欒威威，李 寧

（1.沈陽(yáng)科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110101；2.沈陽(yáng)科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110101）

05Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，它是在Cr17系列不銹鋼基礎(chǔ)上，加入Cu、Nb等強(qiáng)化元素，通過(guò)馬氏體相變強(qiáng)化以及在400-650℃內(nèi)時(shí)效析出ε-Cu，NbC，M23C6等碳化物強(qiáng)化相而產(chǎn)生沉淀硬化效果[1]。該鋼種含碳量低，鉻含量高，具有高強(qiáng)耐蝕耐氧化等特性，以及優(yōu)良的成型性和可焊性等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于石油化工、航天航空、核工業(yè)等領(lǐng)域，以及在使用溫度不高于 370 ℃的要求不銹性及耐弱酸、堿、鹽腐蝕又要求高強(qiáng)度的部件，包括軸、齒輪等傳動(dòng)裝置件以及螺栓等緊固件，閥、泵等機(jī)器部件[2-6]。

由于05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的高合金含量特點(diǎn)，其化學(xué)成分組成對(duì)鋼的組織性能影響也不同。楊剛[7]等人研究了不同Ni含量對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼富銅相析出的影響，表明Ni可以提高了Cu在γ相區(qū)的溶解度，延緩了固溶后爐冷過(guò)程中的富銅相析出，降低了Cu在鋼中的擴(kuò)散激活能。王劍星[8]等人研究了Cu含量對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb鋼時(shí)效后的力學(xué)性能和組織的影響，研究表明鋼中Cu含量增加,對(duì)該鋼Ac3無(wú)顯著影響，Ac1下降，Ms點(diǎn)上升，Mf點(diǎn)下降；鋼中Cu含量高時(shí)，鋼的強(qiáng)度、硬度較高，塑性略低。楊鋼[9]等還研究了Nb含量對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼組織與力學(xué)性能的影響，隨Nb含量的增加，該材料強(qiáng)度增加，塑性降低；隨時(shí)效溫度的升高，強(qiáng)度下降。鑒于該鋼種的化學(xué)元素Cr含量高達(dá)至15%～17.5%，Cr元素對(duì)該材料的性能和組織影響較為突出，因此文章主要研究了Cr成分變化對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb 沉淀硬化型不銹鋼材料組織和力學(xué)性能的影響。的鋼錠，其詳細(xì)化學(xué)成分如表1所示。所有鋼錠經(jīng)1T鍛錘鍛制，開(kāi)鍛溫度為1120℃～1160℃，鍛錘開(kāi)坯成65×65×Lmm方形坯料，鍛后采用爐冷緩慢冷卻。隨后對(duì)不同成分的坯料進(jìn)行相同的熱處理實(shí)驗(yàn)，熱處理工藝如表2所示。

熱處理完成后，將不同成分的坯料加工成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣、直徑為12.5mm，標(biāo)距50mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和沖擊試樣，采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀(guān)察，采用CMT4000型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)和PTM2000沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和沖擊韌性測(cè)試，對(duì)Cr含量和試樣組織及性能之間的關(guān)系進(jìn)行討論。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用料選用規(guī)格為250×250×600mm的1.5T真空感應(yīng)爐（ZG-1.5L/B）熔煉成的Cr含量分別為15.51%、16.57%和17.03%

圖1為不同Cr含量05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼熱處理后的組織照片，從試樣的微觀(guān)組織照片可以看出，鋼坯經(jīng)過(guò)1040℃固溶+580℃時(shí)效處理后的組織主要由板條馬氏體+少量塊狀鐵素體組成。對(duì)比不同Cr含量發(fā)現(xiàn)：當(dāng) Cr含量為15.51%時(shí)，該材料微觀(guān)組織則幾乎看不到鐵素體組織的存在，隨Cr含量的增加，鐵素體量逐漸增加，當(dāng)Cr含量達(dá)到17.03%時(shí)，組織中出現(xiàn)的鐵素體量增加明顯，這些鐵素體呈塊狀和條狀形態(tài)分布。

表3所示為不同Cr含量坯料力學(xué)拉伸性能和沖擊性能結(jié)果，可以看出，A、B、C成分的鋼錠在相同熱處理工藝制度固溶時(shí)效后，材料在各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)差異性，其中Cr含量為15.51%成分的鋼錠的材料延伸率和沖擊等力學(xué)性能指標(biāo)明顯優(yōu)越于其他Cr含量的鋼錠。這是因?yàn)镃r含量較低，當(dāng)該材料熱處理后，材料獲得了均勻的板條馬氏體基體，且微觀(guān)組織中幾乎看不到鐵素體組織的存在。進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)時(shí)，材料的沖擊韌性受到鐵素體的影響較大，當(dāng)Cr元素含量為15.51%時(shí)，此時(shí)鐵素體含量低，材料的基體連續(xù)性和均勻性較好，因而材料的沖擊韌性也較高。Cr元素的存在，大大提升了05Cr17Ni4Cu4Nb材料的熱處理淬火效果，當(dāng)Cr元素含量增加時(shí)，該材料的熱處理效果也在提升，所以該材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度也在隨著Cr元素的增加而不斷提高。而微觀(guān)組織顯示，隨著05Cr17Ni4Cu4Nb材料的Cr元素含量的增加，鐵素體組織的數(shù)量也在逐步提升，且當(dāng)Cr元素增加到17.03%時(shí)，該材料的微觀(guān)組織中，出現(xiàn)了大量的塊狀和條狀的鐵素體，這些鐵素體以第二相的形式摻雜在板條馬氏體基體中，并且大量的分布在晶界處，進(jìn)一步弱化了晶界的承受載荷，增加了晶界處應(yīng)力敏感度。此時(shí)鐵素體數(shù)量多，且條形和塊狀的鐵素體存在形態(tài)也不理想，使得材料的韌性下降，導(dǎo)致了材料的沖擊缺口敏感性降低，使得測(cè)得的實(shí)驗(yàn)沖擊功也較低，且沖擊功實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不平行。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的化學(xué)成分（wt%）

表2 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的熱處理工藝

圖1 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼熱處理后的組織照片（×500倍）（a）Cr含量為15.51%的組織照片（b）Cr含量為16.57%的組織照片（c）Cr含量為17.03%的組織照片

表3 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的拉伸性能結(jié)果

此外，當(dāng)承受外界牽引拉力載荷時(shí)，材料會(huì)自主的選擇存在鐵素體分布的晶界處應(yīng)力集中、形成裂紋和裂紋擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，形成永久性破壞斷裂，從而導(dǎo)致了材料的延伸率指標(biāo)呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，Cr元素含量為15.51%的05Cr17Ni4Cu4Nb材料具有良好的金相組織，組織主要為半條馬氏體，幾乎看不到鐵素體的存在；

（2）Cr元素含量為15.51%的05Cr17Ni4Cu4Nb材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能稍低于Cr含量較高的其他。

（3）與其它05Cr17Ni4Cu4Nb材料對(duì)比可知，Cr含量為15.51%的合金具有更好的沖擊韌性等力學(xué)實(shí)驗(yàn)性能，材料的微觀(guān)組織也更加均勻，且鐵素體數(shù)量和形態(tài)控制的更加理想，有利于材料的力學(xué)性能。