固溶处理对新型马氏体时效不锈钢力学性能的影响.pdf

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1、第 4 2卷第 3期 2 0 0 7 年3 月 钢 铁 I r o n a n d St e e l Vo 1 42。NO 3 M a r c h 2 00 7 固溶处理对新 型马氏体 时效不锈钢力学性能的影响 刘振 宝 ， 杨志 勇 ， 雍歧龙 ， 梁剑雄 ， 卢 伦。 ( 1 。钢铁研究总 院结 构材料 研究所 ， 北 京 1 0 0 0 8 1 ； 2 东北 特殊 钢集团技术 中心 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ) 摘要 ： 研究 了固溶处 理对新型 C r - N i C o Mo马 氏体 时效不锈 钢力 学性 能的影响 。结果表 明 ， 在低于1 0 5 0 固溶 处理时钢

2、中存在一些以 Y相为主的金属间相 ， 它们不仅严重破坏 了钢的韧性 ， 而且使钢在时效处理后的最终强度 降低了 1 0 0 MP a ； 经 1 0 5 0固溶处理后钢 的基体组织为高密度位错 的板 条马 氏体 ， 此 固溶态组织 经适 当时效处理 可以使钢的强度达到1 9 4 0 MP a ， 且得 到与其高韧性匹配 良好 的综合 力学性能 。 关键 词 ：固溶处理 ； x相 ；力学性能 中图分类号 ： TG 1 4 2 7 文献标识码 ：A 文章编号 ：0 4 4 9 7 4 9 X( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 4 7 0 5 Ef f e c t 0 f S o l u t i

3、 o n Tr e a t me n t 0 n M e c ha ni c a l Pr o p e r t i e s 0 f a Ne w M a r a g i ng S t a i n l e s s S t e e l LI U Z h e n b a o ， YANG Z h i y o n g ， YONG Qi l o n g ， LI ANG J i a n x i o n g ， L U l u n 。 ( 1 I n s t i t u t e f o r S t r u c t u r a l Ma t e r i a l s ，Ce n t r a l I r o

4、n a n d St e e l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be ij i n g 1 0 0 0 8 1 ，Ch i n a ； 2 Te c h n i c a l Ce n t e r ，Do n g b e i S p e c i a l S t e e l Gr o u p，Fu s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Li a o n i n g，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e e f f e c t o f s o l u t i o n t r e a t me n t o n m e c h a n

5、i c a l p r o p e r t i e s o f 3 n e w s t a i n l e s s s t e e l ，Cr Ni Co M o ma r a g i n g s t a i nl es s s t e e l wa s s t ud i e dThe r e s u l t s h ows t h a t t he r e a r e i n t er me t a l l i c s i n t he s t e e l s o l ut i o n t r e at e d a t a t e mp er a t u r e l o we r t h a

6、 n 1 0 5 0 wi t h X p h a s e a s t h e ma j o r p h a s e Th e i n t e r me t a l l i c s d e t e r i o r a t e t o u g h n e s s o f t h e s t e e l ， a n d t h e s t r e n g t h o f t h e s t e e l i s r e d u c e d b y 1 0 0 M Pa Th e r e i s l a t h y ma r t e n s i t e o f h i g h d e n s i t

7、y d i s l o c a t i o n i n t h e s t e e l a f t e r 1 05 0 s ol i d s o l u t i o n t r e a t me nt f o r one ho ur By pr op er a gi ng t r e a t me n t，t he s t r e n gt h of t he s t e e l ma y r e a c h up t O 1 9 4 0 M P a ， wi t h 3 g o o d c o m b i n a t i o n o f s t r e n g t h a n d t o

8、u g h n e s s Ke y wo r d s：s o l u t i o n t e mpe r a t ur e；X pha s e；me c h an i c a l pr op e r t i e s 马氏体时效不锈钢 的强韧化机制主要包括马氏 体相变强化、 固溶强化 、 时效强化以及“ 有效晶粒” 细 化强化等， 其固溶处理工艺在很 大程度上决定 了晶 粒的有效尺寸及后期 可能产生 的时效强化效果 ， 从 而明显影响钢 的最终力学性能 ， 因此研究 固溶处理 工艺对固溶态微观组织及力学性 能的影响就显得十 分重要。笔者研究了一种 自行研制开发的强度级别 在1 9 0 0 MP

9、 a的 C r Ni - C o Mo马氏体时效不锈钢 的 固溶处理工艺对钢 的固溶态 、 时效态 的力学性能 的 影响规律 ， 从而为这种新 型马氏体 时效不锈钢 的工 业化生产及应用提供了热处理数据 。 1 试验 材料和方 法 试验用料采用真空感应 炉熔 炼 ( 2 0 0 k g VI M) +真空 自耗炉重熔的双真空熔炼 ， 试验钢的化学成 分( 质量分数 ， ) 为 ： C r 1 3 0 1 6 5 、 Ni 4 0 7 5 、 C o 9 5 1 5 0 、 Mo 5 O 7 5 ， 是一种 自行研制开发 的新型超低碳马氏体时效不锈钢 。 钢锭经 过 1 1 5 0 加热 和均

10、匀化 处理 后锻 成 声 2 O mm、 9 0 mm9 0 mm 和 5 5 mm5 5 mm 的试 料 ， 并加工成试样 ， 然后进行固溶处理。固溶温度为 8 3 0 1 1 0 0 ， 固溶 时间为 6 0 rai n 。固溶处理后空 冷。为了完成马氏体相变 ， 进行负温处理， 处理工艺 为一7 3保温 4 8 0 r a i n ( 采用的介质为干冰 +酒精 的饱和溶液) 。时效态试样则在上述 固溶处理 的基 础上 ， 在 4 9 0 6 0 0范围 内等温时效 2 4 0 rai n ， 空 冷。采用 AP D - 1 0 X射线衍射仪对低温固溶处理后 钢 中的析出相进行 了鉴定 。

11、 2 试 验 结果 2 1 固溶温 度对 固溶 态钢 力 学性 能的 影响 图 1为固溶温度对试验钢固溶态力学性能的影 响， 可以看出 ， 试验钢的强度随着 固溶温度的升高基 本呈连 续下 降 趋 势， 抗拉 强 度 由1 1 4 5 MP a降至 1 0 6 0 MP a ， 而屈服强度 下降 的幅度 比抗 拉强度更 大 ， 由 7 9 0 MP a降至 5 2 0 MP a ； 塑性指标 ( Z、 A) 则 基金项 目：国家高技术研究 发展计 划资助项 目( 2 0 0 2 AA3 0 5 1 0 5 ) 作者简介 ： 刘 振宝 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ，博士生 ； E ma

12、i l ：l i u z h e n b a o l 9 7 7 y a h o o C O R D - c n ； 修订 日期 ：2 0 0 6 0 5 2 2 维普资讯 http:/ 钢铁 第 4 2 卷 随着 固溶温度的升高先小 幅下降然后持续增大 ， 大 约在 9 5 0出现塑性值的最低点， 韧性指标 ( 冲击功 A ) 也随着固溶温度的升高先下降然后持续增大 ， 韧性值的最低点出现在 8 8 0左右。 2 2固溶温度对钢 固溶态组织 的影响及 强韧化机 理分 析 为了较详细地解释固溶温度对钢的固溶态力学 性能的影响规律 ， 用扫描电镜观察 了不同温度 固溶 处理后钢 的组织 ( 图

13、2 ) 。可以看出， 经过 固溶处理 后基体组织主要是板条马氏体 。随着固溶温度的升 高钢的晶粒增大， 固溶温度 由 8 8 0升至1 1 0 0， 晶粒平均尺寸 由 1 2 m增至 6 0 m 以上， 而强度 由 1 1 4 0 MP a降至1 0 6 0 MP a ， 根据 Ha l l P e t c h经验公 式， 晶粒尺寸增大是钢的强度 随着 固溶温度升高 而 下降的一个原因。 同溶温度 ， 图 1 固溶温度对力学性能的影晌 Fi g 1 Ef f e c t o f s o l ut i o n t e m p e r a t u r e on m e c ha ni c a l

14、pr o pe r t i e s 由图 2 ( a ) 可 以发现 ， 经 8 8 0固溶处理后钢 中 存在大量 的析出相 。经1 0 4 0 固溶处理后钢 中也 存在析出相 ( 图 2 ( b ) ) ， 但其数 量 已十分 稀少 。在 1 0 5 0以上的温度固溶处理的试样 中已看不 到析 出相 。说明析出相随着 固溶温度的升高而不断溶解 消失也是钢的强度持续下降的重要原 因。 经分 析， 这种析 出相是 以 相为 主 的金 属 间 相 。图 3为经 8 8 0 固溶处 理后试 验 钢 中析 出相经 X射线衍 射分析 的结果。电解 条件 ： 3 6 Z n C 1 ， 5 盐酸 ， 1

15、柠檬酸甲醇溶液 ， 电流密度为 0 0 5 A c m ， 温度为 5 一1 0。经过分析图 3可知 ， 析出 相是 以 相 为 主 的金 属 间相 ， 相 的晶 面 间 距 和 强 度 见表 1 。 图 4为观察到的沿晶界析出的 相及其衍射斑 点。从 图中可看出 ， Y相 的平均尺寸较大， 且 向晶内 生长 ， 严重破坏 了基 体 的连续性 ， 导致 钢的韧性下 降 ， 这也恰好说明 了 8 8 0 o C固溶后钢的冲击功较低 的原 因 ( 图 1 ) 。 图 5为观察到的另一种形貌的 Y相 ， 暗场像 中的 Y相上有放射状的条纹 ， 这种条纹的成因有待探索 。 通过上述的方法确定 了 8

16、8 0固溶处理后钢 中 的金属间相为 相 ， 有文献报道 了这类高合金钢 中 两种 Y相的典型组成式分别 为 F e 。 Ni 。 C r 。 Ti _ 1 和 Fe 2 7 N i 8 Cr 1 3 Ti 5 M o 。 5 5f 2 ，并说 Y相 的生成不仅会 严重降低钢的韧性而且还会 降低时效后钢的强度 。 根据本试验结果可知钢在 8 8 0固溶处理后生成 相是此钢韧性降低 的主要原 因。 ( a )8 8 0 ；( b )1 04 0 ； ( c )1 0 5 0 ； ( d )1 1 0 0 图 2 试验钢经不 同温度 固溶处 理 6 0 mi n后 的组织( S E M) Fi g

17、 2 M i c r o s t r u c t ur e o f s t e e l a f t e r s o l u t i o n t r e a t me nt a t di f f e r e nt t e mpe r a t ur e s f o r 6 0 mi n， SEM 维普资讯 http:/ 第 3 期 刘振 宝等 ： 固溶 处理对新型马 氏体 时效 不锈 钢力学性能 的影响 4 9 图 3 8 8 0 6 0 mi n固溶处 理后钢 中 x相的 x射 线 衍射分析 Fi g 3 X- r a y ph a s e a na l y s i s o f X pha s

18、e i n s t e el a f t e r 88 0 s o l u t i o n t r e a t me n t f o r 6 0 mi n 表 1 钢 中 x相的晶面指数 Ta bl e 1 I n t e r pl a n e r s pa c i ng s o f X p hase i n t e s t s t eel 注 ： 相为体 心立方结 构， n 0 0 8 9 0 n m。 2 3 固溶温度对钢时效态的力学性能的影响 研 究 了 两种 不 同 的 固溶 处 理 工 艺 ( 8 8 0 固溶 处理+负温处理 ， 以下简称工艺 1 ； 1 0 5 0 固溶处 理+负

19、温处理 ， 以下简称工 艺 2 ) 对经时效处理 的钢 的力 学 性能 的影 响 。从 图 6可 以看 出 钢的强 度 随着 ( d ) 2I 1 0 4 2 h k l x 相 【 1 2 4 】 x ( a ) - 相 的 B F) ( b ) 相的 D F) ( c )选 区电子衍射谱 ； ( d )衍射斑点的标定 图 4 8 8 06 0 mi n固溶处理后 钢中的 x相 ( T E M) F i g 4 X p h ase i n s t eel a f ter 8 8 0 s o l u t i o n t r e a t me n t f o r 6 0 mi n - TE M

20、( b ) 2 2 2 31 2 T I O 0 0 0 0 h k l x 相 【 1 1 2 x ( a ) 相 的 DF及选区电子衍射谱 ； ( b )衍射斑点的标定 图 5 8 8 0 6 0 mi n固溶处理后钢 中的 x相( T E M) F i g 5】 c p h ase i n s t eel a f t e r 8 8 0 s o l u t i o n t r e a t me n t for 6 0 mi n， T EM 维普资讯 http:/ 钢铁 第 4 2 卷 慧 2 8 8 8 8 器 6 0 O 时效温度 C 图 6 时效温度对力学性能的影响 Fi g 6 E

21、f f e c t o f a g i n g t e mp e r a t u r e on me c ha ni c a l pr o p。 e r t i e s o f s t e e l 时效温度的升高先上升然后再逐渐下降。由于固溶 温度不同， 达到强度峰值 的温度也不 同。经工艺 1 处理后钢的强度在 5 5 02 4 0 rai n达到峰值1 8 4 0 MP a ， 而 经工 艺 2处 理 后 钢 的 强 度 在 5 3 0 2 4 0 rai n达到峰值 1 9 4 0 MP a 。韧性指标 冲击功随着时 效温度的升 高先缓慢 下降然 后逐 渐上 升， 且 均 在 5 3 0

22、时效后降到最低 。经工艺 2 +时效处理后钢 的冲击功均高于工艺 1 +时效处理 ， 经工艺 1 +5 5 0 2 4 0 rai n处理后虽强度较 高但 冲击功仅为 2 4 J ， 而经工艺 2 +5 3 0 2 4 0 rai n处理后 的冲击功 达到 5 9 J 。塑性指标( A、 Z ) 与冲击功的变化规律相 近。值得一提的是 ， 工艺 1 +时效处理后钢的断面 收缩率和伸长率均低于工艺 2 +时效处理 。由此可 见 ， 经 1 0 5 0 6 0 rai n+一 7 3 4 8 0 rai n+ 5 3 0 2 4 0 rai n工艺处理后 ， 试验钢具 有高强度和高 韧性 ， 综合

23、力学性能匹配 良好 。 2 4 固溶温 度对 钢 时 效 态 组 织 的 影 响及 强 韧 化 机 理 分析 图 7 ( a ) 、 ( b ) 分 别 为 经 工 艺 2 + 5 3 0 2 4 0 rai n 、 工 艺 1 +5 5 0 2 4 0 rai n处 理后 ， 钢 的微 观组 织 的 TE M 像。从 图 7 ( a ) 可 以看 出， 经工艺 2 +时 效处理后 ， 高密度位错 的板条马 氏体上弥散分 布着 大 量 的纳 米 级 析 出 相 。根 据 大 量 文 献 的介 绍_ 3 ， 在高合金高强度马氏体时效不锈钢 中常见的析出相 有椭 球 状 F e Mo型 的 L a

24、 v e s 相 ( h c p点 阵结构 ) 和针 状的 M C等 ， 这些细小的强化相大大地提高了钢的 强度 。 从图 7 ( b ) 可以看出 ， 虽然同样在基体上生成了 大量细小 的析 出相， 但 由于 以 )f 相为主 的金属间相 的存在， 使钢中细小强化相的体积分数减少 ， 由此可 见 ， 以 Y相为主的金属间相夺走 了大量的强化元素 ( 如 Mo 、 C o ) ， 占据 了钢 中纳米级 强化相 的体积分 数 ， 从而影 响了钢 的时效强化效果 ， 又因为 Y相 的 存在 ， 使钢的韧、 塑性均下降( 图 6 ) ， 因而在所研究 的试验钢的成分范围内， 在低温固溶处理 时存在的

25、 以 Y相为主的金属间相不但会 降低钢 的强度 ， 而且 还会降低钢的韧 、 塑性 。 3 讨 论 在温度低于1 0 5 0 、 6 0 rai n的固溶处理后 ， 钢 中存在以 ) f 相为主的金属间相 ， 尤其是 在 8 8 0 6 0 rai n的固溶处理后 ， 金属 间相 的数 量最多 ， 此 时 钢 的韧、 塑性指标均很低 ， 特别是冲击值。这些金属 间相在晶界上生长 ， 尺寸较大， 且无规律地向晶内延 伸长大， 会显著降低钢的韧性 ， 它们 的存在导致钢 中 ( a )工艺 2 +5 3 0 2 4 0 mi n处理后基体 的 B F； ( b )工艺 1 +5 5 0 2 4 0

26、 mi n处理后基体 的 BF 图 7 经固溶处 理后 在峰时效时钢 的组 织的 T E M 像 Fi g 7 M i c r os t r uc t ur e o f s t e e l a t a g i n g pe a k af t e r s o l u t i o n t r e a t me nt TEM 维普资讯 http:/ 第 3期 刘振 宝等 ： 固溶处理 对新 型马 氏体时效不锈 钢力 学性 能的影响 强化元素的含量下降 ， 使时效时生成 的纳米级强化 相的体积分数下 降 ， 从 而降低 了钢 的最终 强度； 经 1 0 5 0 6 0 mi n固溶后 ， 钢 的基体

27、组织均为 高位 错密度的板条马氏体 ， 没有金属 间相 ， 此 时钢 的韧 、 塑性最好 ， 经过负温处理+时效处理后 钢中析 出大 量弥散的纳米级强化相 ， 析出相大大提 高了钢 的强 度。经上述分析 可知， 1 0 5 0 6 0 mi n +一7 3 4 8 0 rai n+5 3 0 2 4 0 rai n是试 验钢最好 的热 处理 工 艺 。 4 结 论 ( 1 )经 1 0 5 0 6 0 mi n固溶 处理 后 ， 钢 的微 观 组织结构为高密度位错 的板条马氏体 ， 此时合金元 素充分地固溶在钢 中， 为 时效强化提供 了必要的准 备 。 ( 2 )经 8 8 0 6 0 ra

28、i n固溶处理后， 钢 中存在 大量的以 x相为主的金属 间相 ， 它们在晶界上的尺 寸较大 、 形状不规则 ， 严重降低 了钢的韧、 塑性 。 ( 3 )经 1 0 5 0 6 0 mi n + 7 3 4 8 0 rai n+ 5 3 0 2 4 0 rai n处理 后 ， 钢 中生 成大 量弥 散 的纳米 级强化相 ， 此时钢 的强 度达到了1 9 4 0 MP a ， 且保持 良好 的韧 性 ； 而经 8 8 0 6 0 rai n + 一7 3 4 8 0 mi n +5 5 0 2 4 0 rai n处理后 ， 虽然钢的强度较高 ( 1 8 4 0 MP a ) ， 但是韧、 塑性

29、指标很低 ， 很难应用在工 程 上 。 参考文献 ： E 1 3 Hu g h e s H， L l e we l y n D T ： c P h a s e i n t h e F e - C r Ni - Ti s y s t e m E J 3 J I r o n S t e e l I n s t ，1 9 5 9 ， 1 9 2 ( 6 ) ： 1 7 0 E 2 3 B e e t t e J r H J I n t r a g r a n u l a r P r e c i p i t a t i o n o f I n t e r me t a l l i c C o mp o

30、 u n d s in C o mp l e x Au s t e n i t i c Al l o y s E J Tr a n s AI ME， 1 9 6 1， 2 2 1 ( 1 )： 2 8 3 5 3 I r v i n e K J Th e De v e l o p me n t o f Hi g h S t r e n g t h S t e e l J J I r on a n d S t e e l I ns t ， 1 9 6 2， 2 0 0 ( 1 0 )： 8 2 0 8 2 8 E 4 3 Ka s a k A， Ch a n d h o k C K，D u l

31、l s E J D e v e l o p me n t o f P r e e i p i t a t i o n Ha r d e n i n g C r Mo C o S t a i n l e s s S t e e l s J Tr a n s AS M， 1 9 6 3， 5 6： 45 5 - 4 6 7 5 赵振业 ， 李春志 ， 李 志 ， 等 一种超 高强度 不锈齿轮 钢强化相 研究 J 航空材料 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 ) ： 1 - 6 (Z HAO Z h e n - y e ， LI Ch un z h i ，LI Zh i， e t a 1

32、S t u d y o n t h e S t r e n g t h e n i n g Ph a s e i n a Ul t r a Hi g h S t r e n g t h S t a i n l e s s Ge a r S t e e l E J J o u r n a l o f Ae r o n a u t ie a l Ma t e r i a l s ， 2 0 0 3， 2 3 ( 1 )：l - 6 ) 6 Ho n e y e o mb e R W KMe t a l l u r g i c a l D e v e l o p me n t s i n Hi g

33、h AI l o y S t e e l s J Th e I r o n a n d S t e e l I n s t ， 1 9 6 4， s p e e i a l R e p o r t 8 b 7 3 Ve r s n y d e r F L ，B e a t t l e J r H J T h e L a v e s a n d C h i p h a s e s i n a Mo d i f i e d 1 2 Cr S t a i n l e s s Al l o y J Tr a n s o f t h e A S M， 1 9 5 5 ， 4 7： 2 1 l _ 2 3 0 维普资讯 http:/