两种马氏体时效不锈钢的相变和力学性能

不锈钢

第

卷

第#

期月 %&

金

属

学

报. / %

04

1

2

3

,

/1

3

! !年

(& ) ) +, %

5% 5

6 75 8

! !

两种马氏体时效不锈钢的相变和力学性能李健纯高安娟9中南矿冶学院:

王占一

摘研究了两种成分的马氏体时效不锈钢回火时间、。

要测定了钢中回火奥氏休含量与回火温度,、

淬火温度的关系,

3

两种钢经;<℃淬火后回火

奥氏体含量随回火温度3

升高开始增加随后又下降的延长而增加,

在=<℃左右达到峰值约#>3

奥氏体含量随回火时间3

是一扩散控制过程,

奥氏体含量与淬火温度有明显关系?

在同一温<<。℃

度!

9;。℃:。℃

回火

奥氏体含量与淬火温度之间存在最低值,

两种钢各在

和

淬火后回火

其奥氏体含量下降至零值附近、

3

测定了不同淬火温度同热处理后,

回火温度

、

回火时间对钢中微观应变3

△ Α

的影响

3

经不

△

Α 3

的变化与马氏体羊奥氏体相变过程有关回火奥氏体的存在使强度下降,

分析了钢的组织与力学

性能之间的关系<ΒΧΑ6 6韧性。ΕΔ。

估计<>的奥氏休使强度损失约,

但较软的回火奥氏体沿板条状马氏体边界形成改善钢的韧性

使冲击

提高

从钢的强度和韧性的配合考虑3

,

采用适当的回火处理以产生一<>

稳定的回火奥氏体是可取的

一

、

Γ 2Φ

言3

马氏体时效不锈钢的强度和韧性在很大程度上决定于奥氏体含量

回火奥氏体和钢

中的微观应变对其强度和韧性均有影响回火奥氏体含量与淬火温度、

3

我们对两种成分的马氏体时效不锈钢研究其中、

回火温度和回火时间的关系Η测定不同热处理状态下使Ι

射线衍射线条加宽的微观应变Η并讨论回火奥氏体的形成以及回火奥氏体强度、

微观应变对

韧性的影响

3

二

、

实

验

方6 6

法3

试验用料为上海钢铁研究所提供的直径 !

热轧棒材

其成分见表

3

不锈钢

期

两种马氏体时效不锈钢的相变和力学性能

裹编号 Λ<。

试验用料的化学成分Λ/=。

,

>/7&Ν

Κ

%Μ

1Λ

冶炼工艺电弧炉Ρ电渣重熔电弧炉十自耗度熔Θ

<#<Λ

<

。

<=

Π

<

。

<<

<

。

<Ο

=<

Θ

。

;<

Λ 2

。

<

一一…Γ……。。

一

。

。

一

2 3<Ο<。

=<。

。

<

。

!#

#;

<

。

<

Ι

射线试样和拉伸试样取自同一热处理试棒Ι射线试样表面经%Σ3

%ΤΤΣ,

一

Σ

%

Τ

。

9<

?

:溶液电解腐蚀=<,

拼6

以上的表面形变层3

3

由于试样摄取的平板相9

其德拜环

是均匀连续的裂,3

因此织构的影响可不予考虑

观察结果看到马氏体,3

:<

线条没有分

:马氏体 9 1

与奥氏体 9

:线条没有重叠

说明这种超低碳马氏体是体心立方Υ钢中可能出现少量乙

结构

可以采用这一对强线条测定奥氏体与马氏体的相对含量,

相 9可由金相鉴定:。>〔,

其线条与马氏体线条重叠3

3

时效析出相和碳化物总含量小于:<,3

因此没有对第三相进行修正线条的物理加宽刀‘工:,。

测量了两种钢在不同热处理状态下马氏体 9,

9#:明?

#八川

#采用积分近似法计算微观应变〔〕 3

计算结果表

Α马氏体线条的物理加宽主要来源于微观应变△

微观应变产生的宽化。,3

与刀

《ΗΗ,#

3 3之比为<;一< !左右Η而嵌块大小 4所产生的宽化。与刀川

3之比只有<一<#左右

3

电子显微相试样由同一热处理试棒用电火花切割后

,

一一经机械化学电解减薄至可供

透射观察的薄膜

3

三Θ3

、

实验结果与讨论

回火奥氏体含 8

、

微观应变和回火温度的关系,

钢样 和五经;<℃加热 2 后淬火 9空冷:氏体含量 >与回火温度的关系见图1=<%3

然后在不同温度回火1<%回火3

,

其回火奥3

低于

,

不出现回火奥氏体3

在中

左右出现回火奥氏体含量的峰值 9约#>: ,

1在 Τ<%左右又减少至零3

图

的虚线是在回火温度停留=<%回火过程中 1

钢中实际的奥氏体含量

这可由膨胀试验确定

3

在低于

试样的收缩率表明形成了奥氏体3

,

但空冷至室温未发现马氏体相,

变

3

在=<一 <3

Τ

%

回火过程中形成了更多奥氏体 9如虚线所示:回火温度越低,,

空冷至室温过程中?

有部分奥氏体转变为马氏体变量越少1高于 Τ<%,

马氏体开始转变温度 越低

,

‘ 转

例如在=<℃回火后空冷

Ω

Ξ

Τ

Ψ

9比表#的数值低得多:3

3

加热温度

奥氏体化全部完成

3

空冷至室温奥氏体全部转变为马氏体3

因此经=<一

3

Τ<%回火后在室温测得的残留奥氏体含量为虚线下的实线部分所示 1

根据以上实验结果可以认为体边界形成见图#3

,

低于=<%、

“

%回火形成的奥氏体是稳定的

它们沿马氏,

这是由于回火过程中在马氏体边界附近一些缺陷较多的区域/Ν:,?3

通过,

扩散富集了奥氏体形成元素 9如此空冷至室温时它们是稳定的

使形成的奥氏体的 降低至室温以下,

因

1随着回火温度升高 9Ζ=<%:

回火过程中奥氏体数量

不锈钢

金

属

学?

报,

卷

增加温,

,

其中富集的合金元素逐渐贫化3

,

因而 升高至室温以上,

空冷时便有部分奥氏Μ

体转变为马氏体

当回火温度更高 9Ζ <<Ψ:3

使马氏体终止转变温度 也高于室,

全部奥氏体便转变成马氏体9,,:<、

由于这部分马氏体没有经过回火3

相变应力没有回:<,

复

,

钢中微观应变反而随回火温度的升高而增大八川和微应变△ Α#3

图Θ为马氏体 93

9#:,

线条的

物理加宽刀Τ在=<%,

随回火温度的变化,,

1低于=< 9

%回火后

由于马,3

氏体经过回复及形成的稳定的回火奥氏体中缺陷较少△ Α 有极小值

△ Α

随回火温度上升而减小,

高于=<%回火后3 3

Τ

刀

《Η。:,Η

#刀川

△ Α

都急剧增大

在

< 1 <

%左右已接近;<,

℃空冷的数值

1这说明=<一 Τ<

%

微观应变的增大确由马氏体

相变所产生

也证实图

的虚线部分

叫胆沪Θ叉回试砚已挂如暇

下的典

赫

,

?,、

3

<

Α

2

Τ

3

:

圣至室泪的残穿冷穿

Λ,

偏

:

尸

、

1Ψ

=<<

[图#

回火渴度&

,

Ψ,

图

回火奥氏体含量 与回火温度&的关系9;<℃

钢样 透射电子显微相℃淬火加=<<

淬火

Ρ

不同温度回火

:

9;<

℃回火3

:

图#和图为板条状马氏体

1 1为;<%淬火和淬火后加=Τ<%回火,

的透射电子显微相

基体组织3

马氏体中的亚组织为位错纠结3

3

回火奥氏体沿马氏体边界形成

与文

Θ的献〔〕结果相似

力学性能与回火温度的关系见图度为“1%至 则提高不到1趋势在<<

3

钢样

和兀的抗拉强度和屈服强度均在回火温6 6Δ

#<%1

时出现峰值#3

3

钢样 2的屈服强度较淬火状态提高ΘΒΧΑ刀川的变化可看出 9图Θ:9#,

Η

钢样

<ΒΧΑ 6 6

由

刀

《,?。,、

钢样 2线条变窄的,

%以前较钢样

明显,

3

强度的升高与物理加宽的变窄同时发生3

这是由于新

的析出相在高缺陷区域成核后相似显3 3

使微观应变得以部分消失,3

这一结果与文献〔〕所述中

钢样 2中形成金属化合物的元素较钢样 多,

因此时效强化和线宽变窄均较明

1当回火温度达到=<%时,

两种钢均出现过时效、

此时钢中仅含有#一Θ>回火奥3

氏体

强度的下降是由于过时效,

微观应变的下降和嵌块有所增大引起的3

;<%回火 1

产生约<>的奥氏体1的最低值出现在=#<

下面将讨论这一数量的奥氏体会引起强度的下降 ,

钢样 强度3

%回火

这时钢中含有#>的奥氏体 9奥氏体含量的最高值:

不锈钢

期

两种马氏体时效不锈钢的相变和力学性能

侧握椒飞补

ΑΜ

未二 文

一

劣一Π

2仁尹

一

令

—写口气娜侧叔拟

、

!

戈了一反已喇惑如挂沪卜

#

图

马氏体物理加宽夕

书回火温度 (。,

&%

(。),

‘刀川和微应变

图

+

钢样,透射电子显微相 ./

等

与回火温度的关系

℃淬火)

0/℃淬火 1不同温度回火‘ 2 )

由钢样 3强度与回火温度的关系可知定于钢中回火奥氏体含量由 : 4 5‘

,

,回火温度超过/ !%&以后

强度在很大程度上决经 ! 印&0 9

较软的奥氏体的增多是钢的强度下降的主要原因

回火后钢的屈服强度与最高值 ++℃回火 )相比下降了约 4 5 6 7 7 8

而冲击韧性%

则

7

6

;

7

#

上升到 / 4 5 :4 5

7 6<

;

7

#

钢样,最高的

09

值)

:

&回火

,

奥氏体消

失了征

,

09=

再次下降到&回火,

二6

7

钢样 3强度与回火温度的关系具有稍微不同的特虽然与钢样,一样奥氏体含量达到了最高值,

!

强度并不出现最低值

> )+

!

%&

和:

&%回火

,

强度继续下降

而此时奥氏体含量已显著下降了,

钢

样 3强度下降的主要原因是由于过时效引起的 它的时效作用比钢样,大 )体的软化作用部分被掩盖了

回火奥氏

钢样 3奥氏体对韧性的作用也与时效过程的作用叠加在一

起7 60 9

!%&回火<

,

?9

为 45回火的

7

< 6砰

,

与最高强化状态 + 0&回火 )相比提高 4 5 . !

二

,

但与/% !,

&

。9

值几乎一样

高于 !少&回

火

,

由于奥氏体含量下降了

,

值也下降

回火奥氏体含Α与回火时间的关系

两种钢在 .%&加热 3 2后空冷/

,

然后在/ .

=

&不同时间回火

,

回火奥氏体含量

、

不锈钢

金

属

学

报

卷

3

钢样钢样

<

七 3拓烈硒椒

。Β叨睡烈侧

七

ΒΧ各 !ΕΔ

6

口

+ !

娜侧Γ比=

Φ

Φ

‘二湘,一喊

口食工伯任划沉资Χ、。Α

Ι

Ι

Η

公二二二翻‘‘

Η

Ι

Ι

3

Ι

Ι

泛孑温度 ,

Ι℃

属术篡二之卜梦勿脚

一

图

/

力学性能随回火温度的变化

刀

)、

、 )刀川随时间的变化见图 !

两种钢回火时动力学的特征稍有差别回火 3 2后,

在/ 2以,

前

,

Κ

射线检测不出有奥氏体出现

钢样 3中出现:>的奥氏体,

而钢样

,不到 >的奥氏体

回火奥氏体的形成伴随着合金元素的迁移

因此是一扩散控制形

核一长大过程

两种钢回火动力学的差别来源于所含合金元素的差别/〔〕,

时效质点在很大其刀‘ ,,,

程度上增加回火奥氏体的初始形成速度刀川在回火%,,Λ 2后已下降到稳定数值

所以钢样亚回火奥氏体形成较早

随着回火时间的延长基本不变钢样亚时效强化作用较大,

钢样,的刀

‘,

,

、

刀 ‘

则随回火时间的延长逐渐下降

,

其强度随回火时间的变化也较明显 见图: )

这

是由于它的软化主要决定于奥氏体量的增加

强度的变化由,

时效作用和回火奥氏体的作用共同决定与奥氏体含量的增加相一致

钢样,的冲击韧性随回火时间的延长而增大

钢样亚气值随回火时间的变化不明显见图 .,

淬火通度对微观应变和回火奥氏休含Α的影晌

测定了:!少&至 合金元素增多,

%&加热 3 2空冷后钢中的微观应变△0 6

口

Κ射线分析

确定在这温度范围内淬火后不存在残余奥氏体随着淬火温度的提高由于溶入奥氏体的两种钢的马氏体开始转变温度Μ和终止转变温度ΜΝ均下降 见表 ,

,

此表数据系用膨胀法所测定 )相变比容变化较大,

在较低温度形成的马氏体

,

由于自回火作用较小0

,

而且,

马氏体中的微观应变应该较大

然而从图 .中八0 6

的变化可看到

不锈钢

期

两种马氏体时效不锈钢的相变和力学性能

#;<#<3

钢样 2钢样 2 9,, 3

Λ

<

。编盆绷Α=限￡侧才、

3毕一ΦΦ,、,、

,=硬

Τ

声‘/

3 3‘

口Λ二Λ

、、∴Γ 3

‘?

Φ、

Φ、、、

一Λ]

一Λ

3

Π

,

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刀

)

刊票至叨、岛闪任母侧Χ口

月

+< .门<

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。

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一Φ 一一口一

Ι

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ΦΦΦΦ二二二二

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一

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一

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Γ比口图侧

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。。ΧΟ

罗

2!产Ε

!

图

!

奥氏体含量和物理加宽与回火时间的关系 淬火温度//℃,

图

:

力学性能随回火时间的变化

回火温度//℃ )

加 侧很俐飞二补,=

,

一沪,口口口Φ尸

乒

&

一一 召已气浑例只似‘

了一Φ

叱,

Π

.

+

厂门Θ魏斗闷一丫匕兰一.,

豆招淬火温度

卯%七

图

.

马氏体 )

,

)衍射线的物理加宽和微应变与淬火温度的关系

不锈钢

金1在 =<一 !<%△ Α

属

学%后,

报△ Α

卷

1的变化较小Η高于 !<?

才明显增大Ω

3

这一现象可以解

释为钢中的微观应变来源于两个方面面是在升温过程中,

一方面是冷却过程中马氏体相变所产生Η另一方,

当温度超过奥氏体开始转变温度 之后,

马氏体,奥氏体相变所,

产生

3

在纯

的⊥ 5〔和⊥ 5一/Ν〔〕中已证明3

后一相变也包含非扩散的切变过程

因而在奥

氏体中产生微观应变

当然这部分微观应变较小并随淬火温度的升高而得到更充分的回

匆

估计在 !<

Τ

%左右基本消失3

在室温所测的微观应变是以上两者叠加的结果_

淬火

强度的变化规律见表Θ

可以认为淬火钢强度的提高主要来自相变所产生的微观应变3

9钢中嵌块大小 4在 9

:一=3

<

一ΩΨ

6

范围内

,

随淬火温度升漓而增大:Ω、

3

裹#淬火温度,

不同淬火通度的 样

钢样℃。

℃

ΝΛ

,冈

Λ ‘,

Λ

,

℃

Λ

℃

Λ

.ΠΠ/ , 聂

— Ε 工勺?曰日=甘Τ,月?Υ=纽

Λ

Π+

一一 , Τ‘ 3口心土三Ρ止 内,山=+叮?Γ口=曰Σ匕甘?,‘

了一一一一一∴一一一一一

,

℃.

一

/ /

Π .

./

.

表

淬火及回火钢的强度与淬火沮度的关系

0Ρ

口9

口

#

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Ω#

9;

4色6 7 7

#

45

7 6

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#

45./

67 7

45 6 7 7Π/

45 .

7 6

7

,

. .

℃ 32空冷/.

Π

/

ΠΠ /

℃3 2空冷 1

℃+ 2

.)Π

Π

Π/Π/

℃ 8 2空冷冷℃+ 2

Π!Π+

:

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Π/

.

℃32空冷 1/ .

.)

Π

Π.

℃3 2

空冷/.

Π:

!

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Π

.

℃3 2空冷

/.

℃+ 2

)

℃ 32空冷

!

+

Π

℃32空

冷

1

/.

℃+ 2

)

.

不同温度淬火后

,

在同一温度 / .%& )回火+ 2

,

回火奥氏体含量随淬火温度的

变化是很有意义的 见图Π )

钢样,

、

3分别在

,%&和Π/%&以前

随着淬火温度但是我

的升高

,

回火奥氏体含量减少到零值附近

这一结果与文献〔.〕的结果一致

不锈钢

期

两种马氏体时效不锈钢的相变和力学性能,

们发现势不同

此后随着淬火温度的升高

,

回火奥氏体含量反而增加3

3

曲线在零值两侧变化趋,

,

可以推测其变化机理是不同的

在较低温度淬火后回火

回火奥氏体的形成主3

要决定于原奥氏体 9在淬火温度时:中的成分不均匀性和晶体缺陷 =<%加热时 1,

在接近

?

,

如

马氏体,奥氏体相变产生的晶体缺陷促进了在回火过程中奥氏体形成元:Ν

素 9如%

、

/

的富集

,

因此形成较多的回火奥氏体,

3

随着淬火温度的升高

,

原奥氏

体中合金元素趋于均匀化

相变产生3

的晶体缺陷也得到更充分的回复

因此

β、浑附具侧Χ3

<αΘ<以#<<χ声, 1:

?Η一

在回火过程中不易出现与平均成分有显

一

著差别的区域少3

,

形成的回火奥氏体便减,

在!<

“

%左右,

>达到最小值?、

3

在,

更高温度淬火

由于

的下降?

形成的马氏体中存在更多的晶体缺陷9这反映为有更大的△ Α

和强度:,

3

虽

又出呱麟如挂

然高温下奥氏体成分也已均匀化

但马3

氏体相变形成更多的晶体缺陷又促进了回火过程中奥氏体形成元素的富集3

回淬火温度&,

。

%

火奥氏体含量便随着淬火温度的升高而增加

简言之在较低温度淬火主要是,3

,

图

!

回火奥氏体含量和物理加宽与淬火温度的关系9回火温度;<

原奥氏体中的成分不均匀性和缺陷促使回火奥氏体的形成3 3

℃

α

:

刀

>的下降主要与淬火温度下奥氏体中的扩散过程有关

,

因而姓>

随淬火温度的变化较大成月>3

在更高温度淬火

,

主要是马氏体中的缺陷促使回火奥氏体的形,

的增大主要与回火温度下马氏体中的扩散过程有关,

因而 >随淬火温度的变

化较缓慢

由表Θ可知度的变化值 ,3

钢样五时效强化作用较明显,

3

表中括号内的数值表示时效前后屈服强3

由图 !可看出3

两种钢的 >随淬火温度的变化颇大3

从屈服强度的变化;<Ψ回火 1

和图 !的数据可以估计出回火奥氏体对强度的影响 >

1钢样 2经Η!<Ψ淬火加6#3

近于零

回火钢的屈服强度较淬火钢提高;ΒΧΑ 63

<Α6 6“3

Τ

%淬火加

<;

“

%

回火则含#>的回火奥氏体

回火钢的强度仅比淬火钢提高6’3

ΤΒΧ

因此估计#>,

的奥氏体使强度损失约ΩΒΧΑ 6

再考虑淬火温度的升高

,

可能增强时效作用#3

但嵌兀回火3

块 4也有所增大

,

因此估计#>的奥氏体使强度损失约3

<ΒΧΑ 6 6

钢样

、

1后强度提高的峰值均出现在奥氏体含量的最低值 9各对应于淬火温度 Τ<<

%和!<%: 1

这一关系说明回火奥氏体部分地抵消了时效强化作用晶粒 9嵌块:大小、

冲击韧性的变化则由时效作用,

、

回火奥氏体等因素共同决定3

3

由前所述

沿马氏体边界形成的回火,

奥氏体的存在提高了冲击韧性所受应力集中得以松弛,

这是由于奥氏体有较好的塑性形变能力

使马氏体边界3

裂纹穿过奥氏体时也需要消耗更大的塑性形变功

综上所述

,

采取适当的回火处理制度产生一定数量稳定的回火奥氏体 9回火温度低

不锈钢

金 1于=<%:,

属3

学

报

卷,

可以调整钢的强度与韧性的配合3

例如

;<%淬火后在 16’、

;<%回火 16

,

钢中含有<>的回火奥氏体的 7

钢样 的

。7Δ,

为 !ΒΧΑ 6Θ

Ε

3为ΘΘΒΧ

ΨΑ 6,

Δ

Η

钢样 2

为

22ΒΧ

Α

6 6

“

、

Ε

为

Θ<ΒΧ3

6

ΨΑ

6

可得到强度和韧性的较好配合

其强度比一

∴般;;奥氏体不锈钢高得多

四3

、

结

论,

两种钢经;< 1淬火后在不同温度回火%,“

回火奥氏体含量随回火温度上升3

开始增加随后又下降#3

1在=<%左右达到峰值约#>%左右出现最低值3

马氏

体 9%

:<

,

9#:

线条的物

理加宽随回火温度的变化在=<

3

回火奥氏体数量与淬火温度有关3

1在同一温度 9;<

:下回火

,

回火奥

氏体数量与淬火温度之间存在最低值Θ33

回火奥氏体随回火时间的延长而增加

,

是一扩散控制过程3

3

回火奥氏体形成的3

初始速度与钢中存在的时效质点有关3

钢样 2的回火奥氏体形成的初始速度较快两种钢时效强化作用不同明显,3

分析了强度与相组织的关系,

3

钢样亚含&Ν

、

伍

%等元素较多3

时效强化作用较钢样

回火奥氏体的存在使强度下降

估计<>的回火奥氏体使强度损失约 ΤΒΧΑ,

6 6

“3

但是较软的回火奥氏体沿板条状马氏体边界形成改善钢的韧性从钢的强度和韧性的配合考虑3

使冲击韧性叭一<>的回火

提高

3

,

采用适当的回火处理制度以产生

奥氏体是可取的

9 ! ;年 月=日收到:

今δΓΣ肋 φΣΣ ,

考刀 +Σ#,,

文2 3

做Μ3

Φ,

3

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