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(qiáng)韌性和耐腐蝕性，因此廣泛應(yīng)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(duì)于不銹鋼的各種性能都有影響。對(duì)于力學(xué)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(huì)極大的影響不銹鋼的力學(xué)性能。對(duì)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(jìn)而提高不銹鋼的腐蝕性能。姜雯等人對(duì)熱處理制度對(duì)不同鉻含量不銹鋼組織性能的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鉻元素作為鐵素體形成元素，主要通過(guò)鐵素體的生成進(jìn)行影響不銹鋼的組織和性能。

對(duì)于鋼鐵材料來(lái)說(shuō)，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(jìn)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(duì)00Cr13Ni5Mo2超級(jí)馬氏體不銹鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)淬火溫度對(duì)組織的組織影響主要通過(guò)改變晶粒尺寸產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)前人文獻(xiàn)結(jié)果中淬火溫度對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響進(jìn)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(shì)，相對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸造成的細(xì)晶強(qiáng)化也會(huì)有所降低，因此應(yīng)當(dāng)避免過(guò)高的淬火溫度。同樣淬火溫度也不能過(guò)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(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到900 MPa， 屈服強(qiáng)度達(dá)到600 MPa， 伸長(zhǎng)率達(dá)到20%，但是存在耐蝕性差的問(wèn)題。為提高不銹鋼的耐蝕性，在冶煉時(shí)提高鋼中的鉻含量，但是又會(huì)產(chǎn)生熱軋過(guò)程中碎邊的現(xiàn)象，而熱軋過(guò)程中需加熱至軋制溫度后冷卻，與熱處理過(guò)程中淬火過(guò)程類(lèi)似，因此本文將針對(duì)淬火溫度對(duì)不同鉻含量的馬氏體不銹鋼組織性能的影響進(jìn)行了研究，對(duì)比分析晶粒尺寸、組織和力學(xué)性能之間的相互影響，最后得出了以提升性能為目標(biāo)的最佳淬火溫度。

1 實(shí)驗(yàn)材料和研究方法

實(shí)驗(yàn)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(xué)成分如表1所示。不銹鋼鑄坯的厚度都為180 mm， 經(jīng)過(guò)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用激光高溫共聚焦顯微鏡對(duì)13%Cr和14%Cr馬氏體不銹鋼樣品進(jìn)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(shí)際熱處理實(shí)驗(yàn)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(shí)間為30 min， 空冷；回火溫度選取600 ℃，回火保溫時(shí)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(jìn)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(xué)顯微鏡（OM）和ZEISS Sigma 300掃描電鏡（SEM）進(jìn)行組織表征。采用高錳酸鉀、濃硫酸和水混合溶液對(duì)不同淬火溫度下樣品的原始奧氏體晶界進(jìn)行顯示，采用截線法統(tǒng)計(jì)淬火溫度對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響。采用HV1000Z顯微硬度計(jì)和DNS系列萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)參考《GB/T 4340—2009 金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》和《GB/T 228—2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn)》對(duì)不同熱處理狀態(tài)下樣品進(jìn)行硬度和強(qiáng)度測(cè)試，具體試樣尺寸如圖1所示。

2 淬火溫度對(duì)鋼晶粒尺寸的影響

采用高溫共聚焦顯微鏡對(duì)14%Cr不銹鋼在不同的淬火溫度保溫5 min進(jìn)行奧氏體化處理，原位觀察保溫過(guò)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(shí)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(shí)的

5.2 μm增加至1 100 ℃時(shí)的37.5 μm， 而在1 200 ℃時(shí)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(zhǎng)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(shí)奧氏體晶粒尺寸的變化，由于900 ℃時(shí)還未完全奧氏體化，因此后續(xù)的實(shí)際熱處理過(guò)程采用1 000、1 100和1 200 ℃。

圖4為實(shí)際熱處理過(guò)后不銹鋼的晶粒形貌。圖5為淬火溫度對(duì)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(shì)，同時(shí)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(dǎo)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(guò)程中，晶粒尺寸與淬火溫度和保溫時(shí)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(jìn)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(jìn)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(guò)程中的晶界遷移能。

式中：Dt為t時(shí)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(shí)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(duì)鋼顯微組織的影響

無(wú)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(jìn)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(duì)應(yīng)的OM和SEM組織形貌。通過(guò)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(shí)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(duì)析出物成分進(jìn)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(guò)電鏡能譜分析，第二相組織為明顯的富鉻相，推測(cè)為淬火過(guò)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(duì)高溫鐵素體含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，14%Cr不銹鋼在1 200 ℃淬火600 ℃回火后鐵素體體積分?jǐn)?shù)為11.5%。通過(guò)Fact-sage 7.1熱力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)不同鉻含量不銹鋼熱力學(xué)平衡相圖進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)了鉻含量對(duì)平衡組織的影響，如圖12所示。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，鉻含量主要影響高溫鐵素體的開(kāi)始生成溫度，14%Cr不銹鋼在1 200 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫鐵素體與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

4 淬火溫度對(duì)鋼力學(xué)性能的影響

圖13為淬火溫度對(duì)13%Cr和14%Cr不銹鋼拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，為典型的不銹鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線，無(wú)屈服平臺(tái)。圖14為淬火溫度對(duì)不銹鋼性能的影響。圖14（a）為淬火溫度對(duì)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(qiáng)度變化不大，但14%Cr不銹鋼的強(qiáng)度要整體大于13%Cr不銹鋼，強(qiáng)度的最終值是由各種強(qiáng)化類(lèi)型貢獻(xiàn)所組成的，如式（2）所示，分為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等。對(duì)于固溶強(qiáng)化而言，由于本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化也可以不考慮。對(duì)于位錯(cuò)強(qiáng)化而言，由于2種不銹鋼的熱處理制度一致，因此位錯(cuò)強(qiáng)化所貢獻(xiàn)也應(yīng)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(duì)的細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度所做的貢獻(xiàn)要大，因此導(dǎo)致14%Cr不銹鋼的強(qiáng)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(qiáng)度；σ0為鐵素體的理論強(qiáng)度；σs為固溶強(qiáng)化所帶來(lái)的強(qiáng)度提升；σg為晶粒細(xì)化所帶來(lái)的強(qiáng)度提升；σp為析出強(qiáng)化所帶來(lái)的強(qiáng)度提升；σd為位錯(cuò)強(qiáng)化所帶來(lái)的強(qiáng)度提升。

圖14（b）為淬火溫度對(duì)回火后13%Cr和14%Cr不銹鋼伸長(zhǎng)率的影響。隨著淬火溫度的升高，13%Cr不銹鋼的伸長(zhǎng)率呈上升的趨勢(shì)，而14%Cr不銹鋼的伸長(zhǎng)率呈下降的趨勢(shì)，這主要與高溫鐵素體的生成有關(guān)]。圖15為鐵素體體積分?jǐn)?shù)對(duì)不銹鋼相對(duì)塑性的影響。當(dāng)原本非鐵素體鋼中存在第二相鐵素體時(shí)會(huì)極大的惡化其塑性。在本實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(zhǎng)率也隨之下降。圖14（c）為淬火溫度對(duì)回火后不銹鋼強(qiáng)塑積的影響。強(qiáng)塑積是指材料抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)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(guò)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(qiáng)塑積逐漸上升，而14%Cr不銹鋼的強(qiáng)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(zhǔn)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(duì)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(yīng)力，使得硬度上升，而回火熱處理則是釋放內(nèi)應(yīng)力的過(guò)程，導(dǎo)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(zhǎng)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(chǔ)能也增大，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)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(guò)程中的維持時(shí)間相對(duì)于13%Cr不銹鋼有所延長(zhǎng)，因此回復(fù)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(shí)13%Cr和14%Cr不銹鋼都會(huì)有明顯的碳化物析出。當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 200 ℃，14%Cr不銹鋼中會(huì)產(chǎn)生高溫鐵素體，對(duì)后續(xù)的性能產(chǎn)生不利的影響，因此對(duì)于14%Cr不銹鋼淬火溫度應(yīng)低于1 200 ℃。

（3）淬火溫度對(duì)不銹鋼的強(qiáng)度的影響不大，但是14%Cr不銹鋼的強(qiáng)度要大于13%Cr不銹鋼的強(qiáng)度，主要受細(xì)晶強(qiáng)化的影響。隨淬火溫度的升高，13%Cr不銹鋼的伸長(zhǎng)率逐漸上升，而14%Cr不銹鋼的伸長(zhǎng)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(zhǎng)大有關(guān)。

本文摘自《鋼鐵研究學(xué)報(bào)》2022年第11期