探究金属材料热处理的影响因素

张洁溪，方 雅，王 璇

（河南工业职业技术学院，河南 南阳473000）

1 实验材料及方法

实验用马氏体钢包壳管材的外径为12 mm、壁厚0.8 mm，经过真空感应熔炼+电渣重熔→1 160 ℃多道次热锻→1 160 ℃热挤压→精整+中间多道次冷轧→最终冷轧成管。本文所选用的材料是在HT9 马氏体钢的基础上添加了0.15 mass%Nb、并对V 和W 等微量元素的含量进行调整，具体成分如表1 所示。

采用 Bruker D8 Focus X 射线衍射仪（Cu Ka 辐射，l=0.154 06 nm）检测热处理合金样品的结构；利用OLYMPUS光学显微镜（OM）观察微观组织，选用FeCl3·6H2O（5 g）+HCl（25 mL）+C2H5OH（25 mL）腐蚀液，利用FEI Nova NanoSEM-400 扫描电镜和JEOLJSM-6700F 场发射透射电镜进一步表征其微观组织和第二相析出粒子的结构，选用10%高氯酸+90%冰乙酸双喷液；样品在MTS810 拉伸实验机上进行室温和高温600 ℃下的拉伸实验，拉伸样品的标距为25 mm，拉伸速率为1.5 mm/min；使用Image-J 软件对晶粒尺寸和体积分数进行统计，晶粒尺寸采用手动统计测量多个晶粒取平均值，体积分数通过测定析出相区域面积分数来代替体积分数。此外，采用JMatPro 软件对本工作采用的成分合金进行了热力学计算。

表1 Fe-12Cr 马氏体钢包壳管材的化学成分（质量分数，%）

2 实验结果与讨论

2.1 热力学计算结果

采用JMatPro 软件计算Fe-12Cr 马氏体钢的析出相随温度的变化规律，发现材料在900～1 200 ℃较宽的温度范围保温后淬火会得到全部的马氏体组织；而在700～800 ℃的较低温度范围内时，析出相主要为M23C6 和M（C，N）碳化物，析出相的体积分数基本保持不变，分别约为4%和0.2%。当温度低于650 ℃时，还会有少量Laves 相析出，且随温度降低，含量逐渐升高。

2.2 不同热处理状态下的微观组织演化

Fe-12Cr 马氏体钢包壳管材冷轧及在不同温度下保温30 min 和15 min 后的微观组织，如图1 所示。可以看出，在未经正火处理的冷轧态下，合金中存在大量的碳化物粒子；当在980～1 050 ℃下保温30 min 后，大量析出的碳化物粒子可以重新固溶于奥氏体中，经水淬后，形成马氏体组织。随正火温度的升高，碳化物粒子的残存量越来越少，至1 050 ℃下，只存在极少量碳化物粒子。另外，对形成马氏体的原奥氏体晶粒尺寸进行了统计，原奥氏体晶粒尺寸会随正火温度升高而增加，在980 ℃×30 min 时，原奥氏体晶粒尺寸约为9 μm，在1 050 ℃×30 min 时，晶粒尺寸增加至12 μm。研究表明，原奥氏体晶粒尺寸会对马氏体钢的力学性能产生影响，尺寸越大，强度和塑性均越低。此外，在抑制奥氏体晶粒过大的同时，需要让粗大碳化物粒子回溶至奥氏体中，以此保证马氏体钢获得最优的力学性能。对不同正火温度处理的马氏体钢中碳化物粒子的体积分数进行了统计，结果表明随温度的升高，碳化物粒子体积分数逐渐下降，说明碳化物逐渐重溶至奥氏体中，在1 050 ℃下保温15～30 min 时，碳化物粒子体积分数仅为0.15%左右。

2.3 室温和600 ℃下包壳管材的拉伸性能

对不同温度回火处理后的管材样品分别进行了室温和高温600 ℃下的拉伸性能测试，样品在不同温度回火2 h 后的力学性能如表2 所示。表2 列出了合金的屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm和伸长率A。可以看出，室温下样品的强度随着回火温度的提高逐渐降低，屈服强度由730 ℃回火时的696 MPa 降低至790 ℃回火时的561 MPa；在760 ℃回火时，样品的屈服强度为641 MPa，略低于730 ℃回火时的强度。高温600 ℃下的拉伸测试结果表明回火处理后的强度随回火温度升高略有降低，但降幅不大，其中屈服强度为230～270 MPa，且730 ℃回火和760 ℃回火处理的性能相差不大，屈服强度约为260 MPa。此外，760 ℃回火处理的样品在600 ℃下具有出更优异的拉伸塑性，其伸长率为40%，高于730 ℃和790 ℃下回火处理的样品性能。推测因为在760 ℃回火处理后，马氏体板条间的碳化物粒子仍保持在非常细小尺寸的弥散析出，纳米碳化物粒子的粗化现象不明显，从而使得760 ℃回火处理后的管材试样在保持高强度的同时仍具有非常好的塑性。

图1 Fe-12Cr 马氏体管材钢在冷轧态及不同温度正火处理后的微观组织（OM 和SEM）

表2 样品在不同温度回火2 h 后的力学性能

3 结论

冷轧态下，合金马氏体基体中存在粗大的碳化物粒子，经980～1 050 ℃正火处理15～30 min 后，粗大碳化物粒子会重溶于基体中；随着正火温度的升高，碳化物粒子含量逐渐减少，至1 050 ℃时，体积百分数仅约为0.13%；原奥氏体晶粒尺寸会产生粗化，从980 ℃的9 μm 增至1 050 ℃的12 μm；1 050 ℃×15 min 正火处理可使得合金保持较小的原奥氏体晶粒尺寸，确保粗大碳化物粒子充分溶入到马氏体基体中。

马氏体包壳管材最佳的热处理工艺为1 050 ℃×15 min正火+760 ℃×2 h 回火处理，此时表现出最佳的力学强度和塑性，在室温下的屈服强度为852 MPa，伸长率为24%；在高温600 ℃下的屈服强度为270 MPa，伸长率为40%。