热处理对马氏体不锈钢显微组织和性能影响-钢铁知识-永利总站
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热处理对马氏体不锈钢显微组织和性能影响

摘 要:借助强度和硬度测量手段以及显微组织观察及EDS能谱分析,研究了奥氏体化温度和时间、回火温度对一种实验室冶炼的马氏体不锈钢的微观组织和力学性能的影响。实验结果表明:奥氏体化温度可以显著影响材料的力学性能,当奥氏体化工艺为1050 ℃-60 min时,材料的硬度最大(49HRC),抗拉强度最高(1800 MPa)。在回火温度为400~500 ℃的范围内,回火温度的升高导致了 M7C3 相的沉淀和二次硬化,使材料的硬度和抗拉强度轻微升高;当回火温度进一步升高至 700 ℃时,M7C3碳化物发生粗化并部分地转变为M23C6碳化物,材料的硬度和抗拉强度明显降低。试样在200℃和700℃回火后的拉伸断口表现出混合断裂机理(脆性和韧性),而在500 ℃表现为韧性特征。该材料最佳的热处理工艺为1050℃-60min 奥氏体化处理+500℃-60min 回火处理。


马氏体不锈钢由于其优异的力学性能和耐腐蚀性能而广泛应用于制造组件。与其它不锈钢不同的是, 马氏体不锈钢的性能可以随着热处理条件的改变而发生变化。因此,这些钢通常被广泛应用于蒸汽发生器、压力容器、混合器叶片、切割工具和海上石油开采平台等过热或过冷的服役环境中[1-3]。在退火条件下, 马氏体不锈钢会产生一种含有球化碳化物的铁素体基质微观结构, 如果想完全得到马氏体结构而不产生铁素体和残余奥氏体, 完善的热处理工艺是非常必要的[4-5]。


根据材料的化学成分和热处理工艺,马氏体不锈钢主要由马氏体、未溶解的碳化物、δ铁素体等微观组织构成。因此,对于特定成分的钢材料, 强度和耐腐蚀性完全取决于碳和奥氏体中其他合金元素的含量[6-7]。对含碳量超过 0.2wt%的中碳马氏体不锈钢,碳元素可以完全溶解于铁素体基体中。但需要特别注意的是避免材料的晶粒粗化、 脱碳和过奥氏体化[5]。此外,残余应力的存在可明显地降低力学性能和耐腐蚀性能。合理的热处理工艺可以减少应力和促进碳化物的分解。马氏体不锈钢热处理工艺选择合适能够获得理想的显微组织, 保证材料的优良性能。


1 试验材料及分析方法

选用试验钢在真空感应炉中进行生产, 材料的基本化学成分如表 1 所示。钢坯的热锻 在 900~1000℃,然后在700℃时进行退火处理,最后空冷至室温。


将钢坯沿纵向进行切割至合适尺寸, 以用于热处理试验。试样的奥氏体化温度选择为 980、1015 和1050℃,奥氏体化时间为 30、60 和 120 min,然后在将钢坯沿纵向进行切割至合适尺寸, 以用于热处理试验。试样的奥氏体化温度选择为 980、1015 和1050℃,奥氏体化时间为30、60 和120min,然后在200~700 ℃之间进行回火处理,回火时间为60min。将以上热处理后的试样进行强度和硬度测量、显微组织观察及 EDS 能谱分析。


2 试验结果与分析

2.1 微观组织观察及 EDS 能谱分析

图1所示为经不同奥氏体化温度处理的试样光学显微组织。试样的奥氏体化温度分别为 1050、1015和980 ℃,奥氏体化时间均为60min,然后统一在200℃下回火60min。从图中可以看出,随着奥氏体化温度的升高, 试样组织中的板条马氏体比例显著增多,980℃奥氏体化后材料组织中的马氏体比例最低。将金相试样放置在空气中一周后出现了大量的腐蚀界面,说明其耐蚀性显著降低。为了保证马氏体不锈钢组织中的马氏体含量, 选择该材料的奥氏体化温度为 1050℃。

图2(a)~(c)为不同回火温度处理后试样的扫描电镜组织。图2(a1)~(c1)为其对应的EDS能谱分析结果。试样的回火温度分别为 200、500 和700℃,回火时间均为60min,各试样的奥氏体化工艺一致,均为 1050℃-60min。从图 2 中可看出,200 、500和 700 ℃回火后试样组织中的碳化物组成分别为M23C6、M7C3 和 M23C6,而且随着回火温度的升高,材料组织中的析出相数量明显增多。

2.2 硬度测量及分析

图 3 所示为不同奥氏体化工艺对试样硬度的影响,各试样的回火工艺均为 200℃-60min。从图中可看出,当奥氏体化温度为1050℃、奥氏体化时间不超过 60min 时,试样可以获得最大的硬度。对于马氏体不锈钢而言,硬度是由马氏体板条在组织中的分布所决定的[3]。当马氏体相中的合金元素含量越高、残余奥氏体越少时,材料的硬度越高。奥氏体化温度的提高可以改善合金元素的均匀性、 减少残余奥氏体的含量,因此可以促进材料硬度的提高。但奥氏体化时间过长,会导致材料晶粒的异常长大,材料的强硬度异常恶化。


保持试样的奥氏体化工艺一定 (1050 ℃-60min),当试样经200~700℃回火60min后,各试样的硬度如图4所示。从图4中可看出,当试样的回火温度为 200~400℃时,试样的硬度值轻微下降;在400~500℃回火温度内,材料的硬度小幅度提高,这可以归因于二次硬化现象,通常与马氏体板条内的M7C3碳化物的形成有关。在500~700℃的回火温度范围内,材料的硬度大幅度下降,这种软化行为的发生是由于材料组织中的M7C3碳化物开始粗化并部分转变为M23C6碳化物。

2.3 强度测量及断口观察

图 5 为 不 同 奥 氏 体 化 温 度 下 的 应 力-应 变 曲线。奥氏体温度分别为 980、1015 和 1050℃,奥氏体化时间为 60 min, 奥 氏体化后均 在 200 ℃保 温 60min 进行回火处理。从图中可看出,随着奥氏体化温度的升高,其抗拉强度会有所升高但变化不明显。在1050℃时,其抗拉强度达到 1800 MPa;这 主要是由于随着奥氏体温度的升高, 板条马氏体的数量明显增多,板条马氏体属于硬质相,其抗拉强度会升高,但是在这个温度范围内淬火, 中等大小的奥氏体晶粒长大,又会降低其抗拉强度。所以总的抗拉强度会升高但变化并不是很大。

保持试样的奥氏体化工艺 一 定 (1050℃-60min),当试样经 200~700℃回火 60min 后拉伸强度和屈服强度随回火温度的变化如图 6 所示。从图中可以看出,当回火温度从 200℃提高到 400℃时,强度轻微降低;当回火温度从 400℃升高至 500℃范围内,材料的强度由于二次强化而出现一定的增加;随着回火温度进一步升高至 700℃,材料的强度显著恶化。材料强度随回火温度的变化与硬度变化规律一致。

经不同回火温度处理后试样拉伸断口 SEM 照片如图 7 所示。当回火温度为 500℃时,试样的断口出现了明显的塑性变形,其断口形貌呈韧窝状。而回火温度为 200和 700℃时,仅在少量微孔中发现了韧窝,绝大部分呈现出河流花样。而事实上,200和 700℃回火温度下的试样均为混合断裂,断裂面主要表现为河流状断裂或是含有少量纤维状韧性区域的脆性混合断裂,韧窝状主要存在于基质 / 碳化物界面。

综合以上检测数据,对该材料而言,最佳的热处理工艺为 1050℃-60 min 奥氏体化处理+500℃-60min 回火处理。该热处理工艺既能保证材料的强硬度和组织中的马氏体含量,具有一定的韧性特征,综合力学性能最佳。


3 结论

(1)随着奥氏体温度的升高, 试样组织中板条马氏体数量明显增多,抗拉强度升高,硬度升高。当回火工艺保持200 ℃-60min一定时, 材料经1050℃奥氏体化 60 min 后具备最高的抗拉强度(1800MPa)和硬度(49HRC)。

(2)当回火温度为 400~500℃时,材料的洛氏硬度和抗拉强度由于M7C3 碳化物的析出和二次强化轻微升高;当回火温度进一步升高至 700℃,M7C3碳化物发生软化开始粗化并部分地转变为M23C6 碳化物,材料的洛氏硬度和抗拉强度明显降低。

(3)200和700℃回火温度下的试样均为混合断裂,断裂面主要表现为河流状断裂或是含有少量纤维状韧性区域的脆性混合断裂;当回火温 度为500℃时,试样的断口出现了明显的塑性变形,其断口形貌呈韧窝状。

(4)该材料最佳的热处理工艺为1050 ℃-60min 奥氏体化处理+500℃-60min 回火处理,既能保证材料的强度、硬度又具有一定的韧性特征,综合力学性能最佳。 


参考文献

[1] 白鹤,王伯健.马氏体 不 锈 钢 成 分、工艺和耐蚀性的进展[J].特殊钢,2009,30(2):30-33.

[2] 孙霞,刘春明.铸造低碳马氏体不锈钢的现状与发展趋势[J].铸造,2007,56(1):1-5.

[3] 黄维浩,任晓,何龙.热处理工艺对马氏体不锈钢 X39CrMo17-1组织和性能影响的研究[J].动力工程学报,2016,36(7):583-588.

[4] 周世锋,王昱成,李向阳,等.ZG0Cr13Ni5Mo 马氏体不锈钢模拟焊接 HAZ 组织与性能[J].焊接学报,2004,25(4):63-66.

[5] 马龙腾,王立民,胡劲,等.AISI403 马氏体不锈钢的热变形特性研究[J].材料工程,2013,41(5):38-43.

[6] 袁武华,龚雪辉,孙永庆,等.0Cr16Ni5Mo 低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图[J].材料工程,2016,44(5):8-14.

[7] 王培,陆善平,李殿中,等.低加热速率下 ZG06Cr13Ni4Mo 低碳马氏体不锈钢回火过程的相变研究[J].金属学报,2008,44(6):681-685.


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