13Cr超级马氏体不锈钢的组织.docx

13Cr 超级马氏体不锈钢的组织刘 玉 荣1 ， 业李冬1 ， 徐俊1 ， 苏军1 ， 姜雯1 ， 周 永 恒1 ， 刘鑫1 ，杰2 ， 雍 歧 龙2 ，赵 昆 渝1( 1.昆 明 理工大学材料科学与工程学院 ， 云 南 昆 明650093;2. 钢铁研究总院结构材料研究所 ， 北 京 100081)摘 要 : 采 用 TEM、SEM 等 研 究 13Cr 超级马氏体不锈钢不同热处理后的的显微组织 。 结 果 表 明 ，试 验 用 钢 淬火后的组织为板条 马 氏 体 。800、850、900、950、1000、1050 和 1100 淬火后试样原始奥氏体晶粒尺寸为 16. 8 56. 88 m; 随淬火温度的升高原始奥 氏体晶粒逐渐长大 ，马氏体板条束逐渐粗大 。 不 同 温 度 淬 火 650 回 火 ，A 钢 和 B 钢的组织均为保留原马氏 体位相的细小回火 马 氏 体 。 试 样 在 1050 淬火并在不同温度回火后有逆变奥氏 体 产 生 ，在 650 以下回火时随着回火温度 的升高和保温时间的 延长逆变奥氏体含量逐渐增多 ，且回火后逆变奥氏体主要以长条状及菱形状分布于马氏体板条束间及奥氏体晶界处 。关 键 词 : 超级马氏体不锈钢 ; 淬 火 + 回 火 ; 组 织 ; 逆 变 奥 氏 体中 图 分 类 号 : TG142. 1文 献 标 志 码 : A文 章 编 号 : 1009-6264( 2011) 12-0066-06Microstructure of 13Cr super martensitic stainless steelLIU Yu-rong1 ， YE Dong1 ， XU Jun1 ， JIANG Wen1 ， ZHOU Yong-heng1 ， LIU Xin1 ， LI Jun1 ，SU Jie2 ， YONG Qi-long2 ， ZHAO Kun-yu1( 1. College of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China; 2. Institute of Structural Materials Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China)Abstract: Microstructure of 13Cr super martensitic stainless steels after different heat treatments was studied by means of TEM and XRD The results show that the microstructure of the steels after quenching is lath martensite matrix The prior austenite grain size is from16. 8 m to 56. 88 m for the steels quenched at 800-1100 The prior austenite grain size and the size of martensite lath bundle increase with the raising of quenching temperature When the steels are tempered at 650 after quenching at different temperatures，the microstructure is fine tempered martensite retaining the morphology of quenched martensite Reversed austenites with strip and diamond shape is observed along the boundary of prior austenite and lath boundaries of martensite in the steels quenched at 1050 and then tempered at different temperatures When the samples are tempered at temperature lower than 650 ，the volume fraction of reversed austenite is increased with the increase of tempering temperature and timeKey words: super martensite stainless steel; quenching and tempering; structure; reversed austenite强 度 和 韧 性1-3 。 马氏体不锈钢淬火后 ，经 一 定 温 度回 火 ，部 分 马 氏 体 将 发 生 逆 转 变 ，形 成 逆 变 奥 氏 体 。这 种 逆 变 奥 氏 体 的热稳定很高且弥散分布在低碳板 条 马 氏 体 基 体 间 ，优 化 了 材 料 的 各 项 性 能4-5 。 所 以 研 究 钢 不 同 热 处 理条件下的组织对其性能有重要的 指 导 意 义 。本 文 在 13Cr 超 级 马 氏 体 不 锈 钢 的 基 础 上 设 计 熔炼 了 新 型的超级马氏体不 锈 钢 ，研 究 不 同 的 热 处 理条件下试验用钢的显微 组 织 。超 级 马 氏 体 不锈钢是在传统马 氏体不锈钢的基 础 上 通 过 降 低 碳 含 量 ，增 加 镍 ( 3. 5%4. 5% ) 和 钼( 1. 5% 2. 5% ) 的 含 量 而 发 展 起 来 的 新 钢 种1 。 这种 钢 抗 拉 强 度 高 ，延 展 性 好 ，焊接性能也得到 了 改 善 ， 而 且 具 有 良 好 的 耐蚀性和可加工性 以及较低的经济 成 本 。超 级 马 氏 体不锈钢典型的基 体金属显微组织 为 回 火 马 氏 体 ，这种低碳 回 火马氏体组织具有 很 高 的1实验材料及方法 采 用 真 空 感应熔炼炉对试验 用 钢 进 行熔 炼 ，熔 炼收 稿 日 期 :基 金 项 目 :作 者 简 介 :2010-12-02; 修 订 日 期 : 2011-03-03超级马氏体不锈钢基础研究 ( 619320090024)刘 玉 荣 ( 1985 ) ，女 ，主 要 从 事 超 级 马 氏 体 不 锈 钢 的 基 础时 炉 内 真 空 度 在 1 Pa 以 下 。 直接在炉内浇铸 ，凝 固成 铸 锭 。最 后 用 空 气 锤 锻 成 15 mm 600 mm 棒 状 试 样 供 试 验 使 用 。试 验 用 钢 的 化 学 成 分 如 表 1 所 示 。研 究 ，E-mail: liuyurong0771 163 com。通 讯 作 者 : 赵 昆 渝 ( 1960 ) ，女 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 钢 铁 材 料 、功 能材料和纳米材料方向的研究工作 ，E-mail: kyzhaoy yahoo com cn。刘 玉 荣 等 : 13Cr 超级马氏体不锈钢的组织 第 12 期67表 1 试验钢的化学成分 ( 质 量 分 数 ，% ) 及 相 变 温 度 ( )Chemical composition( mass fraction，% ) and phase transformation temperature( )Table 1of tested steelsA c1A c3M sM fSteelCMnSiCrNiMoWCuFeA0. 0190. 400. 1611. 694. 942. 04Bal585730310170B0. 0220. 410. 1711. 865. 142. 171. 001. 39Bal650775255125将 试 验 用 钢 加 工 成 直 径 3mm 10mm，一 端 有火 后观察其显微组织如图 1 所 示 ，由 图 可 知 试 验 用 钢淬 火 后的 组 织 均为淬火马氏体 ，且 淬 火 马 氏 体 以 板 条 状 马 氏 体 为 主 。随着淬火温度的 升 高 ，马 氏 体 板 条 束 逐 渐 变 得 粗 大 。SEM 下 观 察 马 氏 体 的 形 态 如 图 2 所 示 ，试样 淬火后一个晶粒内有多 个 取向 不 同 的马 氏 体 板 条 束 ，且 在1050 淬 火 时 马 氏 体 板 条 束 粗 大 ，晶 界 平 滑且出现典型的三叉晶界 ，说 明 1050 淬 火 时 ，晶 粒 充 分 长 大 。A 钢 和 B 钢 经 1050 保 温 0. 5 h 油 淬 后 的 X 射 线 衍 射 结 果 表 明 ( 表 2) ，在 1050 淬 火 时 ，A 钢 和 B 钢 的 奥 氏 体 的 含 量 很 低 ，在 误 差 范 围 内 可 以 看 成 是 零 ，所以试样淬火后的 组 织 为淬 火马氏体 。由 图 1 还 可 以 看 出 ，随 着 淬 火 温 度 的 升 高 ，马氏体板条束逐渐 直 径 2 mm 2 mm 小 孔 的 热 膨 胀 试 样 ，使 用 全 自 动 相变 仪 Formastor-F 以 0. 05 / s 的 加 热 速 率 将 试 样 加 热 到 1100 ，保 温 15 min，进行完全奥氏体化处 理 ; 然 后 以 100 / s 的 冷 却 速 度 冷 却 至 室 温 ，测 出 各 实 验 钢 的 相 变 点 温 度 ，结 果 见 表 1。采 用 SEM、TEM 等观 察 试验 用钢的微观组织变 化 ，并 用 XRD 测 试 其 奥 氏 体 含 量 。22. 1结 果 与 讨 论淬火 条件下 试 验用钢的显微组织 为 研究不同 淬 火 温度对于试验钢组织的 影 响 ，试样 分 别 经 800、850、900、950、1000、1050 和 1100 淬图 1 不同温度淬火时 A 钢 和 B 钢 的 显 微 组 织 ( a)- ( e)A 钢 ; ( a)- ( e)B 钢 ; ( a) 和 ( a) 800 淬 火 ;( b) 和 ( b) 900 淬 火 ; ( c) 和 ( c) 1000 淬 火 ; ( d) 和 ( d) 1050 淬 火 ; ( e) 和 ( e) 1100 淬 火Fig 1 Microstructure of the tested steel quenched at different temperatures ( a) -( e) steel A; ( a) and ( e) steel B; ( a) and ( a) quenched at 800 ; ( b) and ( b) quenched at 900 ; ( c) and ( c) quenched at 1000 ;( d) and ( d) quenched at 1050 ; ( e) and ( e) quenched at 1100 材料热处理 学 报第 32 卷68图 3 不同淬火条件下试验用钢的奥氏体晶粒尺寸 Fig 3 Austenite grain size of the tested steel quenched at different temperatures由 单 独 淬 火 条件下粗大的板条马氏体组织 变 成 细小 的 回 火 马 氏 体 ，且 随 着 淬 火 温 度 的 升 高 奥 氏 体 晶 粒 逐 渐 变 大 ，在 1000 1050 淬 火 时 试 样 晶 粒 长 大 速 度 较 快 ，这 和 试 验 用 钢 单 独 淬 火 条 件 下 的 晶 粒 度 长 大 趋 势 一 样 ，说 明 在 回 火 过 程 中 晶 粒 长 大 不 显 著 。 且 在 相 同 热 处 理 条 件 下 ，B 钢 比 A 钢 的 晶 界 更 明 显 。图 5 为 试 验 用 钢 1050 淬 火 不 同 温 度 回 火 时 的 显 微 组 织 。 可 知 试 样 回 火 后 的 组 织 均 为 细 小 的 回 火 马 氏 体 ，当 回 火 温 度 为 550 时 ，由 于 回 火 温 度 较 低 ，试 样 仍 保 留 原 板 条 马 氏 体 的 形 态 ( 图 5a 及5a，所 示 ) ，随 着 回 火 温 度 的 升 高 ，回 火 马 氏 体 越 来 越 细 小 。采 用 XRD 对淬 火 及 不同温度回火后 的 试 样 进 行 奥 氏 体 测 试 ，结 果 如 图 6 所 示 。 试 样 在 单 独 淬 火 时 ， 没 有 奥 氏 体 衍 射 峰 的 存 在 ，而 在 回 火 后 ，奥 氏 体 衍 射 峰 迅 速 升 高 ，说 明 在 回 火 过 程 中 ，有部分马氏体重新 转 变 成 奥 氏 体 组 织 。 这部分由回火获得的奥氏体即 为 逆 变 奥 氏 体 。不同热处理条件下 A 钢 和 B 钢 的 奥 氏 体 含 量 如 表 2 所 示 ，在 1050 淬火时试验钢中奥氏体含量为 零 ，而 试 样 在 1050 淬 火 加 600 回 火 后 ，奥 氏 体 含 量 略 有 增 加 ，并且随着回火温度 的 升高 和 保 温时 间 的 延 长 ，奥氏体含量均 逐 渐增 加 ，在 1050 淬 火 加650 保 温 4 h 回 火 时 ，A 钢 和 B 钢 的 奥 氏 体 含 量 分 别 达 到 了 8. 35% 和 20. 70% 。已 有 研 究 表 明 ，逆 变 奥 氏 体 只 有 在 A s A f 温 度 区 间 内 回 火 时 才 会 生 成 ，且 生 成 的 逆 变 奥 氏 体量随回火温度的升高先增加后逐 渐 减 少 ，一 般 在 600 650 回 火 时 生 成 量 最 多5，7-12 。逆变奥氏体热稳定 性 很 高 且 在 马 氏 体 基 体 高 度 弥 散 分 布 ，它的存在对于钢 各 项性 能 的 提高 有 显 著 作 用5 。图 2 1050 淬 火 时 A 钢 和 B 钢 的 SEM 显 微 组 织( a)A 钢 ; ( b) B 钢Fig 2 SEM micrographs showing microstructure of thetested steel quenched at 1050 ( a) steel A; ( b) steel B变 得 粗 大 。 相 同 淬 火 条 件 下 A 钢 和 B 钢 的 组 织 大致 相 同 。 试 验用钢淬火后测试 其 原 始 奥 氏 体 晶 粒 度 结 果 见 图 3 所 示 ，随 着 淬 火 温 度 的 升 高 ，原 始 奥 氏 体 晶 粒 逐 渐 长 大 ，尺 寸 由 900 淬 火 时 的 16. 8 m 长 大 为 1100 淬 火 时 的 56. 88 m。 在 相 同 热 处 理 条 件 下 B 钢 的 晶 粒 尺 寸 要 大 于 A 钢 ，但 随 着 淬 火 温 度 的 升 高 ，A 钢 和 B 钢的晶 粒长大趋势一致 ， 在 900 1000 和 1050 1100 温 度 区 间 淬 火 时 ，晶 粒 长 大 的 速 度 较 缓 慢 ，而 在 1000 1050 淬 火 时 ，晶 粒 迅 速 长 大 。 随 着 淬 火 温 度 的 升 高 ，原 始 奥 氏 体 晶 粒 逐 渐 长 大 ，且 马 氏 体 板 条 束 越 来 越 粗 大 ，这 是 因 为 淬 火 马 氏 体 是 在 原 奥 氏 体 晶 粒 内 形 成 ，在 一 个 奥 氏体晶粒内有多个捆 ，每 个 捆 由 相 互 平 行 的 板 条 束 组 成 ，各 束 之 间 以 大 倾 角 晶 界 相 隔 ， 在 一 个 束 内 由 平 行 排 列 的 板 条 所 构 成 ，奥 氏 体 的 晶 粒 度 对 板条宽度和分布几乎 没 有 影 响 。 但 是 在 一 个 奥 氏 体 晶粒内板条束的个数 基 本 不 变 ，所 以 ，板 条 束 的大 小随奥氏体晶粒 增 大而 增 大6 。2. 2回火 条件下 试 验用钢的显微组织 图 4 为 试 样 分 别 经 900、950、1000、1050和1100 淬 火 并 在 650 回 火 后 的 显 微 组 织 ，可 知 试验 钢 经 不 同 温 度 淬 火 并 在 650 回 火 后 ，显 微 组 织刘 玉 荣 等 : 13Cr 超级马氏体不锈钢的组织 第 12 期69图 4不 同 温 度 淬 火 650 回 火 A 钢 和 B 钢和的显微组织 ( a)- ( e)A 钢 ; ( a)- ( e)B 钢 ; ( a) 和 ( a) 900 淬 火 ;( b)和 ( b) 950 淬 火 ; ( c) 和 ( c) 1000 淬 火 ; ( d) 和 ( d) 1050 淬 火 ; ( e) 和 ( e) 1100 淬 火Microstructure of steel A and steel B tempered at 650 after quenching at different temperatures ( a) -( e) steel A;( a) and ( e) steel B; ( a) and ( a) quenched at 900 ; ( b) and ( b) quenched at 950 ; ( c) andFig 4( c)quenched at 1000 ;( d)and ( d)quenched at 1050 ;( e)and ( e)quenched at 1100 图 5 1050 淬火不同温度回火时 A 钢 和 B 钢 的 显 微 组 织 ( a) - ( e) A 钢 ; ( a) - ( e)B 钢 ; ( a) 和 ( a) 550 回 火 ;( b)和 ( b) 600 回 火 ; ( c) 和 ( c) 650 回 火 ; ( d) 和 ( d) 700 回 火 ; ( e) 和 ( e) 750 回 火Fig 5 Microstructure of steel A and steel B tempered at different temperatures after quenching at 1050 ( a) -( e) steel A;( a) and ( e) steel B; ( a) and ( a) tempered at 550 ; ( b) and ( b) tempered at 600 ; ( c) and ( c)tempered at 650 ; ( d) and ( d) tempered at 700 ; ( e) and ( e) tempered at 750 材 料 热处理 学 报第 32 卷70图 7 为 试 样 经 1050 淬 火 650 回 火 后 的TEM 观 察 结 果 。 其 中 图 7 ( a) 为马氏体板条内的 逆 变 奥 氏 体 组 织 ，其在马氏体板条 边 界及奥氏体 晶 界 处 呈 长 条 状 及 菱 形 状 分 布 ，长 度 为 10 2 10 3 nm，宽 约 为 100 nm。 图 7 ( b) 和 7 ( c) 为 图 7 ( a) 所 示的逆变奥氏体 组织的选区电子衍射斑点及其标 定 。 逆 变 奥 氏 体 是 由于合金元素尤其是奥氏 体 形 成 元 素 镍 原 子 扩 散 所 形 成7 ，13 ，回 火 过 程 中 它 们 优先在马氏体板 条束间隙和原奥氏体晶界处形核 长 大 。 因 为 这 些 位 置 存 在 高 密 度 的 缺 陷 ，这 些 缺 陷 的 存 在为钢在相变 时的原子扩散提 供 快 速 通 道 ，有 利 于 逆 变 奥 氏 体 的 长 大 和 稳 定 。 逆 转 变 奥 氏 体 沿 马 氏 体 板 条 界 或 晶 界 上 析 出 ，对 改 善 材 料 的 韧 性 十 分 有 利 。 这是因为在材料塑性变形 时 它 能 吸 收 变 形 功 ，不 仅可 阻止裂 纹在马氏体板条间 的 扩 展 ，还 可以 减 缓板 条间密 集排列时位错前端 引 起 的 应 力 集 中 ，这使得钢的强韧 性 尤其对塑韧 图 6 试 验 用 钢 X 射 线 衍 射 谱Fig 6 X-ray diffraction spectra of the tested steel表 2 不同热处理条件下试样中奥氏体含量 Table 2 Amount of austenite in the tested steel after different heat treatmentsAustenite contentHeat treatmentSteel ASteel B1050 ，0. 5 h1050 0. 5 h + 600 2 h1050 0. 5 h + 650 2 h1050 0. 5 h + 650 4 h0. 34%1. 52%6. 28%8. 35%0. 30%2. 55%17. 14%20. 70%13 -14性 显 著 提 高 。图 7( a)1050 淬 火 + 650 回火试样中逆变奥氏体 TEM 形貌及选区电子衍射图 基体中的逆变奥氏体组织 ;( b)逆变奥氏体衍射花样 ;( c)衍 射 花 样 标 定Fig 7 TEM images of sample tempered at 650 after quenching at 1050 ( a) reversed austenite; ( b) the corresponding SAED pattern; ( c) index of ( b)淬 火 温 度 的 升 高 ，奥 氏 体 晶 粒 逐 渐 长 大 ，长 大 趋 势 与单 独淬火条件下一样 ;3) 试 样 在 1050 淬 火 并 在 不同温度回火后有 逆 变 奥 氏 体 产 生 ，在 650 以 下 回火时随着回火 温 度 的 升 高和 保 温 时间的延长逆变奥 氏 体 含 量逐 渐 增 多 。 且 回 火 后 逆 变 奥 氏体主要以长条状及菱形状分布于 马 氏 体 板 条 束 间及奥氏体晶界处 。 所以回火后试验 用 钢 的 组 织 由 回 火马氏体及弥散分布于马氏体间隙 的 逆变奥氏体组成 。3结 论1) 在 800 1100 淬 火 时 A 钢 和 B 钢 的 组 织均 为 淬 火 马 氏 体 。 淬 火 后 试 样 原 始 奥 氏 体 晶 粒 尺寸 为 16. 8 56. 88 m; 随 淬 火 温 度 的 升 高 原 始 奥 氏 体 晶 粒 逐 渐 长 大 ，马 氏 体 板 条 束 逐 渐 粗 大 。 在 相 同淬 火 条 件 下 A 钢 和 B 钢 的组织及晶粒尺寸均差别 不 大 ;2)不 同 温 度 淬 火 650 回 火 时 ，A 钢 和 B 钢 的组 织 均 为 保 留 原 马氏体位相的细 小 回 火 马氏 体 。 随刘 玉 荣 等 : 13Cr 超级马氏体不锈钢的组织 第 12 期71参 考 文 献 1 张 孝 福 超级马氏体不锈 钢J 太 钢 译 文 ，1999( 4) : 66 70.ZHANG Xiao-fu Super martensitic stainless steelJ Taigang Translation，1999( 4) : 66 70.薄 鑫 涛 不锈钢钢种发展的一些动 向J 热 处 理 ，2007，22( 4) : 5 9.BO Xin-tao Development trend of stainless steelsJ Heat Treatment，2007，22( 4) : 5 9.王 斌 ，栗 卓 新 ，李 国 栋 超级马氏体不锈钢焊接的研究进 展J 新 技 术 新 工 艺 ，2008( 5) : 57 61.WANG Bin，LI Zhuo-xin，LI Guo-dong Current status on supermartenstic stainless steel ( SMSS) weldingJ New Technology New Process，2008( 5) : 57 61.杜 荣 耀 ，乔 元 绩 大 型 Ni4 铸钢叶片逆变奥氏体组织对裂纹的影 响J 铸 造 技 术 ，1996( 5) : 3 5.DU Rong-yao，QIAO Yuan-ji Effects of reversed austenite structure on cracking in large impeller of Ni4 cast steelJ Foundry Technology，1996( 5) : 3 5.李 小 宇 ，王 亚 ，杜 兵 ，等 逆 变 奥 氏 体 对 0Crl3Ni5Mo 钢热处理恢复断裂韧性的作 用J 焊 接 ，2007( 10) : 47 49.LI Xiao-yu，WANG Ya，DU Bing，et al Effect of retained austenite formed during postweld heat treatment on fracture toughness of deposited metal of0Crl3Ni5MoJ Welding Joining，2007( 10) : 47 49.陆 世 英 ，张 廷 凯 ，康 喜 范 ，等 不 锈 钢M 北 京 : 北京原子能出版社 ，1995.王 培 ，陆 善 平 ，李 殿 中 ，等 低 加 热 速 率 下 ZG06Crl3Ni4Mo 低碳马氏体不锈钢回火过程的相变研 究J 金 属 学 报 ，2008，44( 6) : 681 685. 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