閆 卓

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

沉淀硬化不銹鋼一般采用馬氏體相變和沉淀硬化機理，使鋼獲得高強度和高塑性韌性并兼有良好的抗腐蝕能力、加工和焊接性能。沉淀硬化不銹鋼彌補了奧氏體不銹鋼強度不足和馬氏體不銹鋼的抗腐蝕能力不足等缺點。X5CrNiCuNb16-4為一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，主要應(yīng)用于既要求耐弱酸又要求耐堿和鹽腐蝕的高強度部件，作為軸流壓縮機葉片的常用材料，目前已經(jīng)拓展到低溫工況中使用。本文采用國家標準GB/T 8732中推薦的熱處理工藝參數(shù)對X5CrNiCuNb16-4進行熱處理后，測試其力學性能，并對不同溫度下的夏比V型缺口進行沖擊試驗，通過沖擊斷口形貌分析，獲得不同試驗溫度下的剪切斷面率和側(cè)向膨脹量，以期最終確定現(xiàn)有熱處理工藝參數(shù)下的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。軸流壓縮機應(yīng)盡量在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上使用，以保證長期穩(wěn)定運行[1]。

1 熱處理工藝及力學性能

X5CrNiCuNb16-4材料的熱處理方式為固溶化、調(diào)整和時效處理。固溶化處理溫度的高低取決于鋼的化學成分，為了得到奧氏體組織，以便快速冷卻后得到馬氏體組織，Ni含量較高時，Ac1點很低，固溶溫度也可以較低；Ni含量高于4%時，Ac1點降低到700 ℃以下[2]，高熔點碳化物如NbC、TiC等溶入奧氏體需加熱到更高溫度，富Cu相溶于奧氏體卻可在較低溫度。為了在室溫下得到全部馬氏體組織，固溶化處理后可進行奧氏體狀態(tài)調(diào)整，稱為調(diào)整處理，以控制馬氏體相變，這是該鋼的主要特征。該處理可以采用各種工藝方法以適應(yīng)最終力學性能要求，其實質(zhì)是通過Cr的碳化物、金屬間化合物、氮化物等析出，使奧氏體基體中碳和其他元素含量降低來升高Ms和Mf點。時效處理的目的是產(chǎn)生細小、彌散分布的沉淀相，以便獲得盡可能高的強度和良好韌性匹配。

本文使用的試驗鍛件為電爐冶煉和電渣重熔后鍛造而成，鍛造比為5.5，始鍛溫度為1150～1180 ℃，終鍛溫度為850～900 ℃，鍛造后尺寸為φ100 mm×600 mm，鋼的化學成分如表1所示。為了避免試驗鍛件在熱處理過程中產(chǎn)生開裂，熱處理前進行粗加工，保證表面粗糙度Ra12.5 μm。擬選用國家標準GB/T 8732汽輪機葉片用鋼中推薦的熱處理工藝參數(shù)，采用固溶化、調(diào)整和時效的工藝方法。由于固溶化處理過程中表面和心部溫差較大，存在一定的熱應(yīng)力，因此在850 ℃設(shè)定均溫保持1 h。在1050 ℃固溶化保溫2 h，820 ℃調(diào)整保溫2 h，560 ℃時效保溫4 h，工序之間保證一定的間隔時間，待試樣表面恢復(fù)到室溫再進行下一步熱處理[3]，熱處理工藝如圖1所示。

表1 試樣的實測化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The measured chemical compositions of samples(mass fraction,%)

圖1 標準推薦熱處理工藝參數(shù)Fig.1 Standard recommended heat treatment process parameters

熱處理后先用線切割機切取縱向力學性能試樣，按國家標準要求在距離表面1/3半徑處截取拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣。拉伸試樣為5倍標距試樣，加工成標距為30 mm、平行部分直徑為6 mm的圓棒狀拉伸試樣，并在RAS250萬能試驗機上按標準GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》要求進行拉伸試驗；按標準GB/T 231《金屬布氏硬度試驗方法》要求進行布氏硬度檢驗，試樣的強度、硬度和塑性數(shù)據(jù)如表2所示。

按標準GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》要求進行沖擊試驗，試樣為夏比V型缺口，缺口深度為2 mm，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為室溫、-40、-50、-60、-70和-75 ℃。每組低溫沖擊試驗包括3個沖擊試樣，低溫沖擊采用液氮和酒精混合的方法獲取低溫環(huán)境，沖擊試樣從冷介質(zhì)中迅速取出并進行試驗。不同低溫下的夏比V型缺口沖擊功、脆性斷面率、剪切斷面率和側(cè)向膨脹量數(shù)據(jù)如表3所示。

從表2可以看出，三組試樣的力學性能數(shù)據(jù)接近，表明材料組織成分相對均勻；從表3可以看出，隨著試驗溫度的降低，材料的沖擊功呈下降趨勢，從-60 ℃開始下降更為明顯。

對于材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定，國家標準和美國標準有一定的差異，其中GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》附錄C內(nèi)容，50%FATT對應(yīng)的溫度為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，即剪切斷面率為50%，測量斷口閃亮部分的長度和寬度，為解理斷裂部分，并將斷口部位放大，如圖2所示。而ASME第八卷中則規(guī)定，夏比V型缺口沖擊試樣的斷口側(cè)向膨脹量為0.40 mm時，對應(yīng)的試驗溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)表3實測的剪切斷面率和側(cè)向膨脹量，兩種標準的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均約為-75 ℃。

表2 熱處理后試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of samples after heat treatment

表3 熱處理后試樣沖擊韌性Table 3 The impact ductility of sample after heat treatment

圖2 剪切斷面率的百分比尺寸Fig.2 The percentage size of shear section ratio

2 顯微組織和沖擊斷口形貌

將硬度試樣打磨、拋光后進行腐蝕，采用光學顯微鏡進行顯微組織觀察，如圖3所示。顯微組織主要為細小均勻的板條狀回火馬氏體，析出物在晶界處聚集，存在一定量的第二相顆粒狀析出物，主要是富銅相和碳化物[4]，有效地釘扎在晶界處，阻止晶粒長大。晶界處不同晶粒存在位向差，會發(fā)生多滑移機制，導致位錯的相互交割；尤其是經(jīng)過調(diào)整處理后，晶粒數(shù)目增多，晶界面積明顯更大，在拉伸和沖擊過程中，位錯受到的阻力更大，是材料同時獲得高強度和良好韌性的主要原因[5]。

圖3 熱處理后試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of sample after heat treatment

(a)-75 ℃斷口；(b)室溫斷口圖4 沖擊斷口形貌(a) fracture in -75 ℃；(b) fracture in room temperatureFig.4 The morphology of impact fracture

采用掃描電鏡觀察室溫和-75 ℃沖擊斷口形貌，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，斷口形式為準解理+韌性斷口，存在一定的解理絲，沖擊功略低；圖4(b)完全為韌性斷口，有一定數(shù)量的韌窩，是沖擊功較高的原因。

3 結(jié)論

1)熱處理后X5CrNiCuNb16-4材料的沖擊韌性隨著試驗溫度的降低呈降低趨勢，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度附近降低明顯；

2)夏比V型缺口沖擊功、剪切斷面率、側(cè)向膨脹量三者為正比關(guān)系；

3)在現(xiàn)有冶煉方法和熱處理參數(shù)下，X5CrNiCuNb16-4材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-75 ℃，應(yīng)保證葉片使用工況高于該溫度。