回火溫度對超高強度不銹鋼的力學性能和微觀組織的影響

劉麗玉，鐘 平，王 祺，張業(yè)勤

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.中航試金石檢測科技有限公司，北京 100095）

0 引言

超高強度不銹鋼具有優(yōu)異的強韌性、高的比強度和高的固有疲勞強度，主要用于飛機主要的承力構件，如起落架、機翼主梁，隨著航空主承力件的發(fā)展和科學研究的深入，起落架用超高強度不銹鋼的研究非常必要和緊迫。一般來說，強度的提高總是伴隨著韌性的降低，反之亦然，如美國曾研究的超高強度不銹鋼 AFC－77［1-4］，采用二次硬化機理可使抗拉強度達到1 980 MPa，但沖擊韌度僅為31 J/cm2，無法用作重要承力構件。因此優(yōu)異的強韌性結合是超高強度鋼發(fā)展的重要目標。北京航空材料研究院大爐試制出強度達1900 MPa的超高強度不銹鋼。經(jīng)過多爐次的試驗研究，其抗拉強度σb達到了300M鋼或Aer-Met100鋼的水平。本研究主要分析了該新材料不同回火溫度下的力學性能、顯微組織和奧氏體含量，為設計選材提供參考。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試驗材料及熱處理

試驗用鋼采用“雙真空”熔煉工藝，自由鍛，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度≥900℃，鍛料經(jīng)1080℃下標準熱處理1h，油冷淬火，－73℃/2 h空冷回火，冷處理后，分別經(jīng)200～650℃不同溫度下回火4h。

1.2 力學性能測試方法

拉伸測試試樣為d=10 mm的標準短比例試樣，按HB 1543—1996采用Instron 5887萬能材料試驗機測試抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率。沖擊韌性試樣為標準夏比U型缺口試樣，按HB 1544—1996采用ZBC230全自動沖擊試驗機進行沖擊試驗。在A2000型洛氏硬度計上測量試樣的洛氏硬度值，最大載荷為150 kg。

1.3 微觀組織測試方法

從沖擊試樣上切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光和硝酸酒精溶液浸蝕后在OLYMPUS PME3型金相顯微鏡上觀察顯微組織。物相分析用D8 Advance型X射線衍射儀，在JSM5600型掃描電鏡上觀察斷口形貌。

2 試驗結果和討論

2.1 不同回火溫度下力學性能和斷裂特征

圖1給出了實驗用鋼1080℃淬火后，回火溫度對超高強度不銹鋼力學性能的影響，從圖1a可以看出，低于300℃回火時，隨回火溫度的升高，抗拉強度呈下降趨勢，但幅度較小，且強度值基本與淬火后強度相當(圖1中回火溫度為0的點)。隨后隨回火溫度升高抗拉強度顯著提高，在560℃下達到最大值1 920 MPa。在300℃以上回火屈服強度顯著升高，在560℃下達到最大值1 395 MPa，560℃以上回火，抗拉強度和屈服強度顯著下降。隨回火溫度的升高，屈強比也呈先升高后降低的趨勢，且在560℃時達到峰值(圖1b)。

圖1 回火溫度對試驗用鋼力學性能的影響Fig.1 Influence of tempering temperature on mechanical properties of the steel

從圖1c中可見，回火溫度為200℃時，延伸率和斷面收縮率較淬火態(tài)有很大幅度的升高，但200～560℃范圍內(nèi)回火，延伸率和斷面收縮率等塑性指標變化不大，回火溫度上升至600℃，延伸率和斷面收縮率等塑性指標降低至最低峰，而回火溫度為540～560℃時，試驗用鋼在保證高抗拉強度下具有優(yōu)良的塑性，此時延伸率和斷面收縮率最高可達到14%和67%，硬度也達到最大值。且從這些指標看，560℃回火稍優(yōu)于540℃回火，但沖擊功隨回火溫度的升高，沖擊功下降(圖1d)。在540℃回火時，沖擊韌度在130 J/cm2以上。560～600℃下回火時，沖擊韌度降低至90～40 J/cm2，下降幅度較大，故就其綜合性能而言，540℃回火溫度最佳。

圖2為拉伸試樣的斷口形貌，也看見回火溫度過高對試驗鋼性能的影響，當回火溫度560℃以下時，斷口的纖維區(qū)為典型的韌窩斷裂特征，剪切唇面積較大，頸縮大，而回火溫度在600℃及以上時，斷口呈類似氧化特征，此時纖維區(qū)微觀特征則表現(xiàn)為韌窩明顯變淺變小，說明在此溫度下回火材料的塑性及韌性較差。綜合回火溫度對力學性能以及斷裂特征的影響可見，此超高強度不銹鋼經(jīng)1 080℃淬火+深冷處理+540℃/4 h回火后材料具有良好的強韌性;而回火溫度更高，導致過時效，抗拉強度降低。超高強度不銹鋼的最佳回火溫度為540℃。

圖2 超高強度不銹鋼不同回火溫度下典型拉伸斷口形貌Fig.2 Typical fractographs of steel after tempering at different temperature

2.2 不同回火溫度下顯微組織和逆轉變奧氏體

圖3是試驗鋼淬火后不同回火溫度下的回火組織。300～650℃回火后的組織均為回火馬氏體，板條狀馬氏體清晰可見，此鋼中含一定比例的Co、Mo、Cr、Ti合金元素，提高了馬氏體的回火抗力［5］。300℃以下回火時，有少量的白亮條塊鐵素體沿原奧氏體晶界分布，隨回火溫度的升高，馬氏體板條狀細化，鐵素體逐漸減少，500℃以上時，馬氏體板條間出現(xiàn)奧氏體，而回火溫度650℃以上時，仍是回火馬氏體組織，但出現(xiàn)較多的白色條塊狀的逆轉變奧氏體，逆轉變殘余奧氏體沿馬氏體束界形成并向束內(nèi)發(fā)展。

鋼中殘余奧氏體對其力學性能的作用愈來愈受到人們的重視，鋼中穩(wěn)定的殘余奧氏體具有鈍化裂紋擴展在應力及應變作用下誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生形變誘發(fā)塑性及強化(TRIP)效應，提高材料的強韌性及疲勞壽命。表1是用X射線衍射測得試驗用鋼回火過程中殘余奧氏體量隨回火溫度變化結果，可以看出，500～650℃溫度范圍內(nèi)回火，馬氏體發(fā)生部分逆轉變，540℃回火后組織中出現(xiàn)少量逆轉變奧氏體。文獻［6-7］指出:在裂紋擴展前沿奧氏體向馬氏體轉變可由于吸收大量能量，顯著松弛裂紋尖端的三向應力場，延緩裂紋擴展而提高斷裂韌性。這是獲得超高強度高韌性的其一機理。此外，奧氏體含量還顯著影響試驗鋼的硬度?；鼗鸷笥捕热Q于沉淀強化和馬氏體基體強度，也反映了奧氏體含量的變化［6］。540℃回火，沉淀強化作用很強，基體強度高，逆轉變奧氏體含量較少，故硬度達到最高值;隨回火溫度的升高(650℃)，馬氏體逆轉變加劇，殘余逆轉變奧氏體含量顯著增多，沉淀強化作用和基體強度減弱，硬度顯著下降;因此，淬火后540℃回火獲得良好的強韌性配合的主要原因與形成的組織中存在一定量的穩(wěn)定殘余奧氏體有關。

圖3 超高強度不銹鋼不同回火溫度下金相組織Fig.3 Microstructure of steel after tempering at different temperature

表1 不同回火溫度下殘余奧氏體含量和硬度Table 1 Residual austenite and hardness after tempering at different temperature

3 結論

1)試驗用超高強度不銹鋼在100～650℃范圍內(nèi)，隨回火溫度升高，抗拉強度和屈服強度先升后降，在540～560℃達到最大值，且硬度也達到峰值。600℃以上回火，出現(xiàn)過時效，力學性能明顯變差。

2)經(jīng)1080℃淬火+540℃/4 h回火，材料的力學性能分別為 σb=1902 MPa，σ0.2=1395 MPa，ψ =14%，δ5=67.8%，ak=130 J/cm2，此時超高強度不銹鋼為均勻細小的回火馬氏體組織，含有少量的逆轉變奧氏體，強韌性配合較好，達到航空結構件高強高韌要求。

［1］Dahl J M，Novotny P M.Airframe and landing gear alloy［J］.Advanced Materials＆ Processes，1999，155(3):23 －25.

［2］Chandahok V K，Dulis E J，Kasak A.Development of new and useful elevated-temperature steels for aircraft applications［R］.ASD－TR－61－386.

［3］劉樹勛，李培杰，曾大本，等.析出硬化型熱強鋼中合金元素的作用機制［J］.鋼鐵研究學報，2004，16(1):44－48.

［4］Antolovich S D，Singh B.On the toughness increment associatedwith the Austenite to Martensite phase transformation in TRIP steels［J］.Metallurgical and Materials Transaction B，1971，2(8):2135－2141.

［5］趙振業(yè)，李志，劉天琦，等.探索新強韌化機制開拓超高強度鋼新領域［J］.中國科學工程，2003，5(9):39－42.

［6］韋習成，李麟，符仁鈺.TRIP鋼顯微組織與性能關系的評述［J］.鋼鐵研究學報，2001，13(5):71－76.