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    低溫固溶處理改善馬氏體時效鋼韌性技術研究
    更新時間:2018-06-14
      眾所周知,馬氏體時效不銹鋼熱處理工藝為固溶處理后在500℃附近進行時效處理,其中固溶處理溫度對最終的強韌性具有重要的影響,研究表明相對低的固溶處理溫度有益于改善性能,尤其是改善應力腐蝕抗力[1]。然而,低的固溶處理溫度殘留較多的χ相和σ相惡化韌性[2-4],Novikov等嘗試降低Cr-Ni-Co-Mo馬氏體時效不銹鋼的Co和Mo含量,致使降低固溶處理溫度不再殘留χ相和σ相,顯著改善韌性,尤其是顯著提高超低溫沖擊韌性[3],作者嘗試降低Cr含量相對較低的Cr-Mo-Ti馬氏體時效鋼固溶處理溫度,對比研究了低溫固溶處理材料力學性能的優勢。
      1 試驗材料與方法
      試驗用鋼Cr-Mo-Ti馬氏體時效耐蝕鋼,用25Kg真空感應爐熔煉,主要合金元素含量:Cr: 8.92%wt、Ni:12.64%wt、Mo:1.46%wt和Ti:1.37%wt,冶煉坯經過1150~850℃鍛造成40×40mm的方坯,用Formastor-D全自動相變測量儀測試的相變溫度為:AC1=625℃,AC3=740℃,Ms=60℃。在方坯上切取拉伸、V型缺口沖擊坯樣。將坯樣分成兩組,第一組采用800℃低溫固溶處理,第二組按常規1000℃較高溫度固溶處理,兩組固溶處理的試樣均經過-73℃×2h冷處理,隨后兩組固溶處理的試樣均分別經過450、480、510和540℃,4小時時效處理,最終加工的拉伸試樣標距直徑Φ5mm,標距長25mm;沖擊試樣為10×10×55的標準V缺口沖擊試樣,最后分別用WE300B拉伸試驗機和JBN-300B沖擊試驗機分別測試室溫拉伸性能和沖擊韌性,同一熱處理狀態的力學性能用3個試樣測試的平均值。
      2實驗結果與分析
      2.1奧氏體形成及其晶粒形態的變化
     
      切取固溶處理的試樣制成金相樣品,經H2SO4、KMnO4水溶液煮沸顯示原奧氏體晶界,金相顯微鏡觀察表明800℃低溫固溶處理雖已超過的AC3溫度(740℃),但卻遺傳了鍛造變形的晶粒形態與尺寸(圖1a),說明通過非擴散α′→γ逆轉變機制形成奧氏體。此外,由于Cr含量低于傳統的馬氏體時效不銹鋼,因此800℃低溫固溶處理以奧氏體基體為主,未見明顯的殘留第二相。由于非擴散α′→γ形成的奧氏體內缺陷密度較高,提高固溶處理溫度能量相對較高的奧氏體發生回復和再結晶[5],因此1000℃固溶處理形成完全封閉、相對均勻的多邊形奧氏體晶粒(圖2b)。
      2.2固溶處理溫度對力學性能的影響
      度的變化呈現相同的規律,即450℃時效仍處于欠時效狀態,480℃時效出現屈服和抗拉強度峰值,進一步提高時效溫度進入過時效,即屈服和抗拉強度下降;然而塑性和沖擊韌性隨提高時效溫度始終處于上升狀態,值得注意的是480℃峰時效抗拉強度分別達到1773和1760MPa,屬于超高強度鋼的范疇;510℃時效抗拉強度比480℃峰時效僅分別下降4.1%和3.0%,但V缺口沖擊功則分別上升29.0%和45.8%,因此510℃時效屬于優化的時效溫度。
      對比不同溫度時效的力學性能,可以看出800℃和1000℃固溶處理的材料屈服和抗拉強度相近,但800℃固溶處理材料450℃、480℃、510℃和540℃時效后V缺口沖擊韌性分別高出1000℃固溶處理的材料37.2%、46.3%、30.7%和18.4%,因此800℃低溫固溶處理材料強韌性優勢非常明顯。為澄清800℃低溫固溶處理強韌性更好的原因,對強韌性配合最好的510℃時效試樣進行了X射線衍射分析,可以看出800℃低溫固溶處理的試樣最終殘余/逆轉變奧氏體衍射峰相對強度顯著高于1000℃固溶處理的試樣(圖3),對比衍射峰的相對強度計算800℃低溫固溶處理的試樣最終殘余/逆轉變奧氏體體積分數為15.3%,而1000℃固溶處理的試樣則為9.0%,顯然更多的殘余/逆轉變奧氏體導致800℃低溫固溶處理的材料具有更高的沖擊韌性,但并未降低屈服、抗拉強度,這與800℃低溫固溶處理涉及的相變有關,首先800℃固溶處理遺傳了鍛態組織,即以α′→γ非擴散形式轉變為高缺陷密度的奧氏體,高密度缺陷奧氏體馬氏體相變抗力較大,最終冷卻和冷處理后殘留奧氏體的較多。另一方面,由于已形成的馬氏體再次遺傳了這種高密度的缺陷,有利于時效時通過擴散形成逆轉變奧氏體,因此最終的殘余/逆轉變奧氏體量必然較高。此外,800℃低溫固溶處理后的馬氏體缺陷密度較高,有利于時效處理強化析出相的彌散分布,增強了馬氏體的時效強化效應,彌補了較多殘余/逆轉變奧氏體的軟化效應。
      3  結論
      3.1  800℃低溫固溶處理以非擴散α′→γ形成奧氏體,遺傳鍛態奧氏體晶粒的形態和尺寸,而1000℃固溶處理由于發生再結晶,形成相對均勻的多邊形再結晶奧氏體晶粒。
      3.2 450~540℃之間時效后800℃和1000℃固溶處理的試樣強度相近,但800℃固溶處理以非擴散α′→γ形成奧氏體,其高密度缺陷最終遺傳到馬氏體內,既有增強時效強化的作用,又增加殘余/逆轉變奧氏體,因此具有更好的強韌性。
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