關(guān)鍵詞：馬氏體不銹鋼；淬火溫度；鉻含量；高溫鐵素體；顯微組織

0 前言

馬氏體不銹鋼由于具有優(yōu)良的強韌性和耐腐蝕性，因此廣泛應用在航天航空、軍工等高端產(chǎn)業(yè)。鉻元素作為馬氏體不銹鋼中最主要的合金因素之一，其含量對于不銹鋼的各種性能都有影響。對于力學性能而言，鉻作為一種鐵素體形成元素，其含量影響著鐵素體的生成，而在馬氏體不銹鋼中存在鐵素體相會極大的影響不銹鋼的力學性能。對于腐蝕性能而言，鉻的提升有利于不銹鋼生成更加完整的鈍化膜，進而提高不銹鋼的腐蝕性能。姜雯等人對熱處理制度對不同鉻含量不銹鋼組織性能的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)鉻元素作為鐵素體形成元素，主要通過鐵素體的生成進行影響不銹鋼的組織和性能。

對于鋼鐵材料來說，在滿足冶煉條件的情況下，例如合金成分、夾雜物等，熱處理工藝是影響顯微組織的最主要因素，進行影響材料的各種性能。而淬火加回火的熱處理工藝作為生產(chǎn)馬氏體不銹鋼的必要流程很大程度上影響最終產(chǎn)品的性能。Zou等人研究了淬火溫度對00Cr13Ni5Mo2超級馬氏體不銹鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)淬火溫度對組織的組織影響主要通過改變晶粒尺寸產(chǎn)生。通過對前人文獻結(jié)果中淬火溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響進行總結(jié)，可以知道隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸一般呈變大的趨勢，相對應的晶粒尺寸造成的細晶強化也會有所降低，因此應當避免過高的淬火溫度。同樣淬火溫度也不能過低，要能滿足奧氏體化的情況下，使得析出物完全固溶入基體中。

本文以某鋼廠所生產(chǎn)的馬氏體不銹鋼為例，該成品具有優(yōu)良的力學性能，其抗拉強度達到900 MPa， 屈服強度達到600 MPa， 伸長率達到20%，但是存在耐蝕性差的問題。為提高不銹鋼的耐蝕性，在冶煉時提高鋼中的鉻含量，但是又會產(chǎn)生熱軋過程中碎邊的現(xiàn)象，而熱軋過程中需加熱至軋制溫度后冷卻，與熱處理過程中淬火過程類似，因此本文將針對淬火溫度對不同鉻含量的馬氏體不銹鋼組織性能的影響進行了研究，對比分析晶粒尺寸、組織和力學性能之間的相互影響，最后得出了以提升性能為目標的最佳淬火溫度。

1 實驗材料和研究方法

實驗用鋼采用某鋼廠生產(chǎn)的熱軋成品板，2種不銹鋼區(qū)別只有鉻含量的不同，具體的化學成分如表1所示。不銹鋼鑄坯的厚度都為180 mm， 經(jīng)過多道次軋制后13%Cr熱軋板的厚度為3 mm左右，14%Cr熱軋板厚度為2 mm左右，沿軋制方向采用線切割切取合適的尺寸后進行實驗。實驗使用激光高溫共聚焦顯微鏡對13%Cr和14%Cr馬氏體不銹鋼樣品進行淬火溫度為900、1 000、1 100、1 200 ℃下的原位奧氏體化觀察，比較不同條件下試樣的晶粒尺寸。實際熱處理實驗選取1 000、1 100、1 200 ℃為淬火溫度，升溫速率為7 ℃/min， 淬火保溫時間為30 min， 空冷；回火溫度選取600 ℃，回火保溫時間為90 min， 空冷。

將淬火后樣品以及后續(xù)回火后的樣品熱鑲后，進行磨拋處理，采用10 mL鹽酸+10 mL硝酸+20 mL去離子水配制的腐蝕溶液侵蝕樣品組織，并使用ZEISS光學顯微鏡（OM）和ZEISS Sigma 300掃描電鏡（SEM）進行組織表征。采用高錳酸鉀、濃硫酸和水混合溶液對不同淬火溫度下樣品的原始奧氏體晶界進行顯示，采用截線法統(tǒng)計淬火溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響。采用HV1000Z顯微硬度計和DNS系列萬能試驗機參考《GB/T 4340—2009 金屬材料 維氏硬度試驗》和《GB/T 228—2010 金屬材料 拉伸試驗》對不同熱處理狀態(tài)下樣品進行硬度和強度測試，具體試樣尺寸如圖1所示。

2 淬火溫度對鋼晶粒尺寸的影響

采用高溫共聚焦顯微鏡對14%Cr不銹鋼在不同的淬火溫度保溫5 min進行奧氏體化處理，原位觀察保溫過程中奧氏體晶粒尺寸的變化，如圖2所示。圖3顯示了不同淬火下保溫5 min時14%Cr不銹鋼晶粒尺寸的變化。隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大，由900 ℃時的

5.2 μm增加至1 100 ℃時的37.5 μm， 而在1 200 ℃時由于存在高溫鐵素體的析出，釘扎了奧氏體晶界，阻止了奧氏體晶粒的繼續(xù)長大，因此奧氏體晶粒尺寸反而減小。圖2為14%Cr不銹鋼在不同淬火溫度下保溫5 min時奧氏體晶粒尺寸的變化，由于900 ℃時還未完全奧氏體化，因此后續(xù)的實際熱處理過程采用1 000、1 100和1 200 ℃。

圖4為實際熱處理過后不銹鋼的晶粒形貌。圖5為淬火溫度對不銹鋼晶粒尺寸的影響，隨著淬火溫度的升高，晶粒尺寸呈變大趨勢，同時13%Cr不銹鋼的晶粒尺寸要大于14%Cr不銹鋼。13%Cr不銹鋼淬火后晶粒尺寸由20.44 μm增加至54.88 μm， 14%Cr不銹鋼晶粒尺寸由14.97 μm增加至52.12 μm。在相同淬火溫度下，13%Cr不銹鋼的晶粒尺寸要大于14%Cr不銹鋼，這主要與2種不銹鋼不同的熱軋壓下量有關(guān)。14%Cr不銹鋼厚度要比13%Cr不銹鋼厚度小，軋制壓下量要比13%Cr不銹鋼大，導致晶粒尺寸要比13%Cr不銹鋼小。

根據(jù)Arrhenius公式，在淬火再結(jié)晶過程中，晶粒尺寸與淬火溫度和保溫時間之間存在以下關(guān)系如式（1）所示。將圖5中淬火后晶粒尺寸代入式（1）中得到表2，進行擬合可得到lg[（D2tt2-D2002）/t]和1/T之間的關(guān)系，如圖6所示。13%Cr不銹鋼擬合的直線斜率為-5.924，14%Cr不銹鋼擬合的直線斜率為-6.587。根據(jù)斜率可進一步求出13%Cr不銹鋼的晶界遷移能為113.62 J/mol， 14%Cr不銹鋼的晶界遷移能為125.92 J/mol， 可以看出鉻含量的提升增大了再結(jié)晶過程中的晶界遷移能。

式中：Dt為t時刻奧氏體晶粒尺寸， μm；D0為初始奧氏體晶粒尺寸， μm；t為保溫時間，min；Qm為再結(jié)晶晶界遷移能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為奧氏體化溫度，K；K為常數(shù)。

3 淬火溫度對鋼顯微組織的影響

無論13%Cr不銹鋼還是14%Cr在不同淬火溫度下的回火后組織都為馬氏體，因此本文著重以13%Cr為例進行微觀組織表征。圖7為13%Cr不銹鋼在1 100 ℃淬火再600 ℃回火后對應的OM和SEM組織形貌。通過OM和SEM表征可以看到，組織中有著明顯的原奧氏體晶界，不同取向的馬氏體在奧氏體晶粒內(nèi)生成。同時觀察1 000 ℃淬火再600 ℃回火后存在白色析出物，尺寸大致為200 nm， 如圖8所示。采用能譜儀對析出物成分進行分析如圖9所示，可以知道析出物為富鉻的碳化物。

另外在14%Cr不銹鋼1 200 ℃淬火以及后續(xù)的回火中存在明顯的第二相組織，如圖10所示。馬氏體在原奧氏體晶粒中形成，第二相組織在奧氏體晶界中析出。通過電鏡能譜分析，第二相組織為明顯的富鉻相，推測為淬火過程中奧氏體轉(zhuǎn)化為的高溫鐵素體，如圖11所示。另外采用Image-Pro軟件對高溫鐵素體含量進行統(tǒng)計，14%Cr不銹鋼在1 200 ℃淬火600 ℃回火后鐵素體體積分數(shù)為11.5%。通過Fact-sage 7.1熱力學計算軟件對不同鉻含量不銹鋼熱力學平衡相圖進行計算，統(tǒng)計了鉻含量對平衡組織的影響，如圖12所示。在實驗溫度范圍內(nèi)，鉻含量主要影響高溫鐵素體的開始生成溫度，14%Cr不銹鋼在1 200 ℃時會產(chǎn)生高溫鐵素體與實驗結(jié)果相對應。

4 淬火溫度對鋼力學性能的影響

圖13為淬火溫度對13%Cr和14%Cr不銹鋼拉伸過程中的應力應變曲線，為典型的不銹鋼應力應變曲線，無屈服平臺。圖14為淬火溫度對不銹鋼性能的影響。圖14（a）為淬火溫度對回火后13%Cr和14%Cr不銹鋼拉伸性能的影響。隨著淬火溫度的升高，13%Cr不銹鋼和14Cr不銹鋼強度變化不大，但14%Cr不銹鋼的強度要整體大于13%Cr不銹鋼，強度的最終值是由各種強化類型貢獻所組成的，如式（2）所示，分為固溶強化、細晶強化、位錯強化、析出強化等。對于固溶強化而言，由于本實驗中較低的碳含量和較高的回火溫度因此可以忽略。此外由于析出物尺寸較大，析出強化也可以不考慮。對于位錯強化而言，由于2種不銹鋼的熱處理制度一致，因此位錯強化所貢獻也應一致。綜上，由于14%Cr不銹鋼的晶粒尺寸要小于13%Cr不銹鋼，相對的細晶強化對強度所做的貢獻要大，因此導致14%Cr不銹鋼的強度要整體大于13%Cr不銹鋼。

σy=σ0+σs+σg+σp+σd（2）

式中：σy為屈服強度；σ0為鐵素體的理論強度；σs為固溶強化所帶來的強度提升；σg為晶粒細化所帶來的強度提升；σp為析出強化所帶來的強度提升；σd為位錯強化所帶來的強度提升。

圖14（b）為淬火溫度對回火后13%Cr和14%Cr不銹鋼伸長率的影響。隨著淬火溫度的升高，13%Cr不銹鋼的伸長率呈上升的趨勢，而14%Cr不銹鋼的伸長率呈下降的趨勢，這主要與高溫鐵素體的生成有關(guān)]。圖15為鐵素體體積分數(shù)對不銹鋼相對塑性的影響。當原本非鐵素體鋼中存在第二相鐵素體時會極大的惡化其塑性。在本實驗中，隨著淬火溫度的升高，14%Cr不銹鋼高溫鐵素體逐漸生成，在馬氏體基體中鐵素體相相當于有害的第二相，因此隨著鐵素體含量的不斷增加，不銹鋼的塑性下降，伸長率也隨之下降。圖14（c）為淬火溫度對回火后不銹鋼強塑積的影響。強塑積是指材料抗拉強度和伸長率之間的乘積，其數(shù)值近似代表鋼拉伸曲線所代表的面積，表示拉伸過程中試樣斷裂所吸收的能量。隨著淬火溫度的升高，13%Cr不銹鋼的強塑積逐漸上升，而14%Cr不銹鋼的強塑積不斷的下降。圖16為不同淬火溫度下不銹鋼的斷口形貌的SEM照片。由圖16可知，拉伸斷裂形式為準解離斷裂，斷口形貌主要以解離面為主，有著典型的河流花樣。

圖14（d）為淬火溫度對13%Cr和14%Cr不銹鋼硬度的影響。淬火后的硬度都要大于回火后的硬度，這是由于淬火后存在大量的內(nèi)應力，使得硬度上升，而回火熱處理則是釋放內(nèi)應力的過程，導致硬度下降。隨著淬火溫度的升高，不銹鋼的硬度逐漸下降，這主要與晶粒尺寸長大有關(guān)。另外13%Cr不銹鋼淬火態(tài)的硬度要大于14%Cr不銹鋼淬火態(tài)的硬度，這主要與再結(jié)晶溫度有關(guān)。前文提到14%Cr的變形量要大于13%Cr不銹鋼，隨著變形程度的增加，儲能也增大，再結(jié)晶的驅(qū)動力也就越大，因此再結(jié)晶溫度越低。14%Cr不銹鋼的再結(jié)晶過程中的維持時間相對于13%Cr不銹鋼有所延長，因此回復的程度也增大，硬度也有所降低。

5 結(jié)論

（1）隨著淬火溫度的升高，13%Cr和14%Cr不銹鋼的晶粒尺寸逐漸變大，13%Cr不銹鋼的晶粒尺寸要大于14%Cr不銹鋼；13%Cr不銹鋼的晶界遷移能為113.62 J/mol， 14%Cr不銹鋼的晶界遷移能為125.92 J/mol。

（2）淬火和回火后的不銹鋼組織分別為淬火馬氏體和回火馬氏體。在1 000 ℃淬火時13%Cr和14%Cr不銹鋼都會有明顯的碳化物析出。當淬火溫度達到1 200 ℃，14%Cr不銹鋼中會產(chǎn)生高溫鐵素體，對后續(xù)的性能產(chǎn)生不利的影響，因此對于14%Cr不銹鋼淬火溫度應低于1 200 ℃。

（3）淬火溫度對不銹鋼的強度的影響不大，但是14%Cr不銹鋼的強度要大于13%Cr不銹鋼的強度，主要受細晶強化的影響。隨淬火溫度的升高，13%Cr不銹鋼的伸長率逐漸上升，而14%Cr不銹鋼的伸長率逐漸下降，與溫度升高高溫鐵素體的生成有關(guān)。隨淬火溫度的升高，不銹鋼的硬度逐漸下降，這主要與晶粒尺寸長大有關(guān)。

本文摘自《鋼鐵研究學報》2022年第11期