马氏体不锈钢的中高温力学性能

陈 蕊， 包翠敏， 杨智鹏， 陈 炜， 王圣驰， 林 琳

(沈阳鼓风机集团股份有限公司， 辽宁 沈阳 110142)

不锈钢是在空气或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，其中把使用态组织为马氏体的一类不锈钢，称为马氏体不锈钢，通常该类不锈钢碳元素含量较高。其与奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢相比，具有更高的强度，良好的力学性能和高温抗氧化性能；在温度不高的大气、水和弱腐蚀介质中，表现出良好的耐腐蚀性能；但对于强酸的耐腐蚀性能较差。马氏体不锈钢与普通合金钢一样，可以通过淬火实现强化。根据不同牌号选择适宜的热处理工艺规范，从而能够在较大范围内获得不同的力学性能[1-5]。FV520B钢是英国Firth-Vickers材料研究室研究开发的一种马氏体沉淀硬化不锈钢，是在原FV520钢的基础上研制出的新型马氏体沉淀硬化不锈钢，是一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，具有优良的耐蚀性能和焊接性能，还具有良好的冲击性能和较大截面上理想的横向性能，主要应用于齿轮、螺栓、轴、轮盘、叶片、转子和泵件等场合。这种钢被引进后，一直活跃在风机行业，主要用来制造抽送含有腐蚀介质的中高速风机叶片[6-10]。目前，随着压缩机市场需求的不断拓宽，一些较高温度环境服役的需求越来越多，关于FV520B钢的常温性能已有大量研究，但关于其在高温下的研究甚少，而在风机行业会涉及到300～500 ℃的较高温度，因此进行马氏体不锈钢在中高温度段的性能研究对其在压缩机行业的更广泛应用具有重要意义。

1 试验材料及方法

FV520B钢的化学成分见表1所示，试验选取两个FV520B试棒，尺寸为φ405 mm×170 mm圆柱的1/4，分别对其进行两种不同时效温度的热处理，如表2所示。对热处理后的试样进行加工，用于中高温拉伸、蠕变、线膨胀系数测试，并将断口试样在扫描电镜下进行观察。

表1 FV520B钢的化学成分(质量分数，%)

表2 热处理工艺

2 结果与讨论

2.1 高温拉伸试验结果分析

对两种工艺热处理后的试验钢进行高温拉伸试验，试验温度为室温、300、350及500 ℃，结果如表3所示。由表3可知，工艺1(时效温度480 ℃)处理试样，拉伸试验温度为300～350 ℃时，抗拉强度和屈服强度下降，塑性形变差异不大；拉伸试验温度升至500 ℃时，与室温下相比，强度明显降低，说明在高温环境下，工艺1处理试样的强度有所下降。通过数据可知，工艺1处理试样在高温下依然保持着较高的强度且具有相对较好的塑性，因此其在高温下具有良好的综合性能。

表3 试验钢的中高温拉伸性能

工艺2(时效温度620 ℃)处理试样，高温下的强度明显低于工艺1的，强度随着测试温度的升高而下降，其中500 ℃时，强度下降幅度较大。且通过不同测试温度下屈服强度与室温下屈服强度的差值可知，两种工艺热处理后的屈服强度差值均随着测试温度的升高而增加，且工艺2处理试样的强度差值较工艺1的小，即高温对工艺2处理试样强度的影响小于工艺1。

图1 工艺1处理试验钢不同温度拉伸试验后的断口SEM图像Fig.1 SEM images of fracture of the tested steel treated by process 1 after tensile test at different temperatures(a) 300 ℃; (b) 350 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃； (a1-d1)宏观(macroscopic)； (a2-d2)纤维区(fibrous zone)；(a3-d3)剪切区(shear zone)

工艺1处理试样在中高温拉伸后的断口SEM图像如图1所示。300 ℃拉伸温度下，断口形貌为典型的杯锥状断口，杯锥状断口通常为韧性断口，主要由韧窝组成，部分第二相粒子存在于大韧窝中且无明显孔洞和源裂纹存在；当拉伸温度提高到350 ℃时，试样断口依然以韧性断裂为主，但有明显的裂纹，在宏观上能够看到少数解理平面，微观下可观察到韧窝深度变浅；当拉伸温度为400 ℃时，微观组织以韧窝为主，但尺寸变大，韧窝内部出现滑移，第二相粒子发生破碎，出现深坑和细小的裂纹；当拉伸温度达到500 ℃时，为韧性断裂，但有明显的源裂纹产生，且细小而独立的韧窝数量下降，在撕裂棱的作用下连接成韧窝带，大韧窝数量上升导致韧窝整体周长减小，相对于温度较低的试样断口，存在很多明显的细小孔洞。由图1可知，测试温度在300～500 ℃时，试样断裂均以韧性断裂为主，具有较好塑性。

工艺2处理试样高温拉伸后的断口SEM图像如图2所示。300 ℃拉伸时，试样断口存在大量细小韧窝，断裂区域开始出现沿晶断裂的现象，因此最终断裂属脆性断裂；350 ℃拉伸后，断口与300 ℃时相似，但试样最终断裂区存在滑移分离的特征，断裂方式为韧性断裂；拉伸温度为400 ℃时，宏观断口形貌为韧性断裂，部分较大韧窝在粒子处萌生，部分粒子处形成的韧窝壁上存在沿剪切方向的滑移分离，表明试样塑性变形能力较好；当拉伸温度为500 ℃时，断口宏观形貌为典型的杯锥状韧性断口，具有相对较好的塑性。

图2 工艺2处理试验钢不同温度拉伸试验后的断口SEM图像Fig.2 SEM images of fracture of the tested steel treated by process 2 after tensile test at different temperatures(a) 300 ℃; (b) 350 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃;(a1-d1)宏观(macroscopic)； (a2-d2)纤维区(fibrous zone)；(a3-d3)剪切区(shear zone)

2.2 高温蠕变试验结果分析

高温蠕变试验温度设定为300、400、500 ℃，载荷分别设定为FV520B钢在两种热处理情况下对应温度的屈服强度，目的在于考察试验对象在高温环境和实际载荷作用下的蠕变性能，部分试验结果如图3所示。

图3 不同工艺处理试验钢的高温蠕变曲线(a)工艺1；(b)工艺1；(c)工艺2Fig.3 High temperature creep curves of the tested steel treated by different processes(a) process 1； (b) process 1； (c) process 2

工艺1处理试样，蠕变温度为300 ℃时，载荷为屈服强度927 MPa，通过稳态蠕变区推算可知，当塑性变形为13%时，蠕变时间约为425 485 h(48年)；蠕变温度为400 ℃时，载荷为920 MPa，通过稳态蠕变区推算可知，当塑性变形为16%时，蠕变时间约为9643 h(1年)。可见，工艺1处理试样在高温300 ℃及屈服强度载荷下具有很好的抗蠕变性能，但在高温400 ℃及屈服强度载荷下，抗蠕变性能出现下降的情况。

工艺2处理试样，蠕变温度为500 ℃时，在对应屈服强度下，发生断裂，蠕变性能很差；蠕变温度为300 ℃时，在689 MPa载荷下，通过稳态蠕变区推算可知，当塑性变形为18%时，蠕变时间小于1年，蠕变性能较差。

对断裂后的试样进行断口扫描，分析其断裂原因，蠕变断口形貌如图4所示。在蠕变温度500 ℃下，工艺2处理试样的高温蠕变断口以韧性断裂为主，纤维区和放射区无明显界限。整个断口由大量的等轴韧窝构成，在剪切力的作用下，只有部分显微孔洞在最终断裂部位发生滑移，这也在一定程度上降低了工艺2处理试样的强度。工艺2处理试样在500 ℃下具有良好的韧塑性，这与其高温拉伸性能相似，施加载荷后开始产生大幅度应变。

图4 工艺2处理试验钢500 ℃蠕变断口形貌Fig.4 Creep fracture morphologies at 500 ℃ of the tested steel treated by process 2

2.3 中高温线膨胀系数试验结果分析

试验钢在300、400、500 ℃高温下的应变和线膨胀系数如表4所示，试验曲线如图5所示。试验所测线膨胀系数为瞬时线膨胀系数，即某具体温度点所对应的试样长度变化情况。试验设定温度区间为室温21～500 ℃，升温速度为5 ℃/min，仪器将记录升温过程中所有记录点的线膨胀系数并生成变化曲线。

表4 试验钢的高温应变及线膨胀系数

图5 不同工艺处理试验钢的线膨胀系数曲线(a)工艺1；(b)工艺2Fig.5 Linear expansion coefficient curves of the tested steel treated by different processes(a) process 1； (b) process 2

工艺1处理试样的应变程度最小，为5.4784×10-3(测试温度500 ℃)。对于大部分材料而言，当温度变化缩小到无限小时，瞬时线膨胀系数与应变成正比关系，材料高温应变越大，代表其线膨胀系数越高，反之亦然。由图5可知，随着温度的升高，两种工艺处理试验钢的线膨胀系数整体趋势都是快速上升而后趋于平缓。线膨胀的本质是材料受热后，内部原子间隙变大，宏观上表现为材料的伸长，线膨胀系数则代表着材料受热形变的能力。当温度为500 ℃时，工艺1处理试样的线膨胀系数较低，为11.694×10-6℃-1；工艺2处理试样的线膨胀系数为13.611×10-6℃-1。通过试验结果分析可知，工艺1处理试样的线膨胀系数较小，且在300～500 ℃之间的变化幅度小，不易受温度影响而发生较大的受热形变。在线膨胀作用下产生的应变都很小，远低于高温蠕变所造成的应变量。可见，在恒温恒应力的条件下，高温线膨胀对试验钢的影响有限。

3 结论

1) 随着试验温度的升高，FV520B钢强度呈下降趋势，但塑性较好，在高温段(400～500 ℃)，部分试样内部缺陷明显。时效温度480 ℃处理FV520B钢的综合性能较好，在500 ℃高温下，抗拉强度、屈服强度分别为918、875 MPa，其高温塑性形变较小；与480 ℃时效处理相比，620 ℃时效处理FV520B钢的高温屈服强度较低，抗高温形变能力低。

2) 时效温度为480 ℃的试样在300 ℃温度下，具有很好的抗蠕变性能。由于蠕变试验是根据实际工况设定的试验条件，所以按照此趋势，在屈服强度的稳定作用下，将长时间处于蠕变稳定阶段而不发生断裂，且保持平稳的应变，但在400 ℃温度下，蠕变性能下降；时效温度为620 ℃的试样在高温下蠕变性能较差。

3) 高温线膨胀系数反映了材质受热形变的能力，在300～500 ℃区间内，FV520B钢的线膨胀速率开始变得平缓，原子间距增加速率减慢，高温线膨胀作用受到一定的抑制。

4) 时效温度为480 ℃时，FV520B钢具有良好的中高温性能。