低温固溶处理改善马氏体时效钢韧性技术研究

杨卓越，高 齐，丁雅莉，巴士侠

(1.钢铁研究总院 特殊钢研究所，北京 100081；2.中国船舶重工集团公司 规划发展战略研究中心，北京 100861)

1 试验材料与方法

试验用钢为Cr-Mo-Ti马氏体时效耐蚀钢，用25 kg真空感应炉熔炼，主要合金元素含量为：w(Cr)=8.92%、w(Ni)=12.64%、w(Mo)=1.46%和w(Ti)=1.37%。冶炼坯经过1 150～850 ℃锻造成40 mm×40 mm的方坯，用Formastor-D全自动相变测量仪测试的相变温度为：Ac1=625 ℃，Ac3=740 ℃，Ms=60 ℃。

在方坯上切取拉伸、V型缺口冲击坯样。将坯样分成2组，第1组采用800 ℃低温固溶处理，第2组按常规1 000 ℃较高温度固溶处理。2组固溶处理的试样均经过-73 ℃×2 h冷处理，随后2组固溶处理的试样均分别经过450、480、510和540 ℃，4 h时效处理。最终加工的拉伸试样标距直径为5 mm，标距长为25 mm；冲击试样是外形尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的标准V型缺口冲击试样。最后用WE300B拉伸试验机和JBN—300B冲击试验机分别测试室温拉伸性能和冲击韧性。同一热处理状态的力学性能用3个试样测试的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 奥氏体形成及其晶粒形态的变化

切取固溶处理的试样制成金相样品，经硫酸和高锰酸钾水溶液煮沸显示原奥氏体晶界，奥氏体晶粒形态和尺寸对比如图1所示。金相显微镜观察表明，800 ℃低温固溶处理虽已超过Ac3温度(740 ℃)，但却遗传了锻造变形的晶粒形态与尺寸，说明通过非扩散α′→γ逆转变机制形成奥氏体；此外，由于铬含量低于传统的马氏体时效不锈钢，因此800 ℃低温固溶处理以奥氏体基体为主，未见明显的残留第2相。由于非扩散α′→γ形成的奥氏体内缺陷密度较高，提高固溶处理温度，能量相对较高的奥氏体发生回复和再结晶[5]，因此1 000 ℃固溶处理形成完全封闭、相对均匀的多边形奥氏体晶粒。

图1 奥氏体晶粒形态和尺寸对比

2.2 固溶处理温度对力学性能的影响

采用800和1 000 ℃的温度固溶处理后的力学性能对比结果如图2所示。

a)抗拉强度

b)屈服强度

c)断面收缩率

d)V型缺口吸收能量

由图2可以看出，800和1 000 ℃固溶处理的材料力学性能随时效温度的变化呈现相同的规律，即450 ℃时效仍处于欠时效状态，480 ℃时效出现屈服和抗拉强度峰值，进一步提高时效温度进入过时效，即屈服和抗拉强度下降；然而塑性和冲击韧性随提高时效温度始终处于上升状态。 480 ℃峰值时，效抗拉强度分别达到1 773和1 760 MPa，属于超高强度钢的范畴；510 ℃时效抗拉强度比480 ℃峰时效仅分别下降4.1%和3.0%，但V型缺口吸收能量则分别上升29.0%和45.8%，因此510 ℃时效属于优化的时效温度。

对比不同温度时效的力学性能可以看出，800和1 000 ℃固溶处理的材料屈服和抗拉强度相近，但800 ℃固溶处理材料450、480、510和540 ℃时效后，V型缺口冲击韧性分别高出1 000 ℃固溶处理材料的37.2%、46.3%、30.7%和18.4%；因此，800 ℃低温固溶处理材料的强韧性优势非常明显。

为研究800 ℃低温固溶处理强韧性更好的原因，对强韧性配合最好的510 ℃时效试样进行了X射线衍射分析(见图3)。由图3可以看出，800 ℃低温固溶处理的试样最终残余/逆转变奥氏体衍射峰相对强度显著高于1 000 ℃固溶处理的试样，对比衍射峰的相对强度计算800 ℃低温固溶处理的试样，最终残余/逆转变奥氏体体积分数为15.3%，而1 000 ℃固溶处理的试样则为9.0%，显然，更多的残余/逆转变奥氏体导致800 ℃低温固溶处理的材料具有更高的冲击韧性，但并未降低屈服强度和抗拉强度，这与800 ℃低温固溶处理涉及的相变有关，一方面，800 ℃固溶处理遗传了锻态组织，即以α′→γ非扩散形式转变为高密度缺陷的奥氏体，高密度缺陷奥氏体马氏体相变抗力较大，最终冷却和冷处理后残留的奥氏体较多；另一方面，由于已形成的马氏体再次遗传了这种高密度的缺陷，有利于时效时通过扩散形成逆转变奥氏体，因此最终的残余/逆转变奥氏体量必然较高。此外，800 ℃低温固溶处理后的马氏体缺陷密度较高，有利于时效处理强化析出相的弥散分布，增强了马氏体的时效强化效应，弥补了较多残余/逆转变奥氏体的软化效应。

图3 510 ℃时效试样X射线衍射

3 结语

通过上述研究，得出如下结论。

1)800 ℃低温固溶处理以非扩散α′→γ形成奥氏体，遗传锻态奥氏体晶粒的形态和尺寸，而1 000 ℃固溶处理由于发生再结晶，形成相对均匀的多边形再结晶奥氏体晶粒。

2)450～540 ℃时效后，800和1 000 ℃固溶处理的试样强度相近，但800 ℃固溶处理以非扩散α′→γ形成奥氏体，其高密度缺陷最终遗传到马氏体内，既有增强时效强化的作用，又增加残余/逆转变奥氏体，因此具有更好的强韧性。

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