高强度不锈钢的强化机理及发展★

杜晓建， 张剑桥

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

高强度不锈钢是不锈钢的重要组成部分，虽产量不高，但品种规格多、质量要求高，在国防军工和国民经济各部门的应用日益广泛，属高科技含量、高附加值产品。该钢类尚无公认的定义，通常把屈服强度大于600 MPa的不锈钢称为高强度不锈钢；把屈服强度大于1380 MPa的高强度不锈钢称为超高强度不锈钢。

近些年的发展中，该类钢无论从其合金成分设计、冶炼工艺及强度级别均上升了一个新的水平；现如今，长寿命、抗疲劳、耐腐蚀、结构减重等设计理念使该类钢的优势在不同的应用领域得到充分展现，并成为了国内外学者共同关注和深入研究的热点。

因而，总结高强度不锈钢的强化机理，对高强度不锈钢的发展有至关重要的作用。

1 强化机理

高强度不锈钢之所以能取得高强度是强化机理产生作用的结果，但是对于一个钢种而言，强化机理并不唯一，总是几个强化机理耦合的作用。从细分上可以看到是以下几个方面[1-3]。

1.1 固溶强化

固溶强化是指过饱和的间隙原子在正常晶格中造成晶格的畸变，形成一个强烈的应力场，该应力场与位错发生强烈的交互作用，阻碍位错的运动，从而提高钢的强度和硬度。C在α相中的过饱和固溶体是最常见的固溶强化事例。另外，N、Nb、Si元素的固溶强化作用，得到了深入研究。

对于没有相变的奥氏体及铁素体不锈钢，固溶强化是一种有效的手段。

1.2 相变强化

相变强化是指由强度较弱的相转变为强度高的马氏体相，在晶体内形成晶格缺陷密度很高的亚结构，这些缺陷都将阻碍位错的运动，从而提高钢的强度和硬度。

在高温淬火时，由于无扩散相变，会使不锈钢从奥氏体（Y）相生成淬火马氏体（M）相。所以固溶于Y相中的合金元素仍然被固溶在M相中。13Cr马氏体（M）不锈钢属于此类，但此类钢强度虽好，韧性却很差，耐蚀性也不好，为此开发了不锈马氏体时效钢，基体为低碳马氏体组织，经时效处理后，具有更高强度。Y相在室温是稳定的，调整合金成分将MS点设定到室温以下，其后经低温处理，生成M相，这种沉淀硬化型不锈钢也可以利用相变强化。

1.3 应变时效强化

应变时效强化是指不锈钢经加工以后，进行低温回火，强度增加的过程。其本质是C和其他合金原子向位错及其他晶体缺陷处扩散偏聚，钉扎位错，使位错难以运动，从而造成马氏体时效强化。

一般来说，应变时效硬化量随应变量增加而变大。应变时效硬化决定于时效温度和时间。也可将稳定奥氏体钢进行冷加工，其后经低温退火，由于应变时效硬化也会使强度提高。材料的稳定度、化学成分、冷加工温度、冷加工量和退火温度决定了奥氏体钢的应变时效硬化量。由于应变时效，随着硬度提高，弹性特性会明显改善。

1.4 沉淀强化

沉淀强化是不锈钢经固溶处理和时效处理后，在原有相的基础上沉淀析出第二相而使钢强化。沉淀硬化型不锈钢有马氏体系、半奥氏体系、奥氏体系。但无论哪类沉淀硬化型不锈钢均含有析出硬化元素。经时效处理会析出与基体共格的金属间化合物，共格应变会使材料强度提高。时效硬化很容易获得较高的硬度，很有实用价值。

1.5 细晶强化

细晶强化是指通过细化晶粒，使不锈钢强度提高的方法。它基于Hall-Perch公式、Nalyer修正公式等，有效晶粒尺寸和M板条宽度的细化，既增加钢铁强度又提高韧性。

1.6 加工硬化

加工硬化是指亚稳定的奥氏体在经过加工以后，诱发生成马氏体相，提高强度的工艺方法。

马氏体相生成量取决于奥氏体相的稳定度（化学组成）和加工条件（加工量、加工温度、加工速度），稳定度越低，加工量越大，加工温度越低，马氏体相生成量就越大，强度提高越多。

2 高强度不锈钢的类型

2.1 奥氏体不锈钢

典型的奥氏体型高强度不锈钢是12Cr17NI7（SUS301）钢种，是一种非稳态奥氏体不锈钢。具有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性及焊接性能，在冷变形过程中会产生明显加工硬化。主要用途是弹片、发条及弹簧等精密产品。

普通301奥氏体不锈钢含碳量在0.06%左右，70%以上的变形量也只能使其表面维氏硬度（HV）达到530左右，继续增加变形量则会损坏轧机背衬轴承和工作辊。而作为加工硬化趋势强的301B含碳量（质量分数）都在0.1%以上，较普通301奥氏体不锈钢有更高的强度和硬度。

强化机理是变形过程中发生应变诱发马氏体相变和位错塞积。

2.2 马氏体不锈钢

典型的马氏体型高强度不锈钢是SUS440C钢种。具有很高的强度和硬度，适合作为刀具。而440C钢主要应用在高温轴承类零件上，适用于航空、航天等领域。

440C不锈钢为高碳高铬马氏体型不锈钢，在国内与9Cr18Mo钢相对应，它是在9Crl8Mo钢的基础上发展而成的。由于440C不锈钢的碳和铬的质量分数都比较高，热处理后碳化物数量多。

强化机理是固溶强化、马氏体相变强化和二次硬化共同作用的结果。

2.3 奥氏体沉淀硬化不锈钢

典型的奥氏体型高强度不锈钢是SUS631（0Cr17Ni7Al）钢种。半奥氏体PH不锈钢是以奥氏体状态供货，交货前需要进行固溶处理。处理后的金相组织基本为奥氏体，尚含有约5%～20%的铁素体。因奥氏体属于面心立方晶格结构，塑性好，容易进行冷加工成形和焊接。主要用途有弹簧丝、承力的结构件。

SUS631（0Cr17Ni7Al）钢中的强化元素是 Al。Al在固溶后的时效过程中基体产生脱溶析出，析出相为δ铁素体和Ni3Al，基体为马氏体。

强化机理是固溶强化、马氏体相变强化、沉淀硬化或冷作硬化共同作用的结果。

2.4 马氏体沉淀硬化不锈钢

典型的马氏体型高强度不锈钢是SUS630（0Cr17Ni4Cu4Nb）钢种。因含碳量较低，耐腐蚀性和可焊性均优于马氏体型不锈钢，接近于某些奥氏体不锈钢。主要用途有结构件、叶片、模具等。

0Cr17Ni4Cu4Nb中的强化元素主要是Cu、Nb。Cu是17-4PH钢沉淀硬化的主要元素。当铜含量（质量分数）超过0.75%时产生沉淀硬化作用，组织中会有富铜相析出。Nb也是一种形成沉淀硬化相的元素。在时效温度下析出强化相，强化不锈钢而不损害耐蚀性的沉淀强化相是NbCrN，这个沉淀相产生于1050℃固溶处理，它有非常好的提高强度、改善耐蚀性的作用。

强化机理是固溶强化、马氏体相变强化和沉淀硬化共同作用的结果。

3 高强度不锈钢的发展

根据高强度不锈钢的抗拉强度，可以将高强度不锈钢分为几个阶段，第一阶段为900～1400 MPa，第二阶段为1000～1700 MPa，第三阶段为1800～2000 MPa。市场上应用最广当然是第一阶段的钢种，但广大的科研工作者，都在为第三阶段的钢种材料研发而努力。

根据组织类别看，马氏体沉淀硬化不锈钢能达到的抗拉强度最高，是未来的高强度不锈钢发展方向。但是马氏体沉淀应变不锈钢的制造过程困难较大，而奥氏体不锈钢SUS301、马氏体不锈钢SUS420的化学成分简练，制造过程相对成熟，是市场中销量最大的钢种。从下页表1中数据看，高强度不锈钢的延伸率均偏低，而04Cr13NI5Mo和FV520（B）的延伸率达到20%以上，同时焊接性能优良，是作为大型结构件的优质材料。

针对马氏体沉淀硬化不锈钢的发展，从化学成分上看，可以分为四类，一是最早开发的PH17-4、PH15-5，采用Cu、Nb作为强化元素；二是PH13-8Mo，采用Al作为强化元素；三是美国卡彭特技术公司开发的系列产品，Custom455、Custom465、Custom475，采用Ti作为强化元素；四是FerriumS53为代表的最高强度不锈钢，以Co作为强化元素。

4 结语

不锈钢的高强化已经成为了行业技术创新和市场应用的关注点，越来越受到人们的重视。充分利用强化机理，开发不同领域的高强度不锈钢是未来工作的重点。