马氏体时效钢等温时效析出行为

2022-10-25方慧亮呼陟宇翟亭亭薛春江王海燕

金属热处理 2022年10期

方慧亮，呼陟宇，吕萌，伍健，翟亭亭，薛春江，王海燕

(1. 内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014010；2. 内蒙古科技大学工程训练中心，内蒙古包头 014010)

马氏体时效钢是超高强度钢中性能最为优异的钢种之一，具有高强度、良好的韧性、成型性及焊接性等特点。目前已广泛应用于火箭与导弹的发动机、飞机起落架、超高压容器、原子能以及模具钢等领域，其主要通过固溶强化、相变强化和时效强化的综合作用来实现性能提升[1-3]。

为了实现马氏体时效钢性能的进一步提升，目前仍有很多科学及工程问题亟待解决，其中，时效过程中沉淀析出相的长大与热稳定性控制是重要研究内容[4-5]。因此，本文以马氏体时效钢为研究对象，通过等温时效处理，深入探索了其时效析出行为及强韧性机制，为构件服役过程的安全性与性能稳定性控制提供理论支持与试验依据。

1 试验材料与方法

马氏体时效钢的化学成分(质量分数，%) 为0.03C、16Ni、8.53Co、4.31Mo、0.65Ti、0.07Al和0.05Nb。将熔炼成铸锭的试验钢切割成15 mm×15 mm×15 mm的试样，然后放入真空管式炉，在氩气气氛保护下于900 ℃保温1 h，以保证试验钢充分固溶(空冷)。随后在500 ℃进行等温时效处理，时效时间分别为0.5、1、6、12、24和48 h。时效结束后，试验钢空冷至室温。

将固溶和时效处理后的试样进行磨制、抛光，采用 5 g 氯化铜+30 mL盐酸+25 mL酒精+40 mL去离子水配置的腐蚀溶液浸蚀，利用Axio Vret.Al型光学显微镜(OM)和Zeiss Sigma 300型场发射扫描电镜(SEM)进行显微组织观察与析出相分析。同时，在HV-30型硬度计上进行硬度测试，载荷砝码30 kg，加载时间10 s。

2 试验结果与分析

图1为试验钢在500 ℃等温时效过程中的硬度变化曲线。从图1可以看出，试验钢在500 ℃等温时效过程中，随时效时间延长，其硬度呈先增加后降低的趋势。仅固溶处理的试验钢硬度值为329 HV30，时效0.5 h后硬度迅速增加到518 HV30。时效时间达到12 h后硬度达到峰值，为585 HV30。进一步延长时效时间，硬度有所下降，并保持稳定。研究表明[6-7]，在马氏体时效钢热处理过程中，同时存在着沉淀析出强化、金属间化合物的析出以及奥氏体回复软化3个方面的强化作用。时效强化阶段，析出强化占主导，经过一段时间的时效保温，基体中第二相粒子开始缓慢析出，且大部分析出相分布在晶界等缺陷处，这些大量弥散析出的析出相能够很好地阻碍位错运动，对位错起到了钉扎作用，使位错迁移变得困难，从而起到了析出强化的作用。随时效时间继续延长，基体和析出相界面处的Ni界面偏析会导致逆转变奥氏体的形成，从而使反向奥氏体含量增加，导致马氏体时效钢的硬度下降，使软化占据主导地位[8-9]，即试验钢进入了过时效阶段。因此，在时效处理后期，试验钢出现软化现象。

图1 试验钢在500 ℃等温时效过程中的硬度Fig.1 Hardness of the tested steel during isothermal aging at 500 ℃

将等温时效处理后的试样进行显微组织观察，如图2所示。从图2可以看出，试验钢的基体组织主要为板条马氏体，每组板条束之间相互取向不同，并且以交叉分布的形式存在。同一个板条束内部，每个板条的取向基本一致。对试验钢的晶粒尺寸进行统计分析可知，在图2(a～c)中，随着时效时间的延长，马氏体板条尺寸从0.5 μm增加到0.8 μm，马氏体组织有逐渐粗化的趋势。图2(d～f)中马氏体板条边界变得越来越模糊。董福元等[10]认为，随着时效时间延长，位错激活能增加使得大量位错发生迁移，迁移过程中由于位错的相互作用，部分位错合并消失，高密度缠结的位错开始发生回复，最终导致位错密度逐渐降低，马氏体板条开始分解，但整体仍保持板条形态。

图2 试验钢500 ℃等温时效过程中的显微组织变化Fig.2 Microstructure evolution of the tested steel during isothermal aging at 500 ℃(a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 6 h; (d) 12 h; (e) 24 h; (f) 48 h

为了进一步分析试验钢在时效处理后显微组织与析出相的变化规律，利用场发射扫描电镜观察了试验钢经0.5、1、6和12 h时效处理后的显微组织，结果如图3所示。由图3(a,b)可以看出，板条马氏体基体中存在细小呈圆形的析出物，析出相尺寸在5～10 nm之间。图3(c)所示析出相颗粒密度增加，颗粒尺寸也在逐渐增大。这说明在0.5～6 h的短时间时效过程中，析出相开始析出并有不断变化长大的趋势。当时效时间增加到12 h时，如图3(d)所示，部分析出相呈细小短棒状，此时的析出相尺寸为20～25 nm。这是因为时效处理形成的析出物使系统具有很高的界面能，此时系统仍是不稳定的。为了减小总的界面能，析出颗粒将以大颗粒长大和小颗粒溶解的方式粗化，即Ostwald 熟化[11]。

图3 试验钢500 ℃等温时效过程中析出相的变化Fig.3 Change of precipitated phase in the tested steel during isothermal aging at 500 ℃(a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 6 h; (d) 12 h

研究表明[12-14]，合金的强度取决于析出相的大小、尺寸、数量、分布、间距及其与基体的位向关系。当位错绕过析出相时，由于位错线需要发生弯曲以绕过的方式通过析出相，因此需要更大的外加应力才能使位错越过析出相颗粒而继续滑移，由此实现析出强化。析出过程中能量驱动力主要是化学自由能变化的差值，阻力为克服界面以及析出相形成的应变能[15]。