張潔溪，方 雅，王 璇

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000）

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用馬氏體鋼包殼管材的外徑為12 mm、壁厚0.8 mm，經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔→1 160 ℃多道次熱鍛→1 160 ℃熱擠壓→精整+中間多道次冷軋→最終冷軋成管。本文所選用的材料是在HT9 馬氏體鋼的基礎(chǔ)上添加了0.15 mass%Nb、并對V 和W 等微量元素的含量進(jìn)行調(diào)整，具體成分如表1 所示。

采用 Bruker D8 Focus X 射線衍射儀（Cu Ka 輻射，l=0.154 06 nm）檢測熱處理合金樣品的結(jié)構(gòu)；利用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡（OM）觀察微觀組織，選用FeCl3·6H2O（5 g）+HCl（25 mL）+C2H5OH（25 mL）腐蝕液，利用FEI Nova NanoSEM-400 掃描電鏡和JEOLJSM-6700F 場發(fā)射透射電鏡進(jìn)一步表征其微觀組織和第二相析出粒子的結(jié)構(gòu)，選用10%高氯酸+90%冰乙酸雙噴液；樣品在MTS810 拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫和高溫600 ℃下的拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸樣品的標(biāo)距為25 mm，拉伸速率為1.5 mm/min；使用Image-J 軟件對晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，晶粒尺寸采用手動統(tǒng)計(jì)測量多個(gè)晶粒取平均值，體積分?jǐn)?shù)通過測定析出相區(qū)域面積分?jǐn)?shù)來代替體積分?jǐn)?shù)。此外，采用JMatPro 軟件對本工作采用的成分合金進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算。

表1 Fe-12Cr 馬氏體鋼包殼管材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

采用JMatPro 軟件計(jì)算Fe-12Cr 馬氏體鋼的析出相隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)材料在900～1 200 ℃較寬的溫度范圍保溫后淬火會得到全部的馬氏體組織；而在700～800 ℃的較低溫度范圍內(nèi)時(shí)，析出相主要為M23C6 和M（C，N）碳化物，析出相的體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，分別約為4%和0.2%。當(dāng)溫度低于650 ℃時(shí)，還會有少量Laves 相析出，且隨溫度降低，含量逐漸升高。

2.2 不同熱處理狀態(tài)下的微觀組織演化

Fe-12Cr 馬氏體鋼包殼管材冷軋及在不同溫度下保溫30 min 和15 min 后的微觀組織，如圖1 所示。可以看出，在未經(jīng)正火處理的冷軋態(tài)下，合金中存在大量的碳化物粒子；當(dāng)在980～1 050 ℃下保溫30 min 后，大量析出的碳化物粒子可以重新固溶于奧氏體中，經(jīng)水淬后，形成馬氏體組織。隨正火溫度的升高，碳化物粒子的殘存量越來越少，至1 050 ℃下，只存在極少量碳化物粒子。另外，對形成馬氏體的原奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，原奧氏體晶粒尺寸會隨正火溫度升高而增加，在980 ℃×30 min 時(shí)，原奧氏體晶粒尺寸約為9 μm，在1 050 ℃×30 min 時(shí)，晶粒尺寸增加至12 μm。研究表明，原奧氏體晶粒尺寸會對馬氏體鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，尺寸越大，強(qiáng)度和塑性均越低。此外，在抑制奧氏體晶粒過大的同時(shí)，需要讓粗大碳化物粒子回溶至奧氏體中，以此保證馬氏體鋼獲得最優(yōu)的力學(xué)性能。對不同正火溫度處理的馬氏體鋼中碳化物粒子的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明隨溫度的升高，碳化物粒子體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，說明碳化物逐漸重溶至奧氏體中，在1 050 ℃下保溫15～30 min 時(shí)，碳化物粒子體積分?jǐn)?shù)僅為0.15%左右。

2.3 室溫和600 ℃下包殼管材的拉伸性能

對不同溫度回火處理后的管材樣品分別進(jìn)行了室溫和高溫600 ℃下的拉伸性能測試，樣品在不同溫度回火2 h 后的力學(xué)性能如表2 所示。表2 列出了合金的屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm和伸長率A?？梢钥闯觯覝叵聵悠返膹?qiáng)度隨著回火溫度的提高逐漸降低，屈服強(qiáng)度由730 ℃回火時(shí)的696 MPa 降低至790 ℃回火時(shí)的561 MPa；在760 ℃回火時(shí)，樣品的屈服強(qiáng)度為641 MPa，略低于730 ℃回火時(shí)的強(qiáng)度。高溫600 ℃下的拉伸測試結(jié)果表明回火處理后的強(qiáng)度隨回火溫度升高略有降低，但降幅不大，其中屈服強(qiáng)度為230～270 MPa，且730 ℃回火和760 ℃回火處理的性能相差不大，屈服強(qiáng)度約為260 MPa。此外，760 ℃回火處理的樣品在600 ℃下具有出更優(yōu)異的拉伸塑性，其伸長率為40%，高于730 ℃和790 ℃下回火處理的樣品性能。推測因?yàn)樵?60 ℃回火處理后，馬氏體板條間的碳化物粒子仍保持在非常細(xì)小尺寸的彌散析出，納米碳化物粒子的粗化現(xiàn)象不明顯，從而使得760 ℃回火處理后的管材試樣在保持高強(qiáng)度的同時(shí)仍具有非常好的塑性。

圖1 Fe-12Cr 馬氏體管材鋼在冷軋態(tài)及不同溫度正火處理后的微觀組織（OM 和SEM）

表2 樣品在不同溫度回火2 h 后的力學(xué)性能

3 結(jié)論

冷軋態(tài)下，合金馬氏體基體中存在粗大的碳化物粒子，經(jīng)980～1 050 ℃正火處理15～30 min 后，粗大碳化物粒子會重溶于基體中；隨著正火溫度的升高，碳化物粒子含量逐漸減少，至1 050 ℃時(shí)，體積百分?jǐn)?shù)僅約為0.13%；原奧氏體晶粒尺寸會產(chǎn)生粗化，從980 ℃的9 μm 增至1 050 ℃的12 μm；1 050 ℃×15 min 正火處理可使得合金保持較小的原奧氏體晶粒尺寸，確保粗大碳化物粒子充分溶入到馬氏體基體中。

馬氏體包殼管材最佳的熱處理工藝為1 050 ℃×15 min正火+760 ℃×2 h 回火處理，此時(shí)表現(xiàn)出最佳的力學(xué)強(qiáng)度和塑性，在室溫下的屈服強(qiáng)度為852 MPa，伸長率為24%；在高溫600 ℃下的屈服強(qiáng)度為270 MPa，伸長率為40%。