 - 4 P Hs t a i n l a s ss t e e lw a ss e l e c t e da st h em a t e r i a l o fs p a r ep a r t s O p t i m i z a t i o no fh e a tt r e a t m e n t sW a sc a r r i e dO nt h es t a i n l e s ss t e e l a n df o u rt r e

7、a t m e n t sw e r ef i n a l l yd e t e r m i n e d 皿em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eb e f o r e a n da f t e rt e s t sW a so b s e r v e db yO Ma n dS E Mw i t hE D S T h em e c h a n i c a l p r o p e r t yW a si n v e s t i g a t e db yt e n s i l et e s t , C h a r p yn o t c hi m p

8、 a c tt e s t , t o r s i o nt e s t a n db e n dt e s t ；t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eW a s s t u d i e dt o w a r d sp o t e n t i a ld y n a m i c p o l a r i z a t i o na n dc y c l i cp o l a r i z a t i o nc a t l V a s T h ei n f l u e n c eo fm i c r o s t m c t u r ea f t e r h

9、e a tt r e a t m e n t so nm e c h a n i c a la n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sw a s a n a l y z e d T h er e s u l ts h o w e dt h a t1 7 - 4 P Hs t a i n l e s ss t e e lw i t hd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t s p o s s e s s e sy i e l ds t r e n g t ha b o v e

10、1 0 0 0 M P a T h es t r e n g t ho fs t a i n l e s ss t e e l a f t e r s a m es o l u t i o nt r e a t m e n td e c l i n e sa n dt h ep l a s t i cp r o p e r t yi n c r e a s e sw h e n t e m p e r a t u r eo fa g i n gr i s e s 1 7 - 4 P Hs t a i n l e s s s t e e lw i t hi n t e r m e d i a t

11、 e - a g i n g t r e a t m e n th a dl o w e s ts t r e n g t hb u tb e s tp l a s t i cp r o p e r t yw i t ht w i c et o u g h n e s s v a l u ea n d1 4 0t i m e sf r a c t u r et o r s i o na n g l e T h ef u l ls e a w a t e rc o r r o s i o n r e s i s t a n c ep r o p e r t yo fs p e c i m e n

12、 sW a sb e t t e rt h a nt h o s ew i t hd i r e c t l ya g i n g , h o w e v e r , p i t t i n gc o r r o s i o nd e v e l o p e dq u i c k l ya f t e ri to c c u r r e d M a r t e n s i t e ，h i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o na n ds t r e n g t h e n i n ge f f e c to fp r e c i p i t a t e

13、s m a k eh i g hs t r c n g t ho ft h e1 7 - 4 P Hs t a i n l e s ss t e e l P r e s e n c eo fr e s i d u a la n s t e n i t e i sc o n d u c i v et om a i n t a i ne x c e l l e n t p l a s t i cp r o p e r t ya n dt h et o u g h n e s s I n h o m o g e n e i t y o fm i c r o s t r u c t u r el e

14、a d st oe l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n T h e a d d i t i o no fN bd e c r e a s e st h eC rd e p l e t ed i s t r i c t , e n h a n c i n gt h ec o r r o s i o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r e s i s t a n c ep r o p e r t y R e f i n eM a r t e n s i t em a d eb e t t e rc o r r o s i o nr e s i

15、s t a n c e K e yw o r d s ：1 7 4 P Hs t a i n l e s ss t e e l ；h e a tt r e a t m e n t , m e c h a n i c a lp r o p e r t y ； e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献 的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文

16、中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： ! 丕! 堕 砷年歹月幺日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科技发展和社会进步，海洋开发成为2 1 世纪的重点研究领域之一。 同时由于国家海防、海军装备的需要，耐海水腐蚀金属材料，特别是高强 度耐海水腐蚀不锈钢的开发和应用成为材料领域的重要研究课题之一 某零件工况条件要求其具有良好的耐海水腐蚀性能，而且强度要达到 8 5 0 M P a 以上。经过初步的对比筛选试验，确定

17、了强度级别较高且具有良好 耐腐蚀性能的1 7 4 P H 不锈钢( 马氏体沉淀硬化不锈钢O C r l 7 N i 4 C u 4 N b ) 作 为该零件用材。 本毕业设计的内容就是对经过几种不同的热处理工艺制度处理后 1 7 - 4 P H 不锈钢进行力学性能试验和人工海水中的电化学性能试验，观察材 料的微观组织形态，分析热处理工艺制度对材料的组织进而对性能的影响， 从而确定最佳的热处理工艺制度。 1 1 不锈钢 1 1 1 不锈钢概述 不锈钢是指具有抵抗大气、水、盐水、酸、碱等腐蚀介质作用的具有 高的化学稳定性的合金钢。有时把仅能抵抗大气、水等介质腐蚀的合金钢 叫做不锈钢，而把在酸、碱等

18、介质中具有抗腐蚀能力的合金钢称为不锈耐 酸钢。而习惯上把他们都统称为不锈钢1 1 _ ”。 暴露在大气中的普通碳钢，由于潮湿或者浮尘等的综合作用会发生锈 蚀，而这种锈蚀会导致材料的失效，每年由此引起的损失是惊人的。全世 界每年生产的钢铁约有1 0 因腐蚀而变为铁锈，大约3 0 的钢铁设备因此 而损坏。全球每年因腐蚀造成的经济损失约为7 0 0 0 亿美元，我国每年因腐 蚀造成的经济损失高达数千亿元人民币，约占每年国民经济生产总值的5 M 。 研究表明，若在普通碳钢中加入1 3 左右的c r ，则其耐蚀性就会明显 哈尔俣丁稃大学硕士学位论文 提高。一般不锈钢的含c r 量为1 2 1 3 ，不锈

19、耐酸钢的含C r 量在1 7 以上【1 J 。不锈钢具有不锈和耐腐蚀特性等许多优良性能，广泛的应用于各工 业部门以及日常生活中。 不锈钢表面的钝化膜由于钢中存在缺陷，杂质和溶质等的不均一性， 使钝化膜在这些地方较为脆弱。因而在含有特定腐蚀性的阴离子溶液中， 由于钝化膜的修复能力较差，破坏的部分便成为活化的阳极，周围区成为 阴极。大部分局部腐蚀发生在钝性金属或有表面覆盖层的金属表面。这是 因为钝性金属或有表面覆盖层的金属表面可以形成致密的保护性膜，膜上 进行的均匀腐蚀很小，甚至可以忽略不计。但由于各种因素作用，容易使 金属和腐蚀介质之间满足发生局部腐蚀的条件。金属表面局部区域上的腐 蚀速度远远大

20、于其余表面上的腐蚀速度，导致该区域的腐蚀以极高的速度 向纵深方向发展，最终造成金属构件局部严重减薄或形成腐蚀坑。 不锈钢的不锈性和耐腐蚀性是相对的。大量试验表明，钢在大气、水 等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随着钢中c r 含量的提高而增 加。当C r 含量达到某数值时，钢的耐腐蚀性发生突变：从易生锈到不生 锈，从不耐蚀到耐腐蚀。研究表明，引起耐蚀性发生突变的c r 含量，则因 腐蚀环境和钢中其他元素的不同而有所不同。不锈钢的不锈耐蚀性主要是 由于钢的表面上有富c f 的氧化膜( 钝化膜) 形成嘲。 1 1 2 不锈钢的发展 不锈钢自上个世纪初问世以来，到现在已有百年左右的历史。不锈钢

21、 的发明是世界冶金史上的一项重大成就；不锈钢的生产为近代工业的发展 和科学进步奠定了重要的物质技术基础。不锈钢具有高强度、可焊接性、 抗腐蚀性、易加工性和表面具有光泽性等许多优异的特性，使其在宇航、 化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及建筑装饰方面得 到广泛应用。 2 0 世纪初，法国的LB G u i l l e t 和A M P o r t e v i n 以及英国的W G i e s e n 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 分别发现了F e C r 和F e C r - N i 合金的耐腐蚀性能。1 9 0 8 年1 9 1 1 年间， P M o n n a 也在德国提出

22、了不锈性和钝化理论的许多观点。H B r e a r l y 于1 9 1 2 年1 9 1 3 年在英国开发了含C r l 2 1 3 的马氏体不锈钢；1 9 1 1 年1 9 1 4 年C D a n t s i z e n 在美国并发了含c r l 4 “ 1 6 、C0 0 7 O 1 5 的铁素体 不锈钢；E M a u r e r 和B S t r a u s s1 9 1 2 年1 9 1 4 年在德国开发了含C E ，E p ，不会形成新的点蚀孔， 但原有的点蚀孔将继续扩展长大。 3 、Es E 。，原有的点蚀孔全部钝化， 不会形成新的点蚀孔。 所以值越正耐点蚀性能越好。与 E

23、 0 值越接近，说明钝化膜修复能力越强。 点蚀包括点蚀核的形成到金属表面出 现宏观可见的蚀孔。蚀孔出现的特定点称为 点蚀源。形成点蚀源所需要的时间为诱导时问， r e r 功 ：i t 图4 1 钝化金属典型的 “环形”阳极极化曲线 示意图 称为孕育期。孕育期的长 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 短取决于介质中a 的浓度、p H 值及金属的纯度，一般时间较长。一般认 为孕育期的倒数与a 浓度呈线形关系。a 浓度在一定临界值以下不发生点 蚀。点蚀生长机制公认是蚀孔内的自催化机制，既闭塞电池作用。 4 2 极化曲线测定及分析 4 2 1 极化曲线概述 对于电化学本质的腐蚀过程，根据法拉第定律，可用电

24、流密度来表示 腐蚀速度，而极化电位则是控制腐蚀反应的原动力。极化曲线就是表征腐 蚀速度与原动力之间关系的电流密度一电位曲线。动电位极化曲线是控制 电极电位以较慢地速度连续的改变，并测量对应电位下的瞬时电流，并以 瞬时电流与对应的电极电位作图，获得整个的极化曲线。 测定极化曲线时采用三电极体系。它是由极化电源( 最常用的是恒电位 仪1 、电流与电位检测、电解池与电极系统组成。该三电极系统构成两个回 路：一是极化回路( 电流测量回路) ；二是电位测量回路。测量动电位极化曲 线的电位扫描系统，其特征是加到恒电位仪上的腐蚀电位随时问呈线性变 化，从而使研究电极的电流也随时间发生线性变化。测量完整的极化

25、曲线， 其极化电流变化范围很大，有时可达4 5 个数量级，此时可是用对数转换 器，直接记录E l g i 曲线。 极化曲线的主要测试内容有腐蚀电位、腐蚀电流和点蚀电位。 腐蚀电位是腐蚀金属电极在介质中的混合电位。测定不锈钢在海水中 的腐蚀电位能够确定它们在海水中的相对耐蚀性。腐蚀电位正，其耐蚀性 好；腐蚀电位负，其耐蚀性差。 腐蚀电流是相应于腐蚀电位的电流，它表征处于腐蚀电位下的金属腐 蚀的过程。对于没有钝性的金属的溶解，腐蚀电流的测定可以通过T a f e l 直 线外推法得到p ”。 某些具有钝化一活化转变的金属( 如不锈钢) 在含有侵蚀性阴离子( 如 氯离子) 的介质中，阳极电位朝正方向

26、扫描到钝化区的某一电位时，由于发 哈尔滨_ T 程大学硕士学位论文 生点蚀，会出现电流密度突然迅速增大的现象，则该点电位称为点蚀( 击穿) 电位玩 5 6 1 。一般认为，当电位比毛正时，点蚀既可成核，又可生长( 发展) ， E 愈正，金属对点蚀的敏感性越小。因此，通过点蚀电位的测量，可以比 较金属在腐蚀介质中的点蚀敏感性。 4 2 2 极化曲线测定 根据国家G B 厂r1 7 8 9 9 1 9 9 9 不锈钢点蚀电位测量方法标准进行 O C r l 7 N i 4 u 4 N b 钢的动电位极化曲线测试试验，试验主要仪器为型号M o d e l 2 7 3 恒电位仪。试验介质为人工海水，其

27、成分见表4 1 ，试验温度为3 0 - L - _ I C 。 表4 1 人工海水的化学成分 成分 浓度( g L ) 成分 浓度( g ，L ) N a a 2 4 5 3 N a H C 0 3 O 2 0 1 M g C l 2 5 2 0珏f O 1 0 1 N a 2 S O , 4 0 9 H r i C 0 3 o 0 2 7 C a C i 2 1 1 6 S r C l 2 0 0 2 5 K C lO 6 9 5N a F0 咖 试验采用标准三电极体系：辅助电极采用铂电极，参比电极采用饱和 甘汞电极，研究电极为第2 章所述的经不同热处理工艺制度处理的1 7 - 4 P H

28、不锈钢试样。电极试验面暴露尺寸为1 0 m m X1 0 m m ，非实验面用环氧树脂 封装并引出铜导线。试验前试样经水砂纸逐级打磨至W 2 8 ，丙酮除油并用 去离子水冲洗。将试样全浸于溶液中，约1 0 m i n 后从负于腐蚀电位2 0 0 m V 开始，以2 0 m V m i n 的电位扫描速度进行极化，直到阳极电流到达 1 0 0 0 z A c r a 2 为止。 每组试验3 个平行试样，以阳极极化曲线上对应电流密度1 0 0 9 A c m 2 的电位中最正的电位值( 反。) 来表示点蚀电位( 毛) 测循环极化曲线时， 电位扫描速度为l m v s ，阳极电流到达1 0 0 0

29、H A c m 2 改变电位扫描方向进行 哈尔滨工程大学硕十学位论文 逆向极化，并以逆向极化曲线与正向极化曲线相交点所对应的电位作为保 护电位E 。 对四种不同热处理工艺制度1 7 - 4 P H 不锈钢进行了极化曲线测试。用 o d # n 软件绘制曲线，如图4 2 所示。图中的A 、B 、C 和D 分别对应第2 章所述的热处理工艺制度。表4 ，2 是试验测得的腐蚀电位和腐蚀电流数据。 由图4 2 可以看出，四条极化曲线在与Y 轴平行的方向上没有平坦的 区域，即说明四种试样均无明显钝化过程。图4 2 中的曲线以腐蚀电位点为 界，上半部分为阳极极化曲线。从阳极极化曲线可以看出，电流密度随电 位

30、增加的速度由慢交快，说明腐蚀初始阶段试样表面的氧化膜对腐蚀过程 有一定的阻碍作用。 图4 21 7 - 4 P H 不锈钢不同热处理工艺试样极化曲线 由表4 2 中的数据可以看出，四种热处理工艺试样的点蚀电位从高到低 的顺序分别为彰，E f ，群，霹，最小的与最大的露相差1 0 0 m V ， 即经过调整处理再时效的C 试样点蚀敏感性最低，A 试样点蚀敏感性最高。 腐蚀电位点。由高到低的顺序为C D B A ，根据海水中不锈钢的腐蚀电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位和相对耐蚀性的经验关系吲，四种不同热处理工艺制度的1 7 - 4 P H 不锈钢 耐海水全面腐蚀的优劣顺序依次是C D B A 。

31、 表4 21 7 4 P H 不锈钢极化曲线测定试验数据 热处理工艺编号点蚀电位毛( V ) 腐蚀电位f l 。( V ) Ao 1 6 5以3 0 6 Bo 0 ：2 20 2 8 2 C- 0 0 1 2n 1 5 9 Do 1 0 r 7o 2 7 3 4 3 循环极化曲线测定及分析 4 3 1 循环极化曲线概述 循环极化曲线是研究点蚀发展的有力工具嗍。金属电极发生点蚀后， 将电位做逆向扫描，若在钝化区测得由于蚀孔重新钝化而使电流下降的另 一个特征电位E 。，则称E 。为保护电位。一般认为，当电位正于毛时，点 蚀既可形核，又可成长；电位处于瓦和E 。之间时，不会产生新的点蚀核心， 但已有

32、的蚀孔会迸一步成长；电位负于E 。时，点蚀既不会形核也不会成长。 和点蚀电位表征金属点蚀发生的倾向性不同，保护电位则表征了在点蚀发 生后，点蚀的发展倾向。保护电位E 。越接近于点蚀电位毛，钝化膜修复能 力越强，因此常用毛E 。值来评价钝性金属阳极溶解过程自催化效应的大 小矧。 回扫电流密度对极化外观、再钝化和保护电位值有显著的影响，因为 再钝化电位值是由发生在钝化表面的先期破坏量来决定的1 6 0 l 。在阳极方向 上产生的极化扫描越远( 电流密度越大) ，表面区域的扰动程度就倾向于 越大。如果超过点蚀电位，或者一些其他的电化学变化突然发生，尤其是 在它不反映腐蚀电位的行为时，回扫点对再钝化电

33、位的影响尤其重要。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 按照一个经验法则是当电流密度达到O 1 m A c m 2 时开始动电位极化回 扫。扫描速度要足够慢，以便使电容保持着满充状态，即电流达到稳定值， 从而在每一个电位上电流，电压关系反映的只是单一的界面腐蚀过程。一般 公认的较适合的扫描速度是0 5 m V s 。点蚀电位和再钝化电位都和扫描速 度有关，扫描速度降低使点蚀电位变的稍负，再钝化电位变的稍正。 4 3 2 循环极化曲线测定 试样以及试验仪器与极化曲线测定试验完全相同。试验介质为人工海 水，试验参数：回扫电流密度1 0 m A c m 2 ，扫描速度是l m V s 。 图4 3 为四种热

34、处理工艺制度的1 7 - 4 P H 不锈钢的循环极化曲线。 一，OB番 1 42弗 l o g 叭c n 嘲 I o g A ，c m 2 “ 图4 31 7 - 4 P H 不锈钢不同熟处理工艺试样循环极化曲线 由图4 3 可以看出，A 和C 工艺试样的回扫曲线均在k 一氏之间与正 扫曲线相交，都出现了保护电位也，故当电位低于E p 时蚀孔能够重新钝化； 5 7 一 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 B 和D 工艺试样回扫极化曲线与正扫曲线相交于阴极极化曲线上，没有出 现保护电位E p 表4 31 7 - 4 P H 不锈钢循环极化曲线测定试验数据 热处理工 阳极向阴极转 保护电位E ，m

35、点蚀电位毛( 、，)E b P 艺编号变电位墨( V ) An 3 1 8- 0 2 1 1 - o 1 8 30 0 2 8 B- o 2 9 30 O “ C_ D 2 2 5- 0 1 3 8- 0 0 1 30 1 2 5 D_ 0 1 6 4- 0 1 1 6 当电位回落后，预先形成的蚀孔可以被活化和发展，耐局部海水腐蚀 能力差。对于能重新钝化的2 种工艺的试样，由表4 3 中( 毛E ，) 数值可 知，C 工艺试样的( 毛E 。) 值最大，A 工艺试样的数值较小。这表明C 工艺试样点蚀发生后便迅速发展，使钝化膜很难修复；而A 工艺试样发生 点蚀后蚀孔迅速发展的倾向性较小。 4 4

36、本章小结 本章测试了四种不同热处理工艺制度的1 7 - 4 P H 不锈钢在人工海水中 的电化学性能，测量了材料的点蚀电位、腐蚀电位和保护电位等电化学性 能指标，绘制了极化曲线和循环极化曲线。 试验结果表明，四种不同热处理工艺制度的1 7 - 4 P H 不锈钢的点蚀电位 毛由高到低依次为，霹，留，霹，腐蚀电位o 由高到低的顺序为 C D B A 。根据海水中不锈钢的腐蚀电位和相对耐蚀性的经验关系可知 C 工艺试样的耐海水全面腐蚀的性能相对好于其他工艺。c 工艺试样一旦发 生点蚀，由于其( E b E 。) 值较大，所以点蚀扩展的倾向较大；A 工艺试 样的( 毛E ) 值相对较低，试样点蚀后蚀

37、孔长大的可能性小o 5 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章1 7 4 P H 不锈钢组织形态分析 材料的组织决定材料最终的使用性能，材料的组织又是由材料的热处 理工艺制度决定的。作为钢材和零件的最后加工工序，热处理是获得材料 要求的微观组织和相成分的重要途径之一。因此，对于一定成分的合金来 说，可以通过热处理制度来改变合金的组织和相成分从而对合金的力学性 能和耐腐蚀性能产生影响。 前面几章介绍了1 7 - 4 P H 不锈钢的热处理工艺以及力学性能试验，从宏 观上粗略地阐述了热处理工艺与材料的力学性能以及耐腐蚀性能的对应关 系：对A 、B 和D 工艺而言，随着时效温度的升高，强度指标呈下

38、降趋势， 塑性、韧性指标随之上升；对于C 工艺来说，由于其热处理工序中增加了 中间的调整处理，使其某些力学性能指标与其他工艺相比有明显的不同； 四种不同热处理工艺的1 7 - 4 P H 不锈钢的腐蚀点位从高到低依次为 c D B A ；点蚀电位从高到低依次为，群，砰，彰。这些都是宏 观的表象，还需要微观的组织结构将热处理工艺和性能指标联系起来，更 好地解释二者之间的关系。 本章结合前面已有的热处理工艺制度和力学性能试验数据以及耐腐蚀 性能曲线，从微观的组织结构角度来分析不同的热处理工艺对材料性能的 影响。 5 11 7 4 P H 不锈钢热处理后金相组织 金相试样的制备过程在此不再赘述。金相

39、试样组织观察所采用的腐蚀 剂成分比例为l g F e C l 3 ：3 m l H C I ：1 2 m l H 2 0 。试验仪器为0 L Y M P u S P M 3 型 显微镜。 5 1 11 7 4 P H 不锈钢固溶处理组织 合金中两个或者两个以上的组元在液态和固态下都互相溶解，共同形 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 成均匀的固相，称为固溶体。固溶处理则是将合金加热至高温单相区恒温 保持，使合金元素充分溶解，之后快速冷却，从而得到过饱和固溶体的热 处理工艺。 从前面的介绍可以知道，沉淀硬化不锈钢固溶处理的目的是使材料组 织转变为奥氏体的同时，使沉淀硬化所需的合金元素充分固溶，之后快冷

40、使组织转变为马氏体，为材料最后的回火工序做准备。1 7 - 4 P H 不锈钢在 1 0 4 0 固溶处理1 h 后的金相组织如图5 1 所示。 图5 11 7 - 4 P H 不锈钢1 0 4 0 x l h 固溶处理金相组织 从图5 1 中可以看出，基体组织为淬火马氏体，此外还有少量的残余奥 氏体和d 铁素体。马氏体是c 在口F e 中的过饱和固溶体，其三维组织形 态通常有片状( p l a t e ) 或者板条状O a t l I ) ，但是在金相观察中( - - 维) 通常表现 为针状( n e e d l e s h a p e d ) ，马氏体的晶体结构为体心正方结构( B C T

41、 ) 。淬火 马氏体内部含有高密度的位错亚结构1 6 1 J ，高密度的位错和淬火空位有利于 C u 的扩散，促进了时效处理过程中沉淀相C u 等的析出嘲。残余奥氏体 一般指在2 3 0 “ C 以下还没有充分转变的过冷奥氏体。它的存在降低了 1 7 - 4 P H 不锈钢的强度，却对提高钢的韧性是有益的瞄l 。铁素体是C 溶于 口F e 中所形成的间隙固溶体，具有体心立方晶体结构。6 铁素体的形成有 6 0 哈尔滨T 程大学硕十学位论文 两个可能的途径：高温加热后形成，冷却过程中保持到常温；奥氏体在材。 点以下发生相变产生。6 铁素体可以改善钢的焊接性能，提高钢的塑性： 但它使钢的横向加工性

42、能降低，使钢的热加工性能变差，故热处理时必须 严格控制工艺以使6 铁素体的含量尽可能少。 从图5 1 中可以看出，马氏体基体上还弥散分布着极少量的沉淀相，这 可能是固溶处理时未能完全融入奥氏体的碳化物。由于组织比较细小，晶 界沉淀相少，成分较均匀，晶界处不易被腐蚀，因此在金相组织的显微观 察中不易观察到。 5 1 21 7 - 4 P H 不锈钢时效处理组织 将固溶处理后的金属工件置于室温或较高温度下保持适当时间，以提 高金属强度等性能的金属热处理工艺称为时效处理。较高温度下的时效实 际上是一个回火过程。绝大多数进行时效强化的合金，原始组织都是由一 种固溶体和某些金属化合物所组成。固溶体的溶解

43、度随温度的上升而增大。 在时效处理前进行淬火，就是为了在加热时使尽量多的溶质溶入固溶体， 随后在快速冷却中溶解度虽然下降，但过剩的溶质来不及从固溶体中分析 出来，而形成过饱和固溶体。 1 7 - 4 P H 不锈钢经过1 0 4 0 固溶处理1 h 后，分别在5 0 0 、5 2 0 和 5 5 0 “ C 时效处理铀( 对应于第2 章的A 、B 和D 热处理工艺) ，其金相组织 如图5 2 、图5 3 和图5 4 所示。 因为时效处理是在5 2 0 左右的温度下进行，因此实际上是一个回火处 理的过程。时效处理后的材料含有多种组织：多量回火马氏体( 含有淬火 马氏体) ；少量奥氏体，其中一部分

44、是淬火过程中没有充分转变的过冷奥氏 体，一部分是在一定条件下少量淬火马氏体发生逆转变形成的；时效过程 中析出的主要沉淀相8 C u ，与基体保持严格的K - S 取向关系，它的析 出有利于提高钢强度和硬度，同时还不会损害材料的其他力学性能；少量 的N b C ，粒状N b C 相的析出不仅起到沉淀硬化效果还因抑制了c T 的析出 6 1 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 增加了钢的耐蚀性；6 铁素体，该相的存在对材料的热加工性能不利：还 有存在于奥氏体、马氏体以及6 一铁素体界面上的富Q 的沉淀相M 2 3 C 6 。时 效过程中析出的沉淀相弥散分布在晶粒内部和晶界上。 图5 21 7 4 P

45、 H 不锈钢1 0 4 0 “ C I h 固溶处理 + 5 0 0 x 4 h 时效处理金相组织 图5 - 31 7 4 P H 不锈钢1 0 4 0 x l h 固溶处理 + 5 2 0 x 4 h 时效处理金相组织 啥尔演_ T 程大学硕七学位论文 图5 41 7 - 4 P H 不锈钢1 0 4 0 x l h 固溶处理 + 5 5 0 “ C x 4 h 时效处理金相组织 随着时效温度的升高，析出相尺寸增大、数量增多，越来越密集地分 布在马氏体基体上。时效过程中有部分淬火马氏体转变为回火马氏体，如 图5 2 、图5 3 和图5 4 中的白色区域所示，黑色区域为回火马氏体嘲。根 据1

46、7 - 4 P H 钢的时效动力学规律1 6 _ “6 j ，随着时效温度的升高，淬火马氏体向 回火马氏体的转变速度加快，因此图5 2 、图5 3 和图5 4 中的白色区域依 次减少，而黑色区域则依次增加。回火马氏体也由允散的条带状逐渐连结 成大块的片状。 图5 5 是金相试样的二次电子相貌图片。试样观察所采用的仪器为英国 C a m s e a n 公司的分辨率为1 5 r i m 的M X 2 6 0 0 F E 扫描电子显微镜。如图所示， 白色的亮点即为沉淀析出相，沿着晶界呈链状密集分布，在晶粒内部则分 布得比较少。这些沉淀析出相强化了晶界，另外晶粒内部的颗粒在材料塑 性变形过程中会阻碍

47、位错的运动，这些都在一定程度上改善了材料的力学 性能。沉淀时效强化是1 7 - 4 P H 不锈钢的主要强化机制。晶粒内部的局部区 域形貌不尽相同，对应于不同形成机制的马氏体。 哈尔滨T 稃大学硕十学位论文 图5 51 7 - 4 P H 不锈钢沉淀相沿晶界分布的S E I 图 对1 7 - 4 P H 不锈钢的沉淀析出相进行了能谱分析，如图5 6 所示。采用 的仪器为英国牛津公司制造的带有背散射取向分析系统E B S D 的O X F O R D 能谱仪。 质量分数( ) 元素 点1点2 C& 8 3 啊 2 C r1 1 1 41 5 5 9 F e 4 0 1 47 6 4 9 N i

48、2 1 74 3 0 C u1 粥3 6 3 N b 3 3 6 7 图5 61 7 - 4 P H 不锈钢沉淀析出相和基体的能谱分析 鉴于能谱分析的数据精确度，选取了一个远大于周围弥散分布的小颗 粒沉淀相直径大约有坛m 沉淀析出相颗粒聚合体作为分析对象，如图5 6 哈尔滨工程大学硕七学位论文 中的能谱选点1 所示。测得的数据显示该颗粒的成分主要是N b 和c r 的碳 化物，还有少量的C u 。因为C 与N b 的亲和力要大于c f ，所以成分中N b 的含量较高。图中看不到纳米级颗粒F C u 相，只是在成分测试中有所体现。 能谱选点2 测的是基体的成分数据，符合材料的成分式O C r l

49、 7 N i 4 C “n i b 。 图5 7 是D 试样冲击断口的一个微观区域，可以看到在晶界上和晶粒 内部弥散分布的圆球状的沉淀相颗粒( 即图中的白色粒子) 。用F E I 公司的 Q u a n t a2 0 0 型的扫描电子显微镜( 带有美国E D A X 公司的能谱仪) 对图中 标记的颗粒进行了能谱分析，结果显示颗粒的主要成分为N b 、C r 和c ，即 说明颗粒为N b 和C f 的碳化物。 图5 7D 试样冲击断口微区弥散分布的沉淀相 5 1 31 7 - 4 P H 不锈钢固溶+ 调整处理+ 时效处理的组织 中间调整处理的目的是通过调节奥氏体固溶体的化学成分来控制马氏 体转变温度M s 点。因为经过