佟雪竹，杜曉明，王子軍，李天富

(1. 沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國原子能科學(xué)研究院核物理所，北京 102413)

由于不銹鋼具有良好的耐腐蝕、抗氧化性能而被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。馬氏體沉淀硬化不銹鋼經(jīng)高溫固溶處理冷卻至室溫后，會形成過飽和固溶體，使其存在大量的過飽和淬火空位；淬火空位作為一種點(diǎn)缺陷，能夠在一定程度上提高不銹鋼的屈服強(qiáng)度[1]。17-4PH不銹鋼(0Cr17Ni4Cu4Nb)已被廣泛用于各種用途，包括油田閥門部件、化工工藝設(shè)備、飛機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)配件、泵軸、核反應(yīng)堆部件、齒輪、造紙廠設(shè)備和導(dǎo)彈配件等[2-3]。由于Fe-Cr合金長期在300～550℃條件下服役時會發(fā)生調(diào)幅分解，分解產(chǎn)生富Cr的α′相為致脆相；隨著服役時間的延長，調(diào)幅分解更加完全，使α′相的數(shù)量和尺寸不斷增加，由于α′相與基體不共格而引起基體晶格畸變，導(dǎo)致合金材料發(fā)生脆化[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者為研究馬氏體沉淀硬化不銹鋼的致脆機(jī)理做了大量實驗，Wei You等[6]通過拉伸、沖擊等試驗揭示了17-4PH不銹鋼的脆化主要由長期時效過程中δ-鐵素體基體中的沉淀硬化引起。Murayama M等[7]研究了17-4PH不銹鋼在400℃長期時效后的組織演變，發(fā)現(xiàn)在540℃回火4h后，馬氏體相中開始析出富Cu相；在此階段，馬氏體中Cr濃度仍然均勻，但在400℃時效5000h后馬氏體組織發(fā)生調(diào)幅分解，且有G相析出。王鈞等[8]研究了在350℃長期時效過程中17-4PH不銹鋼的動態(tài)斷裂韌性，結(jié)果表明，隨著時效時間的延長，動態(tài)斷裂韌度逐漸下降，合金發(fā)生脆化。本文按照17-4PH不銹鋼的合金成分設(shè)計Fe-17Cr-Ni-Cu模型合金，并通過示波沖擊實驗對Fe-17Cr-Ni-Cu模型合金的時效脆化行為進(jìn)行研究。

1 實驗方法

根據(jù)Fe-Cr二元合金相圖，設(shè)計Fe-17Cr-Ni-Cu模型合金，研究其調(diào)幅分解過程及致脆機(jī)理。本實驗采用真空感應(yīng)爐在1600℃下熔煉2h，熔煉后澆注成鑄錠；將試樣進(jìn)行均勻化處理后，熱軋成20mm厚的板坯，再用線切割機(jī)將樣品切割；最后將樣品在真空條件下加熱到1050℃，保溫2h后用飽和食鹽水進(jìn)行淬火。對淬火后的樣品分別進(jìn)行475℃、500℃和540℃時效500h的熱時效處理。

使用線切割機(jī)加工沖擊實驗的試樣缺口，在示波沖擊機(jī)(美國Instron公司)上完成沖擊實驗。使用TESCAN MAIA超高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本高新公司)，觀察沖擊試樣的微觀組織和斷口形貌，在HVS-50型數(shù)顯維氏硬度計(萊州恒儀公司)上檢測試樣硬度值。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 微觀組織分析

圖1為未經(jīng)時效處理和在不同溫度下時效500h后樣品的微觀組織。

圖1 不同時效溫度下樣品的SEM圖

在圖1中可以看出，其組織均為板條馬氏體，但未經(jīng)時效處理的樣品馬氏體板條組織并不明顯，隨著時效溫度的升高，板條馬氏體組織越來越均勻，同時存在塊狀的析出相。在時效后的SEM圖中能明顯看到析出的第二相，當(dāng)時效溫度升高到540℃時，在原奧氏體晶界處有亮白色球狀析出相出現(xiàn)(圖1d左下角局部放大圖)。這主要是由于晶界處的缺陷較多，能夠為析出相形核提供能量，且此球狀第二相的析出在一定程度上提高了模型合金的韌性。

在圖1的掃描電鏡圖中不難發(fā)現(xiàn)，其經(jīng)過時效后的基體上存在著許多被白色光圈包裹的黑色析出物，為進(jìn)一步探究析出物的化學(xué)成分，對其進(jìn)行能譜檢測分析。圖2為475℃下時效500h的微觀組織和能譜圖。

圖2 475℃時效500h的微觀組織和能譜圖

經(jīng)能譜儀(EDS)檢測數(shù)據(jù)顯示，塊狀析出相為富Cr鐵素體相，其外圈的白色光圈為富Fe的鐵素體相。這主要由于調(diào)幅分解過程是通過溶質(zhì)原子從低濃度向高濃度進(jìn)行上坡擴(kuò)散，使Cr原子不斷富集[9]。從圖2a可以看出，在時效500h后調(diào)幅分解所產(chǎn)生的富Cr鐵素體呈較為明顯的立方塊狀，此時Cr元素的富集程度高達(dá)93.37%。富Cr鐵素體的析出能提高鋼的屈服強(qiáng)度，使鋼產(chǎn)生脆化效應(yīng)，從而降低合金鋼的使用壽命。

2.2 時效溫度對硬度的影響

圖3為未經(jīng)時效處理(0#)和在475℃(1#)、500℃(2#)、540℃(3#)時效500h后試樣的維氏硬度柱狀圖。在圖3中可以看出，硬度值呈先升高后下降的趨勢，在475℃下時效500h硬度值最高，時效溫度繼續(xù)升高，硬度值不斷下降。由于馬氏體沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要為相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化及晶界強(qiáng)化，通過獲得板條馬氏體進(jìn)行組織強(qiáng)化，同時析出的第二相對基體產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化[10]。在時效過程中，過飽和的馬氏體在不斷析出沉淀相的同時還會發(fā)生調(diào)幅分解過程，調(diào)幅分解過程中析出的富Cr鐵素體也會對合金起到硬化作用，使模型合金在475℃下時效后硬化效果達(dá)到最佳。時效過程中還可能會產(chǎn)生逆變奧氏體，逆變奧氏體能夠提升合金鋼的韌性，但同時也會降低鋼的硬度。時效溫度不斷升高，析出的第二相不斷聚集長大，也會減弱合金的硬化作用，在一定程度上提高鋼的韌性。

圖3 不同時效溫度下樣品的維氏硬度值

2.3 示波沖擊實驗分析

2.3.1 斷口形貌分析

圖4為經(jīng)過不同時效處理后試樣的沖擊斷口形貌。

圖4a中斷口形貌呈現(xiàn)出一定方向的撕裂韌窩，表明合金在未經(jīng)時效處理時的沖擊斷裂方式為韌性斷裂。圖4b的斷口形貌呈河流解理花樣；解理斷裂是裂紋起源于靠近晶界的晶粒內(nèi)部，并沿一定的晶體學(xué)平面擴(kuò)展而導(dǎo)致的脆性斷裂。圖4c、4d均為等軸韌窩，韌窩的大小、深淺不均勻，并能在韌窩底部看到形狀不規(guī)則的第二相粒子。從斷口形貌上看，475℃時效500h的樣品為脆性斷裂，隨著時效溫度的升高由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，這主要是由于第二相粒子的不斷聚集與長大、富Cr的鐵素體分解以及逆變奧氏體的產(chǎn)生，導(dǎo)致合金的韌性不斷增強(qiáng)。

圖4 沖擊斷口形貌

2.3.2 動態(tài)斷裂韌度變化規(guī)律

在動態(tài)斷裂過程中，可將總沖擊功(Et)分為裂紋萌生功(Ei)和裂紋擴(kuò)展功(Ep)[11]。沖擊韌性的大小主要取決于裂紋擴(kuò)展功，裂紋擴(kuò)展的快慢表征了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力；裂紋擴(kuò)展功越大，說明裂紋擴(kuò)展速度越慢，材料的韌性越好。圖5為不同時效溫度下總沖擊功和裂紋擴(kuò)展功的變化趨勢。

圖5 不同時效溫度對應(yīng)的Ep和Et值

從圖5中可以看出，未經(jīng)時效處理的樣品裂紋擴(kuò)展功較高，說明裂紋產(chǎn)生后，裂紋擴(kuò)展速度緩慢，合金具有較好的韌性。對樣品進(jìn)行時效處理后發(fā)現(xiàn)，在475℃時效500h時裂紋擴(kuò)展功和總沖擊功最小，此時合金的韌性最差；表明合金韌性在時效過程中有所降低，這主要是由于此過程中鐵素體發(fā)生調(diào)幅分解產(chǎn)生致脆的α′相，此相呈現(xiàn)立方塊狀(圖4b)。當(dāng)時效溫度繼續(xù)升高，裂紋擴(kuò)展功和總沖擊功逐漸增大，表明裂紋擴(kuò)展速度不斷減慢，合金韌性越來越好。由此可以看出，合金在475℃時效500h后產(chǎn)生了明顯的脆化行為。

斷裂韌度反映材料抗斷裂的能力，是材料韌性的主要表征，與材料斷裂的變形能力有關(guān)，與裂紋擴(kuò)展后裂紋運(yùn)動所消耗的能量無關(guān)[3]。采用式(1)和式(2)可以計算出示波沖擊試驗測試材料的動態(tài)斷裂韌度KId值[11-12]。

JId=ηEi/B(W-a)

(1)

(2)

式中：η為試樣幾何尺寸常數(shù)(缺口深度a/W=0.2的淺裂紋試樣，η取值1.45)；B為試樣厚度，mm；W為試樣寬度，mm；a為裂紋長度，mm；Ei為起裂點(diǎn)對應(yīng)的沖擊吸收能量，J；υ為泊松比。圖6為動態(tài)斷裂韌度KId隨時效溫度的變化規(guī)律。

從圖6中可以看出，隨著時效溫度的升高，動態(tài)斷裂韌度呈先下降后上升的趨勢，這與圖5的總沖擊功和裂紋擴(kuò)展功的變化趨勢一致。表明未經(jīng)時效處理的試樣具有較好的韌性；開始時效處理后，韌性先降低再升高。這主要是由于未經(jīng)時效處理的樣品馬氏體組織不均勻且沒有第二相析出，所以具有較好的韌性；而在475℃時效時，產(chǎn)生了富Cr的α′相，導(dǎo)致合金的韌性急劇下降。

圖6 不同時效溫度的動態(tài)斷裂韌度

3 結(jié)論

(1)時效溫度越高，板條馬氏體組織越均勻，且時效過程中第二相粒子更易從原奧氏體晶界處析出。

(2)時效處理能提高材料的硬度，但隨著時效溫度的升高，產(chǎn)生的逆變奧氏體降低了時效過程對合金的強(qiáng)化作用。

(3)在475℃時效時模型合金的動態(tài)斷裂韌度(KId)最低，表明模型合金在時效處理過程中先發(fā)生了時效脆化，當(dāng)時效溫度由475℃升高到540℃，合金的韌性得到改善，模型合金的KId值連續(xù)增大。