时效温度对PH13-8Mo不锈钢组织和力学性能的影响

2014-12-09黄春波陈有光王玲奇

机械工程材料 2014年11期

张湛，薛春，黄春波，陈有光，王玲奇，陆超

（1.上海材料研究所，上海200437；2.上海市轴承技术研究所，上海200031）

0 引言

马氏体时效不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加的高强度不锈钢，现已广泛应用于航空、航天、机械制造、原子能等领域。近30a来，马氏体时效不锈钢的开发和研究取得了很大进步［1］。

马氏体时效不锈钢的代表钢种为0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）和 0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），它们一般用于制造在400℃以下环境中工作的高强耐蚀承力构件，如发动机零件、紧固件等。PH13-8Mo不锈钢在航空承力耐蚀中温结构件方面的应用十分广泛，现已代替17-4PH钢应用于美国海军舰载机——F/A18超级大黄蜂和E-2C鹰眼预警机的起落架中；此外，空客A340-300型客机的机翼梁也采用了该钢。在对高强度和高韧性（特别是冲击性能）有特殊要求的部位，如机身框架，均要求使用PH13-8Mo不锈钢。目前，PH13-8Mo不锈钢作为高强度耐腐蚀结构材料已广泛用于海上平台、航空、航天等。但在国内，无论是民用飞行器还是军用武器装备，该钢都未能得到推广使用［2］。在耐腐蚀高强度沉淀硬化不锈钢的使用上，我国军、民装备仍在使用那些已被发达国家淘汰的材料，如17-4PH等。此外，PH13-8Mo不锈钢至今仍未列入我国沉淀硬化不锈钢的标准牌号中，而且国内对于其力学性能、耐腐蚀性能的研究还不完善，对其冶炼及热处理工艺亦未能完全掌握。为此，作者研究了不同时效温度对PH13-8Mo不锈钢力学性能和显微组织的影响，希望能为今后此类材料的研制和开发提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验用PH13-8Mo不锈钢取自自产的φ25mm热锻棒材，其化学成分如表1所示。该钢采用真空冶炼和电渣重熔双联净化工艺制备，制备过程中充分去除气体，以减少偏析、低熔点杂质和去除非金属夹杂物，在WZC-30型30kg双室真空油淬炉内对试验钢进行固溶处理，固溶温度为930℃，保温1h；然后在SX2-8-10型工业热处理电阻炉内进行时效处理，时效温度为480，510，540，565，590，620℃，保温时间为4h。

表1 PH13-8Mo不锈钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of PH13-8Mo stainless steel（mass） %

制备的硬度试样的两端面、拉伸试样的标距部位及冲击试样的表面粗糙度（Ra）不大于5μm。采用8150LK型洛氏硬度计测试验钢的洛氏硬度；采用LEICA-DMLM型光学显微镜观察试验钢的显微组织；采用Philips XL-30型扫描电镜（SEM）观察试验钢的显微形貌，并进行微区成分分析；参考GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》制备拉伸试样，并在ZWICK-Z400型拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸试样的标距尺寸为φ10mm×50mm，屈服强度阶段的拉伸速度为1mm·min-1，抗拉强度阶段则为25mm·min-1；参考GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，在ZBC-2302-Z型冲击试验机上进行冲击试验，冲击试样的尺寸为10mm×10mm×55mm，开V型缺口，冲击能量为300J。以上试验数据均取三个试样的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

由表2可见，PH13-8Mo不锈钢经固溶处理后的硬度、强度较低，冲击功较高，为180J；均随着时效温度升高，PH13-8Mo不锈钢的硬度、强度均先升高后降低，并在510℃时达到最高，但此时的冲击功较低，为37.4J。

表2 PH13-8Mo不锈钢经不同热处理后的力学性能Tab.2 Mechanical properties of PH13-8Mo stainless steel after different heat treatments

2.2 显微组织

由图1可见，PH13-8Mo不锈钢在930℃固溶后的组织为马氏体和奥氏体；在480℃时效处理后的组织为回火马氏体和少量析出相；在510℃时效处理后的组织为回火马氏体和弥散分布的析出相；在620℃时效处理后的组织主要为回火索氏体和粒状析出相。

2.3 SEM形貌和EDS谱

由图2可见，PH13-8Mo不锈钢在510℃时效4h后，出现了极个别较大的（微米级）析出相，该相中镍和铝元素的含量均较高，且它们的原子分数比为2.98，接近于3，表明该析出相为金属间化合物Ni3Al。由图3可见，PH13-8Mo不锈钢基体中铝和镍的含量基本与热处理前的接近。

2.4 TEM形貌

由图4可以看出，PH13-8Mo不锈钢在480℃时效4h后，仅有少量析出相，且析出相尺寸非常小（纳米级），分布也不均匀；在510℃时效4h后，析出相尺寸与480℃时效的相比基本无变化，但数量明显增多，且分布的较为均匀；在565℃时效4h后，析出相的数量、分布均匀性与510℃时效后的相比无明显变化，但部分析出相开始长大，且长大速度不同；在620℃时效4h后，析出相的数量、分布均匀性与565℃时效后的相比基本不变，析出相继续长大，且长大速度不同。

2.5 讨论

PH13-8Mo不锈钢的时效硬化是在其在时效过程中析出金属间化合物Ni3Al的结果［3］，析出相的数量取决于时效温度和时间，在时效时间一定的情况下，时效温度的高低决定了析出相的数量和尺寸。

PH13-8Mo不锈钢在480℃时效后，硬度、强度比固溶状态的高，析出了少量析出相；在510℃时效后的硬度和强度最高，此时析出相完全析出且尺寸较小，故最佳的时效温度约为510℃。在480℃和510℃时效后，弥散析出相与基体形成共格关系，增大了基体的硬度和强度，但析出相在晶界的析出会影响晶界的结合，从而导致冲击韧性降低。

图1 PH13-8Mo不锈钢经不同热处理后的的显微组织Fig.1 Microstructure of PH13-8Mo stainless steel after different heat treatments：（a）solid-solution at 930 ℃for 1h；（b）solid-solution and aging at 480℃for 4h；（c）solid-solution and aging at 510℃for 4hand（d）solid-solution and aging at 620 ℃for 4h

图2 PH13-8Mo不锈钢在510℃时效4h后析出相的SEM形貌和EDS分析结果Fig.2 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of precipitates in PH13-8Mo stainless steel after aging at 510 ℃ for 4h

图3 PH13-8Mo不锈钢在510℃时效4h后基体的SEM形貌和EDS分析结果Fig.3 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of PH13-8Mo stainless steel substrate after aging at 510 ℃for 4h

图4 PH13-8Mo不锈钢在不同温度时效4h后的TEM形貌Fig.4 TEM morphology of PH13-8Mo stainless steel after aging at different temperatures for 4h：（a）dark field image and（b-d）bright field images

PH13-8Mo不锈钢在510～620℃时效处理时，随时效温度升高，析出相逐渐长大，弥散析出相与基体形成的共格关系逐渐被打破，发生过时效［4-5］，对位错的阻碍作用下降，硬度和强度随之降低；同时基体组织也随着温度升高而长大，晶界上的析出相又溶于基体组织中，冲击韧性增加。