馬氏體時(shí)效不銹鋼強(qiáng)度逆晶粒尺寸現(xiàn)象研究

楊卓越，高 齊，丁雅莉

(鋼鐵研究總院 特殊鋼研究所，北京 100081)

眾所周知，細(xì)化奧氏體晶?？梢蕴岣咪摰膹?qiáng)度并同時(shí)改善韌性，馬氏體時(shí)效鋼和馬氏體時(shí)效不銹鋼也觀察到類似的現(xiàn)象[1]。在無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼研究中觀察到，屈服強(qiáng)度與奧氏體晶粒尺寸服從Hall-Petch關(guān)系，Cr-Ni-Co-Mo馬氏體時(shí)效不銹鋼中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[2]。然而，細(xì)化奧氏體晶粒途徑較多[3-5]，相應(yīng)的晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性也存在差異。Saul等研究表明，18Ni馬氏體時(shí)效鋼奧氏體晶粒細(xì)化，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度僅略有提高，且即使奧氏體晶粒尺寸相等，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也存在明顯的差異。Rack等對(duì)3個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的18Ni馬氏體時(shí)效鋼研究表明，僅在臨界尺寸以下的奧氏體晶粒尺寸影響力學(xué)性能，超過(guò)臨界尺寸則不再影響力學(xué)性能，這意味著除晶粒尺寸以外，奧氏體及隨后形成的馬氏體內(nèi)亞結(jié)構(gòu)等缺陷也是影響力學(xué)性能的重要因素。本文研究Cr-Ni-Mo-Ti馬氏體時(shí)效鋼熱鍛環(huán)，發(fā)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的逆晶粒尺寸現(xiàn)象，并分析了發(fā)生這一現(xiàn)象的原因。

1 材料及研究方法

試驗(yàn)用馬氏體時(shí)效不銹鋼采用真空感應(yīng)+真空自耗重熔雙聯(lián)真空冶煉，自耗重熔錠型為φ610 mm，主要合金元素為w(C)=0.0039%，w(Cr)=10.90%,w(Ni)=11.12%,w(Mo)=0.98%,w(Ti)=1.26%。自耗錠經(jīng)1 180 ℃×8 h均質(zhì)化處理后鍛造開坯，隨后鍛造成φ453 mm×φ397 mm×397 mm的熱鍛環(huán)。鍛態(tài)室溫組織為粗大的馬氏體，采用線性截距法測(cè)試和計(jì)算可得，原奧氏體平均晶粒直徑為178 μm。

為研究熱鍛環(huán)的熱處理工藝，首先從熱鍛環(huán)上切取試樣，用Formastor—D全自動(dòng)膨脹儀測(cè)量出相變溫度：As=630 ℃，Af=730 ℃；隨后縱向切取拉伸和2組金相試樣，分別進(jìn)行820 ℃×1 h、860 ℃×1 h、900 ℃×1 h、940 ℃×1 h和980 ℃×1 h水冷的固溶處理和-73 ℃×2 h冷處理。其中1組金相試樣和拉伸試樣再經(jīng)過(guò)500 ℃×4 h時(shí)效處理，拉伸試樣最終的標(biāo)距直徑為5 mm、標(biāo)距長(zhǎng)為25 mm。每一熱處理狀態(tài)測(cè)試3個(gè)試樣，力學(xué)性能取其平均值。微觀組織分析包括未時(shí)效的金相試樣經(jīng)硫酸、高錳酸鉀水溶液煮沸顯示原奧氏體晶界，用光學(xué)顯微鏡觀察原奧氏體晶粒形態(tài)和尺寸；用PHILIPS APD—10 X射線衍射儀測(cè)定未時(shí)效和經(jīng)過(guò)500 ℃×4 h時(shí)效的相組成，并對(duì)比各衍射峰的積分強(qiáng)度，計(jì)算奧氏體體積分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 固溶處理溫度對(duì)奧氏體晶粒形態(tài)和尺寸的影響

原奧氏體晶粒形貌以及用線性截距法計(jì)算的平均晶粒隨固溶處理溫度的變化如圖1所示。由圖1可以看出，盡管820和860 ℃高于Af溫度(730 ℃)，仍遺傳熱鍛環(huán)的粗大晶粒形態(tài)和尺寸，說(shuō)明以非擴(kuò)散α′→γ逆轉(zhuǎn)變機(jī)制形成奧氏體；900 ℃固溶處理晶界大幅遷移，形成顯著細(xì)化但未封閉的奧氏體晶粒，即未完全再結(jié)晶的晶粒；940 ℃固溶處理形成晶界完全封閉、相對(duì)均勻的多邊形完全再結(jié)晶奧氏體晶粒，即以非擴(kuò)散α′→γ形成的奧氏體缺陷密度較高，提高固溶處理溫度能量相對(duì)較高的奧氏體依次發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，固溶處理溫度提高到980 ℃已完全再結(jié)晶的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，符合正常的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律。

圖1 奧氏體晶粒形態(tài)、尺寸隨固溶溫度的變化

2.2 固溶處理溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

力學(xué)性能隨固溶處理溫度的變化如圖2所示。由圖2可以看出，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出逆晶粒尺寸現(xiàn)象，即820和860 ℃固溶處理遺傳了粗大的鍛態(tài)晶粒，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度卻相對(duì)較高；固溶處理溫度提高到900 ℃，奧氏體晶粒顯著細(xì)化，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯下降；進(jìn)一步提高固溶處理溫度，形成完全再結(jié)晶的奧氏體，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定。這種強(qiáng)度逆晶粒尺寸現(xiàn)象顯然與奧氏體的形成過(guò)程有關(guān)，820和860 ℃固溶處理，以非擴(kuò)散α′→γ形成奧氏體缺陷密度較高，這些高密度缺陷最終遺傳到固溶處理后形成的馬氏體內(nèi)，而馬氏體內(nèi)高的缺陷密度促進(jìn)500 ℃時(shí)效析出，并有利于析出強(qiáng)化相的彌散分布，因此必然提高強(qiáng)度。一方面，900 ℃以上固溶處理形成再結(jié)晶的奧氏體，其內(nèi)低的缺陷密度降低了最終馬氏體內(nèi)的缺陷密度，因此同樣經(jīng)過(guò)500 ℃×4 h時(shí)效的強(qiáng)度相對(duì)較低；另一方面，在820～980 ℃固溶處理溫度，斷后伸長(zhǎng)率維持在11%～12%，斷面收縮率在60.5%～62.0%，即塑性指標(biāo)變化相對(duì)較小，尤其是粗晶粒試樣斷面收縮率仍然較高。

圖2 力學(xué)性能隨固溶處理溫度的變化

為研究遺傳粗大的奧氏體晶粒不影響塑性的原因，用X射線衍射儀分別測(cè)定了未時(shí)效和經(jīng)過(guò)500 ℃×4 h時(shí)效試樣的相組成，并用對(duì)比法計(jì)算殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體體積分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，未時(shí)效的試樣僅含跡量的殘余奧氏體(<1%)；雖然820和860 ℃固溶處理遺傳粗大的奧氏體晶粒，但500 ℃×4 h時(shí)效后，形成更多的逆轉(zhuǎn)變奧氏體使其衍射峰明顯增強(qiáng)(見圖3a)，對(duì)比計(jì)算殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體在4.5%以上，明顯高于940和980℃固溶處理最終約2%殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體(見圖3b)。這同樣歸結(jié)為非擴(kuò)散α′→γ形成遺傳粗大奧氏體晶粒，其內(nèi)高密度缺陷再次遺傳到馬氏體內(nèi)，馬氏體內(nèi)高密度缺陷有利于500 ℃時(shí)效時(shí)通過(guò)擴(kuò)散形成更多的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，較多的逆轉(zhuǎn)變奧氏體具有改善塑性的作用。

圖3 X射線衍射測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，得出結(jié)論如下。

1)Cr-Ni-Mo-Ti馬氏體時(shí)效鋼在相對(duì)低的溫度固溶處理遺傳鍛態(tài)粗大的晶粒形態(tài)和尺寸；提高固溶處理溫度發(fā)生再結(jié)晶，形成相對(duì)細(xì)小的奧氏體晶粒。

2)遺傳鍛態(tài)粗大的奧氏體晶粒，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高；形成相對(duì)細(xì)小的再結(jié)晶奧氏體晶粒，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯下降，呈現(xiàn)出強(qiáng)度的逆晶粒尺寸現(xiàn)象。

3)通過(guò)非擴(kuò)散α′→γ逆轉(zhuǎn)變形成奧氏體遺傳鍛態(tài)的粗大晶粒，但其內(nèi)高密度缺陷會(huì)遺傳到馬氏體內(nèi)，具有增強(qiáng)時(shí)效析出和析出強(qiáng)化相彌散分布的作用，使強(qiáng)度相對(duì)較高。