熱處理對0Cr13Ni5Mo鋼組織和性能的影響

張美麗

（商洛學院 化學與化學工程系，陜西商洛 726000）

0Cr13Ni5Mo鋼是一種低碳馬氏體高強不銹鋼，該鋼通過適當?shù)墓倘芴幚砗罂色@得低碳板條狀馬氏體，并加入一定的鎳、鉬合金元素可使馬氏體組織在晶粒形核過程中析出逆變奧氏體組織[1-3]，從而形成一種復相組織。由于逆變奧氏體的存在，使其具有高強度、高耐磨性和焊接性等優(yōu)良的室溫和低溫力學性能，目前已成為國內(nèi)外水電行業(yè)制造水輪機葉片、中缸等普遍采用的材料[4-6]，并開始應用于核電反應堆控制棒的驅(qū)動機構(gòu)[7]。

大量研究證明，逆變奧氏體的熱穩(wěn)定性很高，在回火冷卻過程中不易發(fā)生轉(zhuǎn)變[8]，所以0Cr13Ni5Mo鋼的回火穩(wěn)定性極高，即使采用適當回火溫度，也不能使板條狀馬氏體充分分解，只能析出部分碳化物而轉(zhuǎn)變成回火馬氏體[9]。而在瑞典專利中指出：“通過Ac1點以上(Ac3點以下)一定溫度范圍內(nèi)回火和二次回火，可以得到滿意的綜合力學性能”[10]。由于這種鋼工作條件苛刻，對材料的綜合性能要求嚴格[11]，因此，本文對不同二次回火溫度下的0Cr13Ni5Mo鋼顯微組織和力學性能進行了研究，為該鋼的力學性能改善提供一個可參考的依據(jù)。

1 材料及方法

試驗材料為退火態(tài)0Cr13Ni5Mo，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為：0.03C，0.27Si，0.74Mn，0.008P，0.002S，12.60Cr，4.47Ni，0.59Mo，0.04N。退火態(tài)組織為比較粗大的低碳板條狀馬氏體。

本試驗先將退火態(tài)0Cr13Ni5Mo鋼在1000℃下保溫30 min進行淬火處理，然后在620℃下保溫2 h進行一次回火處理，最后分別在560℃、580℃、600℃下保溫2 h進行二次回火處理，以上全部采用空冷的方式冷卻到室溫。熱處理完成后測試二次回火試樣的金相組織、強度、沖擊韌性和硬度。金相試樣用腐蝕劑（硝酸：鹽酸：水=1:1:1）腐蝕后，在Olympus GX71型光學顯微鏡上觀察；拉伸試驗按GB/T 228-2002采用Φ8 mm×113 mm試棒，在W34-16萬能試驗機上測試；沖擊試驗按GB/T 229-2007采用10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口試樣，在擺錘沖擊試驗機上進行；硬度試驗按照GB/T 231-2009進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織

鋼經(jīng)過熱處理后性能會發(fā)生變化，是由于經(jīng)過不同的加熱和冷卻過程，材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。退火態(tài)0Cr13Ni5Mo鋼的組織為比較粗大的低碳板條馬氏體，板條晶界明顯。為了分析不同溫度的二次回火后0Cr13Ni5Mo鋼組織的變化情況，分別對1000℃×30 min淬火+620℃×2 h一次回火+（560-600）×2 h二次回火后的材料進行了金相組織觀察，3種不同二次回火溫度下的組織如圖1所示。

圖1 不同溫度二次回火后0Cr13Ni5Mo鋼的金相組織

由圖1可以看出，第二次回火后此鋼的組織以板條狀回火馬氏體為主，在一次回火后形成的少量二次淬火馬氏體消失。隨著二次回火溫度的升高，馬氏體基體得到充分回火，粗大的板條馬氏體明顯變細，并且馬氏體板條晶界不明顯。當溫度達到600℃時回火馬氏體易腐蝕為黑色針葉狀。由此可以看出，二次回火溫度的升高，有利于材料組織的細化。

2.2 強度和沖擊韌性

從圖1可以看出，不同溫度的二次回火后0Cr13Ni5Mo鋼的組織明顯不同，由于組織決定性能，為了研究組織和性能之間的關(guān)系，對于不同熱處理條件下材料的力學性能研究就顯得特別重要。因此，對3種不同二次回火溫度下的材料進行了拉伸性能和沖擊性能的測定，測試結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

0Cr13Ni5Mo鋼在620℃一次回火后，屈服強度為843 MPa，抗拉強度為907 MPa，沖擊功為178 J。從圖2、圖3可知，經(jīng)過560℃、580℃、600℃二次回火后，材料的屈服強度分別為770，763，725 MPa，抗拉強度分別為 817，809，779 MPa，沖擊功分別為 160，165，180 J。由此可以看出，材料的強度隨著二次回火溫度的升高近似直線下降，沖擊功反之；并且強度和沖擊功在560℃-580℃變化較小，而在580℃-600℃變化較大。

圖2 不同溫度二次回火后0Cr13Ni5Mo鋼的強度曲線

圖3 不同溫度二次回火后0Cr13Ni5Mo鋼的沖擊功曲線

2.3 顯微硬度

不同工件的使用過程中，要求材料的硬度值是不一樣的。對于一些耐磨件主要考慮高硬度，而對于需要加工的零件，硬度過高反而不利于后續(xù)加工，所以一般會采用熱處理的方法盡量使材料的硬度滿足加工要求。圖4是0Cr13Ni5Mo鋼在不同溫度的二次回火后的硬度變化情況。

圖4 不同溫度二次回火后0Cr13Ni5Mo鋼的硬度曲線

由圖4可知，0Cr13Ni5Mo鋼在620℃一次回火的基礎上進行不同溫度的二次回火，隨著回火溫度的升高，硬度值逐漸降低。材料在一次回火后的硬度為 296 HB，而在 560℃、580℃、600℃二次回火后的硬度分別為287，277，260 HB。

3 結(jié)論

0Cr13Ni5Mo鋼在二次回火之后，組織以板條狀回火馬氏體為主，且隨著回火溫度的升高，粗大的馬氏體板條明顯變細，當溫度達到600℃時回火馬氏體易腐蝕為黑色針葉狀。隨著二次回火溫度的升高，材料的沖擊韌性呈上升趨勢，屈服強度、抗拉強度以及硬度近似直線降低。在560℃-580℃性能變化較小，而在580℃-600℃性能變化較大。

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