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热处理对15Cr4Ni0.08C马氏体不锈钢微观结构和机械性能的影响摘要为了获得15Cr4Ni0.08C马氏体不锈钢最好的热处理方法，研究了不同的热处理过程包括固溶处理和回火。固溶处理的温度设置在9001100，分别保温30、60和120分钟随后在空气中冷却。显微镜和扫描电镜观察发现，在保温60分钟之后，由于先前存在的碳化铬的分解，使其在1000时发生晶粒长大现象。因此，这种方法被认为是最好的固溶处理方式。试样在250600之间进行固溶处理，保温两个小时后空冷，随后进行回火处理。对回火试样进行规范拉伸试验和夏比冲击试验表明，在450550的二次硬化过程导致了不锈钢的延展性降低，强度和硬度增加。不锈钢的机械性能则由其断面观察分析来表征。关键词：热处理，奥氏体化，回火，机械性能，马氏体不锈钢引言多年来，热处理已经成为了金属材料加工过程的必要步骤。众所周知，精确控制地热处理工艺可以使材料的微观结构优化，进而使金属材料达到所需的机械性能。高合金的马氏体不锈钢热处理过程主要分为两个步骤：第一步通常是碳化物的溶解和产生单一相的奥氏体结构，奥氏体在随后的冷却过程中转变为马氏体。碳化物常常是晶粒生长的抑制剂，并能使生成的奥氏体结构细化，从而使最终的马氏体细化，奥氏体化后碳化物的出现会使淬透性和机械性能降低。关于断裂韧性，Sarafianos 宣称奥氏体化后残余的粗大碳化物会导致龟裂和断裂，同时细小的碳化物能有效地抑制晶粒生长。奥氏体的晶粒度受奥氏体化后的形态所影响，并且它也会影响最终马氏体的机械性能。这就是一些实验一直致力于找出最优固溶处理方法的原因，通过经验和模型的努力。回火是重要的热处理步骤，它可以提高冲击韧性，消除残余应力和减少位错。回火可以改善或者恶化机械性能，尤其是淬火钢的延展性和断裂韧性。显而易见，回火后二次碳化物的沉淀会使硬度增加和产生脆化。奥氏体组织对二次硬化的出现有强烈的影响并且和脆化有关是很明显的。以前的一些关于在低温回火和高温回火时的二次硬化的研究表明粗大碳化物会导致敏化作用和耐蚀性的降低。然而，最近Song和其他人提出在高温回火期间析出的碳化物扮演了奥氏体的异相成核位置，它反过来增加了低温冲击性能。在这方面，已经进行了一些尝试来评估优化回火变量和它们对典型机械性能的影响。在最近的调查中显示，马氏体不锈钢因其高强度，高韧性和良好的耐蚀性而被广泛的应用，比如塑料模具，阀门，轴和轴承。因此，当前研究的目的是确定一个优化的热处理方案，以确保强度和韧性的最好组合。实验实验中的马氏体不锈钢的化学成分载于表1。.这种钢的化学成分是根据俄罗斯国家标准09CH16N4B标准的。然而，它和DIN 14542是非常相似的。铸造以后，钢锭被加热到10501150锻造，随后在空气中冷却到室温。锻造块在1200退火，保温1小时随后空冷。钢热锻后的微观结构和形状如图1，表明碳化物颗粒位于预先奥氏体晶粒边界和马氏体层之间。1 马氏体不锈钢热锻和固溶退火后的微观结构原始试样在9001100分别保温30、60和120分钟随后在空气中冷却到室温。溶液处理试样的方法是用10%的盐酸溶液腐蚀试样表面然后通过标准金相技术和电子显微镜来观察原始的奥氏体晶粒边界。用显微镜和扫面电镜来检测准备好的试样。为了弄清奥氏体化对碳化物溶解的影响，在EMCO测试机上进行试样的硬度测试。试样的固溶处理是在1000保温60分钟（最好的状况），然后在250600回火，保温2个小时随后空冷。a.900，30分钟b.900，60分钟c.900，120分钟d.1000，30分钟e.1000，60分钟f.1000，120分钟g.1100，30分钟h.1100，60分钟i.1100，120分钟2试样在不同的温度和时间下奥氏体化的显微结构图表1研究中所用的马氏体不锈钢的化学组成元素CCrNiMoSiMnPSNbFeWt-%0.05615.654.310.0750.380.390.0320.0070.1剩余量回火以后，根据德国兹维克的DIN EN10002标准进行拉伸试验。为了了解热处理对韧性的影响，我们进行了夏比冲击试验，它是根据DIN EN10045标准进行的。通过扫描电镜观察试样的断裂表面找出机械性能和微观结构的相关性。晶粒尺寸（微米）奥氏体化温度（）图3不同奥氏体化温度和时间下的优先奥氏体晶粒尺寸结果与讨论奥氏体化图2是试样在不同的温度和时间下获得的奥氏体化组织的显微图。很明显在900时，奥氏体的晶粒尺寸随着固溶处理的时间而增加，晶粒直径的分布是一致改变的。在1000时，尽管晶粒尺寸随着奥氏体化时间从30到60分钟而逐渐增加，但是一个过长的固溶处理过程会引起反常晶粒的生长和优先晶粒的过分生长。后一现象可以在1100的显微图中看到。图3显示了优先奥氏体晶粒尺寸随着奥氏体化温度和时间的变化规律。它表明优先奥氏体晶粒的反常长大是在1000保温60分钟奥氏体化时开始的。值得一提的是有第二相粒子的合金很容易发生反常晶粒长大，第二相粒子会引起晶粒边界钉扎，会使晶粒边界变得粗糙或溶解，因此它们不在会限制晶界偏移。晶粒生长的动力学经常用下面的抛物线等式来分析 d2-d02=t （1）d0和d分别是t=0和t=t时的平均晶粒直径。表示在绝对温度时晶粒生长的依赖性，晶粒生长的活化能通常用下面的阿列纽斯等式来分析 =exp（-Qgg/RT） （2）Qgg表示晶粒生长所需要的活化能，是一个常量。的值可以通过绘制d2和回火时间图来确定（图.4a）。晶粒正常生长到反常生长的过渡可以通过给定时间的（a） 时间（分） （1/T）*104（K-1） （b）a平均晶粒直径的平方与奥氏体化时间曲线 b ln和奥氏体化温度的倒数之间的曲线图4晶粒生长动力学抛物线回火温度图的斜度来辨别。当绘制ln与温度的倒数曲线时它更容易辨别出来（图.4b）。在图4b中断裂的曲线表示在温度到达1000之前逐渐的增加，随后温度很快变得更高。实线是根据实验数据绘制的直线，是为了分别确定和Qgg的近似值为6.7*106和185.7kl/mol上述观点可以由不同奥氏体化组织的试样直接淬火后的硬度测试结果来加强（图.5）。硬度（hrc）温度（）图5不同的奥氏体化组织试样直接淬火后的硬度测量很容易看出，在给定的固溶处理时间内，硬度首先增加到一个极大值随后产生陡降。硬度开始时的增加是M23C6碳化物逐渐溶解进奥氏体的结果。这种高合金奥氏体转变成无沉淀马氏体具有更高的正方性，因此基体会有更高的形变并且具有更高的硬度。另一方面，超过极大值之后，碳化物颗粒在晶粒边界不会产生钉扎力，晶粒的生长要么以正常的方式进行要么以反常的方式进行，这导致了马氏体团的增大，使淬火硬度较低。回火马氏体的硬度是最高，它是通过在1000保温60分钟奥氏体化后获得的，此时所有的沉淀物溶解并且晶粒的生长速度达到最小值。图6为试样在900和图6 a和b分别为试样在900和1000保温60分钟奥氏体化后的扫描电子显微图像；c和d为900保温60分钟奥氏体化后在优先奥氏体晶粒边界和马氏体层之间未溶解碳化物的光学图像1000保温60分钟奥氏体化后的显微镜和扫面电镜的显微图像。在900时在晶粒内和晶粒边界都可以清晰地看见碳化物沉淀，但是在1000时却没有沉淀迹象。图7能量（Kev）图7在900保温60分钟奥氏体化后未溶解碳化物X射线探测器分析图谱是用能量弥散X射线探测器分析的未溶解碳化物的结果，表明其平均组成为（Cr，Fe）23C6。回火根据以上结果显示，优化的奥氏体组织是试样在1000时保温60分钟获得的，可以用于回火的学习。图8为试样在250650回火后的硬度和延伸率曲线。正如延伸率硬度（HRC）回火温度（）图8试样在250650之间回火硬度和延伸率的变化所预料的，在硬度和延伸率之间有一个互反关系。结果表明试样在250400之间回火，机械性能没有太突出的改变，而两个硬度的最大值分别在450和550，显而易见它们与延伸率的两个最小值相对应。随着硬度的增加延伸率会相应的减小，这一结果可以归结为碳化铬的第二相沉淀，这也是很容易证明的。夏比冲击试验和金相显微观察技术都证实了拉伸和硬度试验所获得的结果。图9冲技能（J）极限拉伸强度（Mpa）回火温度（）图9回火试样在回火温度下的不同极限拉伸强度和冲技能为回火试样不同的极限拉伸强度和冲击能。正如所预料的，极限拉伸强度的改变和冲击断裂过程所吸收的能量分别与硬度和延伸率的结果相吻合。在上一部分已经提到过精选的奥氏体化组织引起了碳化物的完全溶解。这反过来使奥氏体的合金元素更加丰富，因此降低了马氏体的起始转变温度Ma，回火到室温时产生了更多的残余奥氏体。在回火的早期阶段残余奥氏体开始分解，这使硬度逐渐的增加并且极限拉伸强度达到一个峰值，此时复杂的碳化铬形成。我们知道硬度的第一个峰值是由于简单碳化物的形成，比如M3C和M7C3，它们产生的硬度较低并且在回火温度较高时很不稳定，它们的溶解使冲击性能和延伸性能得到改善。通过较高温度的回火，新的比较稳定的和更加复杂的碳化物M23C6形成了并且使图10在临界回火温度450和550复杂碳化物的形貌特征第二个峰值的硬度增加。图10显示了在临界回火温度450和550回火时出现的复杂碳化物，这也是二次硬化现象的出现。可以看到在450形成的碳化物颗粒很均匀的分布并且他们几乎都分布在优先奥氏体晶粒边界处。研究发现回火温度的增加导致了碳化物颗粒的粗大化，小部分体积有所增加而大部分在结构上是一致分布的。断裂表面的扫面电子显微图像证实了机械测试的结果（图11）。可以很明显的a 250；b 350；c 400；d 450；e 500；f 550；g 600图11 试样在不同的温度下回火后断裂表面的扫面电子显微图像 看出平均韧窝尺寸，粗略的表明了从250到400断裂减少期间所吸收的能量。在450回火时产生的断裂表面具有很小的韧窝特征，表明吸收的能量很低，接近于脆性断裂。试样在500回火时的断裂表面表明韧性断裂的韧窝相对较大，然而在550回火时具有较小的韧窝特征并且表现了脆性断裂的某些特征，这可以归结为二次硬化的影响。结论1. 研究发现在1000以下含有碳化铬的奥氏体组织没有完全溶解，并且优先奥氏体晶粒正常生长，奥氏体的逐渐长大使硬度逐渐的增加。在较低的奥氏体化温度下保温30和60分钟后，碳化物完全溶解所需要的温度为1000。在较高的奥氏体化温度下保温120分钟后，碳化物的溶解温度会降低到950。2. 碳化物溶解之后会出现反常晶粒的生长以及硬度的降低。因此，为了获取更优的奥氏体化组织，温度设定在1000并保温60分钟，这会使淬火硬度达到最大值。3. 机械测试和断口观察表明两个二次硬化过程分别发生在450和550，它们使材料的延展性降低以及硬度和强度增加。参考文献1 H. 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