0Cr13Ni4Mo不锈钢

本文研究了。。马氏体不桥钢热处理工艺, 控制逆转奥氏体含
量, 得到良好的组织、力学性能和磁学性能。
关键词马氏休不锈钢热处理逆转奥氏体相变
前言
型马氏体不锈钢由于塑韧性及焊接性能差, 限制了它在某些部门的应用。对这类
钢降低碳含量并加人镍改进后称为软马氏体不锈钢以〕。。钢固丁溶处理空冷可
得马氏体组织。经一定温度回火后部分马氏体将发牛逆转变, 所形成的逆转变奥氏体以独
立的楔状或片状晶粒形式分布在板条状低碳合金马氏休基体之间〔“ 〕, 使钢的闭性提高, 在
不明显降低强度的情况下改善塑性和焊接性〔〕。研究证明, 这种逆转变奥氏体的热稳定性
很高, 在回火冷却过程中不易发生转变, 以致室温下仍能保留很大部分〔”, 〕。但是, 由
于其机械稳定性差, 将在受力变形时因塑变诱发相变而转变为马氏休在以下, 这个
相变过程将吸收大量变形功而提高了材料的抗裂纹扩展能力〔〕。因此, 当逆转变奥氏体
有一定数量并分割板条马氏体基体时, 材料具有较好的强团性。, 值得注意的是, 在利用逆
转变奥氏体改善力学性能的同时不可忽略奥氏体与马氏体在磁性卜的差异, 一定数吊的逆
转变奥氏体会导致磁性的改变。该钢在某些邓门的应用中要求有较高的导磁率, 较低的利
磁和矫顽力〔〕, 因此寻找合适的热处理工艺控制逆转变奥氏体含最, 同时满足力学和磁学
性能要求是工程实际中有待解决的问题。
本文给出低碳钢逆转变奥氏休最、力学性能和静磁性能的回火曲线等,
作为在不同应用场合下制定热处理工艺, 研究组织与性能的参考。
试验材料及方法
试验用钢
主要试验料取自抚顺钢厂年生产的。小轧材。生产工艺为真空
感应熔炼加电洁重熔冶炼锻造开环, 轧制后℃ 小时退火。其化学成分见表。
表试验用钢化学成分,
。。
。。。。。。
。。
相变临界点
用膨胀法, 采用日本一型全自动相变测定仪, 测得结果见表。
热处理工艺
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年第期物理测试里了
表试验用钢相变临界点, “
刁」
保温
淬火工艺一℃ , 一分油或空冷。磁性样增加小工寸固溶汕
冷及℃ 分油冷后加一℃深冷。根据文献〔〕推荐的最佳淬火制度和本试脸结果确
定淬火工艺为力学试样℃ 分油冷, 磁性试样℃ 分油冷及空冷。
回火工艺
①一次回火温度选择在一℃范围, 保温时间为小时。其巾低于的回
火将使淬火马氏体消除应力, 产生时效和残余奥氏体转变, 使组织趋于稳定表, 工艺
、。高于刁。的回火表工艺一将有一定量的奥氏体产生, 其中有逆转变奥氏
表不同温度回火后的力学性能油冷淬火
回火温度
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物理测试年第期
体和非逆转变奥氏体。它们在回火冷却过程将有不同表现。
②二次回火温度选择原则有下述两种类型。一类是先低温后高温, 目的是观察时效
稳定后再于刁,温度以上处理, 利用一定量的逆转变奥氏体调整性能的效果表工艺
。另一炎是先高温后低温, 目的是在获得一定量逆转变奥氏体后再经时效稳定化表
工艺一。回火时间为一小时。
性能测试
力学性能采用国产型。吨液压万能试验机, 一记录仪, 精确测定拉伸
尸一△ 曲线。拉伸试样采用。和。两种。冲击试样为夏氏型。试样粗加工成定型毛
坯后热处理, 后精加工至定尺规格。
磁性测量采用一型直流磁性测量仪和一型数宇式残奥测定仪。试样
为小。圆柱体。
组织分析用光学显微镜和透射电镜观察, 比较了各种热处理状态的金相组织。
用磁性法一型残奥仪测定组织中残余奥氏体含量。
试验结果
基本力学性能
各种热处理状态的力学性能如表一所示。其中王温拉伸性能回火曲线见图和图
。
表不同淬火制度力学性能“ 空冷回火
。
淬火工艺
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表低温冲击韧度, ,
热处理工艺
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基本静磁性能
热处理状态的磁性测量结果见表, 矫顽力和规定晚场下磁化强度的回火曲线示于图
,
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, 年第期物理测试
表高温拉伸力学性能
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试验温度。
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图不同回火工艺的室温拉伸性能
奥氏体含量
不同热处理后的残余奥氏体含量见表。其变化规律如图。冷变形后在拉伸试样
断后的拉杆部位取样奥氏体量变化如表。
为探求回火时间与次数对逆奥量的影响, 进行了℃ 分空淬后一小时回火以及
小时一次回火试验, 测得残奥量变化规律如图所示。
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甘年第期
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图不同回火工艺的
屈强比和形变硬化指数
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回火温度, ℃
表不同热处理状态的磁性
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热处理制度
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回火温度, ℃
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图不同温度回火后的磁化强度和矫顽力
表不同温度回火后残余奥氏体含且,
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淬火冷却
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表冷变形前后逆奥含里,
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物理测试年第期
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淬火油冷, 淬火空冷, 奋二次回火
图不同温度回火后残余奥氏体含盈
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回火时间与次数对逆奥盆的影响
。金相组织
主要热处理状态的金相组织见图。显微硬度值见表。
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年第期物理测试
图钢组织
一分油悴一分油淬‘ 空冷一次
一“ 分油淬夕空冷一分油淬空冷图略
一。。。“ 分油泞十。“ 川空冷一回火组织不同区域的显微硬度压痕
一“ 。分油沂、一“ 分油锌局部未完全固溶图略
一〔。分汕污, “ 空冷一分油淬,
空冷一分油淬空冷针状逆奥
表金相组织显微硬度值
热处理工艺黑区自区平均
分油冷。。。
淬火峨回火。。婆。
淬火“ 回火一。。
显微组织中的黑区和白区显微硬度为同一水平, 故为同一组织。
针状逆转变奥氏体在一般光学显微镜下看不出, 必须在高倍电子显微镜下才可辨别。
讨论
。钢残余奥氏体含量及属性
。。钢淬火组织为板条马氏体, 这一点已为文献〔〕指明并为本试验证明。
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舰物理测试年第期
但磁性测定结果指出, 该钢淬火状态, 无论是空冷还是油冷, 甚至一℃深冷后的组织中
均有残余奥氏体存在。只有经一定温度回火后才能消除, 而获得最大的磁性。这种残余奥
氏体属于过冷奥氏体转变马氏体未完全所残留的, 可以通过回火消除。
当回火温度超过,时, 回火冷却后残余奥氏休不仅未消失, 而且有不同程度的增长,
其含量随回火温度的变化规律如图。无论是油淬还是空淬, 都在℃ 小时回火后
达到残余奥氏体量峰值。这种残余奥氏体我们认为是逆转变奥氏体。文献〔、、〕指
出, 高合金的非平衡组织在以上较低的温度范围加热过程中, 可以在板条马氏体或
板条铁素体界面上形成针状或小板条状奥氏体, 由于其与原始板条组织有严格的晶体学
位向关系故称为逆转变奥氏体。这种针状奥氏体将随温度升高或时间延长合并成球形奥氏
体, 或在形成针状奥氏休的同时形成正常球形奥氏体。高于一定温度之后只有球形奥氏体
可以存在, 并在冷却过程中转变为马氏体。本试验高于℃回火的残奥量逐渐下降就说
明, 虽然加热状态下的奥氏体总量随温度上升而增大, 但因增长的主要是球形奥氏体, 故
冷却后保留下来的逆转变奥氏体量逐渐减少。
通过多次回火和拉伸冷变形试样试验表明, 超过, 回火所得残余奥氏体具有热稳定
性好和机械稳定性差的特点。两次回火虽经两次加热冷却, 所测得的残奥量并不降低并有
不同程度的增加。拉伸变形后比变形前残奥量明显减少, 从而验证了上述所得奥氏体为逆
转变奥氏体。
电镜近万倍观察比较了淬火态、回火态℃ 、℃、℃ 小时空冷的显微
组织。在℃回火试样中, 明显看到了针状奥氏体。在℃回火试样中这种组织明显增
多图。
逆转变奥氏体对力学性能的影响
力学性能的回火曲线表明, 在出现逆奥之前, 随回火温度的升高强度下降, 塑韧性提
高, 这是以马氏体回火程度为主导所致。出现逆奥之后, 强度继续下降, 下降幅度随逆奥
一
鼠增多而增大, 而塑韧性变化不明显。这是因为这期间回火后即有回火马氏体又有新生马
氏体, 后者显然塑韧性较差, 会抵消逆奥带来的塑韧性提高。但可望通过二次回火来消除
新生马氏体的影响。在逆奥量达峰值以后氰于。℃回火强度又有回升而延伸率明显
下降是与新生马氏体含量增大有关。
逆转变奥氏体对韧性、塑性的贡献木是人们最关心的问题。资料〔、〕指出了
利用逆奥组织防脆断的效果。我们的拉伸塑变诱发相变试验反证了逆奥的相变诱发塑
性, 吸收变形能的作用。
值得指出的是, 本试验用钢的塑韧性指标均大大超过德国同类钢的水平〔〕, 从而大
大超出技术条件要求。这说明, 除逆奥外还有其他明显左右钢塑韧性的因素可以开发。
逆转变奥氏体对磁性的影响
奥氏体和合金碳化物相是顺磁性相〔‘ 。其含量多少必将影响钢的铁磁性。本试验用
钢因含碳量极低, 可忽略碳化物相的影响, 故残奥量成为主要因素。
饱和磁化强度是结构不敏感参量, 主要决定于化学成分、结晶构造和各相数量。本试
验结果表明。。钢随残奥量的增加, 饱和磁化强度降低的极好对应关系。
磁性的其他指标如导磁率卜和矫顽力。是结构敏感性参量, 更主要受组织状态等影
响〔〕, 因此他们的变化不仅受奥氏体量影响还受组织回火程度制约。本试验的结果是,
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年第期测理测试
逆奥量大或回火程度较差回火温度不够或又有新生马氏体时都表现为导磁率较低、矫
顽力较高。而在逆奥量很少, 回火组织较均匀, 再结晶较充分时油淬后, 一℃一
次回火具有最大的导磁率和最小的矫顽力。
钢的冶炼方法与纯净度对强韧性、磁性的影响
所见资料介绍钢的冶炼方法为电弧炉, 而本试验用钢为真空感应加电渣重熔的,
含碳量和杂质都很低, 故其塑韧性指标较高, 具有相当好的韧性储备。这虽然使逆奥对韧
性的改善作用相对减弱, 但却使我们认识到冶炼方法的选择十分重要, 它可以大大开发软
马氏体不锈钢具有极好塑韧性的优点, 而强度可以提高含碳量来保证。
在磁性方面, 除磷以外所有杂质均对磁性不利‘ 〕。本试验用钢的冶炼方法保证了钢中
、等含量很低, 有利磁性的保证。
热处理制度选择的合理性
淬火工艺方面本试验主要研究了油淬冷却的各种回火曲线, 空淬的只测定了残奥量
及磁性的回火曲线。油淬与空淬相比, 残奥逆奥量的增长趋势虽然相似, 但增长量及
起始增长速度不同, 磁性变化规律稍有不同, 推测其力学性能的变化规律也会有区别。
叫习空淬即可得马氏体, 这正是可简化热处理的优点所在, 故空淬后的各种回
火曲线也有重要工程意义, 有待今后补充。
淬火固溶时间研究表明, 在一℃ 范围内, 在相同条件回火后, 固溶时间长者
强度较低, 原因尚不清楚。故从工程实用出发认为淬火保温分钟即可。固溶时间延长钢
中组织变化用全自动膨胀仪测定该钢℃ 小时内的膨胀曲线, 发现小时之后曲线
完全平直不再有变化。电镜观察℃ 分淬火后组织中有细小分散相小球状, 估计
属于金属间化合物之类, 在℃固溶过程中逐渐溶解, 保温小时溶解三完了。磁性测
量结呆表明固溶半小时比三小时的导磁率略高。因而更不需要延长淬火保温时间。
回火工艺方面本试验给出了一次回火的力性、磁性和残奥的回火曲线。为验证逆奥
的热稳定性和其他性能的可调性, 尝试了油淬态的各种二次回火, 给出了上述各项性能指
标, 从而认识到可以通过二次回火大范围地调整残余奥氏体量和屈强比等指标。
回火时间与次数对性能的影响, 本试验只测定了残奥量的变化规律, 但由于钢中残
逆奥量的多少左右着力学性能及磁性的高低, 因此残奥相组织的测定具有基础性的试
验。回火时间试验结呆表明一℃回火, 随保温时间延长, 逆奥量增大较快, 小
时达最大值后平缓下降一℃回火, 起初逆奥量变化不大, 超过小时后有明显减
少。这表明在较低温度回火, 逆奥量随时间延长而增多到一定时间后趋稳定。而回火温度
较高时, 逆奥合并并转变为正常奥氏体的能力加强, 逆奥随时间延长而降低。
回火次数试验结果表明, 一℃回火每次小时, 随回火次数增加逆奥量近乎直
线规律增长, 三次以后的增量甚小, 趋于平稳。二次或多次回火温度的选择应以最后
温度较低并接近。为合理, 因为从消除应力使组织充分回复、再结晶与时效析出的作用
来看, 最后回火使组织稳定化有利于钢件的长期使用。由此看来, 本试验用钢的最后回火
温度以一℃为宜。
形变硬化指数。的测定旨在揭示属强比, 。。的怠义见图。一般认为, 从材料
使用安全性看, 屈服强度与坑拉强度相羞较大, 即屈强比值较小为好。但近代断裂研究表
明, 屈强比值较大的缺点可用提高材料断裂真应变。, 厦来弥补〔‘ 泣, 而本试验钢恰好有很
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肠物理测试年第期
高的断裂真应变值。因为, 以位错为亚结构的板条马氏体其相变时形成的位错网络在塑性
变形过程中可产生大量交滑移, 基本位错密度则不会因塑变而激增, 从而表现出加工硬化
指数小而总塑性大。另外, 可动位错的交滑移容易产生, 意味着裂纹形核处应力集中容易
缓和, 即裂纹形核后不易扩展, 从而表现出高的缺口强度、冲击韧性及断裂韧性, 有着高
的断裂应力。。
结论
钢淬火加热一℃ , 一分范围, 固溶时’ 长强度稍
低, 塑性稍高, 冲击韧性和面缩值无明显差别。
。钢淬火油、空冷后, 经℃回火开始明显出现逆转变奥氏休,
℃回火达到峰值。油淬约, 空淬约。超过。,的二次回火使逆转变量继续增
大。
。。钢可在较宽的范围内通过一次或二次回火调整力学性能。一℃
范围一次回火, 强度在℃最低, ℃最高。塑性、韧性有较大的裕量, 但屈强比
, 。不够理想。
二次回火力学性能主要决定于其中较高温度的那次回火。二次回火可在保证其他性能
要求的同时降低屈强比。
。。钢可在较宽的范围内通过一次或二次回火调整静磁性能。一
℃一次回火, 在一℃范围可有较高的磁化强度、导磁率, 较低的矫顽力, 在
℃回火磁化强度达谷值。
无论是淬火态还是回火态簇℃回火, 油淬比空淬残余奥氏体量少, 磁性较高。
采用真空感应加电渣重熔的冶炼方法, 可降低碳及杂质含量, 为大幅度提高韧性
储备创造条件。
参考资料
坦口五五五。。, ‘ , , 钢研总院摘译
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沈阳铸造研究所, 大型水轮机用不锈匆汉。材料与工艺研究, 。
郑州机械科学研究所, 马氏体不锈钢一一大型水轮机叶片用钢的研究傀
肖纪美不锈钢的金属学问题。版
宋学孟金属物理性能分析版,
武汉大学、大冶钢厂合编, 合金钢物理检验‘
。汉。变形合金性能对比内部资料
。拉伸特性分析, 内部资料