時效溫度對PH13-8Mo不銹鋼組織和力學(xué)性能的影響

張 湛，薛 春，黃春波，陳有光，王玲奇，陸 超

（1.上海材料研究所，上海200437；2.上海市軸承技術(shù)研究所，上海200031）

0 引 言

馬氏體時效不銹鋼是由低碳馬氏體相變強(qiáng)化和時效強(qiáng)化兩種強(qiáng)化效應(yīng)疊加的高強(qiáng)度不銹鋼，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械制造、原子能等領(lǐng)域。近30a來，馬氏體時效不銹鋼的開發(fā)和研究取得了很大進(jìn)步［1］。

馬氏體時效不銹鋼的代表鋼種為0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）和 0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），它們一般用于制造在400℃以下環(huán)境中工作的高強(qiáng)耐蝕承力構(gòu)件，如發(fā)動機(jī)零件、緊固件等。PH13-8Mo不銹鋼在航空承力耐蝕中溫結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)已代替17-4PH鋼應(yīng)用于美國海軍艦載機(jī)——F/A18超級大黃蜂和E-2C鷹眼預(yù)警機(jī)的起落架中；此外，空客A340-300型客機(jī)的機(jī)翼梁也采用了該鋼。在對高強(qiáng)度和高韌性（特別是沖擊性能）有特殊要求的部位，如機(jī)身框架，均要求使用PH13-8Mo不銹鋼。目前，PH13-8Mo不銹鋼作為高強(qiáng)度耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料已廣泛用于海上平臺、航空、航天等。但在國內(nèi)，無論是民用飛行器還是軍用武器裝備，該鋼都未能得到推廣使用［2］。在耐腐蝕高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼的使用上，我國軍、民裝備仍在使用那些已被發(fā)達(dá)國家淘汰的材料，如17-4PH等。此外，PH13-8Mo不銹鋼至今仍未列入我國沉淀硬化不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)牌號中，而且國內(nèi)對于其力學(xué)性能、耐腐蝕性能的研究還不完善，對其冶煉及熱處理工藝亦未能完全掌握。為此，作者研究了不同時效溫度對PH13-8Mo不銹鋼力學(xué)性能和顯微組織的影響，希望能為今后此類材料的研制和開發(fā)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用PH13-8Mo不銹鋼取自自產(chǎn)的φ25mm熱鍛棒材，其化學(xué)成分如表1所示。該鋼采用真空冶煉和電渣重熔雙聯(lián)凈化工藝制備，制備過程中充分去除氣體，以減少偏析、低熔點(diǎn)雜質(zhì)和去除非金屬夾雜物，在WZC-30型30kg雙室真空油淬爐內(nèi)對試驗(yàn)鋼進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為930℃，保溫1h；然后在SX2-8-10型工業(yè)熱處理電阻爐內(nèi)進(jìn)行時效處理，時效溫度為480，510，540，565，590，620℃，保溫時間為4h。

表1 PH13-8Mo不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of PH13-8Mo stainless steel（mass） %

制備的硬度試樣的兩端面、拉伸試樣的標(biāo)距部位及沖擊試樣的表面粗糙度（Ra）不大于5μm。采用8150LK型洛氏硬度計(jì)測試驗(yàn)鋼的洛氏硬度；采用LEICA-DMLM型光學(xué)顯微鏡觀察試驗(yàn)鋼的顯微組織；采用Philips XL-30型掃描電鏡（SEM）觀察試驗(yàn)鋼的顯微形貌，并進(jìn)行微區(qū)成分分析；參考GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣，并在ZWICK-Z400型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣的標(biāo)距尺寸為φ10mm×50mm，屈服強(qiáng)度階段的拉伸速度為1mm·min-1，抗拉強(qiáng)度階段則為25mm·min-1；參考GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，在ZBC-2302-Z型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣的尺寸為10mm×10mm×55mm，開V型缺口，沖擊能量為300J。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取三個試樣的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

由表2可見，PH13-8Mo不銹鋼經(jīng)固溶處理后的硬度、強(qiáng)度較低，沖擊功較高，為180J；均隨著時效溫度升高，PH13-8Mo不銹鋼的硬度、強(qiáng)度均先升高后降低，并在510℃時達(dá)到最高，但此時的沖擊功較低，為37.4J。

表2 PH13-8Mo不銹鋼經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of PH13-8Mo stainless steel after different heat treatments

2.2 顯微組織

由圖1可見，PH13-8Mo不銹鋼在930℃固溶后的組織為馬氏體和奧氏體；在480℃時效處理后的組織為回火馬氏體和少量析出相；在510℃時效處理后的組織為回火馬氏體和彌散分布的析出相；在620℃時效處理后的組織主要為回火索氏體和粒狀析出相。

2.3 SEM形貌和EDS譜

由圖2可見，PH13-8Mo不銹鋼在510℃時效4h后，出現(xiàn)了極個別較大的（微米級）析出相，該相中鎳和鋁元素的含量均較高，且它們的原子分?jǐn)?shù)比為2.98，接近于3，表明該析出相為金屬間化合物Ni3Al。由圖3可見，PH13-8Mo不銹鋼基體中鋁和鎳的含量基本與熱處理前的接近。

2.4 TEM形貌

由圖4可以看出，PH13-8Mo不銹鋼在480℃時效4h后，僅有少量析出相，且析出相尺寸非常小（納米級），分布也不均勻；在510℃時效4h后，析出相尺寸與480℃時效的相比基本無變化，但數(shù)量明顯增多，且分布的較為均勻；在565℃時效4h后，析出相的數(shù)量、分布均勻性與510℃時效后的相比無明顯變化，但部分析出相開始長大，且長大速度不同；在620℃時效4h后，析出相的數(shù)量、分布均勻性與565℃時效后的相比基本不變，析出相繼續(xù)長大，且長大速度不同。

2.5 討 論

PH13-8Mo不銹鋼的時效硬化是在其在時效過程中析出金屬間化合物Ni3Al的結(jié)果［3］，析出相的數(shù)量取決于時效溫度和時間，在時效時間一定的情況下，時效溫度的高低決定了析出相的數(shù)量和尺寸。

PH13-8Mo不銹鋼在480℃時效后，硬度、強(qiáng)度比固溶狀態(tài)的高，析出了少量析出相；在510℃時效后的硬度和強(qiáng)度最高，此時析出相完全析出且尺寸較小，故最佳的時效溫度約為510℃。在480℃和510℃時效后，彌散析出相與基體形成共格關(guān)系，增大了基體的硬度和強(qiáng)度，但析出相在晶界的析出會影響晶界的結(jié)合，從而導(dǎo)致沖擊韌性降低。

圖1 PH13-8Mo不銹鋼經(jīng)不同熱處理后的的顯微組織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

圖2 PH13-8Mo不銹鋼在510℃時效4h后析出相的SEM形貌和EDS分析結(jié)果Fig.2 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of precipitates in PH13-8Mo stainless steel after aging at 510 ℃ for 4h

圖3 PH13-8Mo不銹鋼在510℃時效4h后基體的SEM形貌和EDS分析結(jié)果Fig.3 SEM morphology（a）and EDS analysis results（b）of PH13-8Mo stainless steel substrate after aging at 510 ℃for 4h

圖4 PH13-8Mo不銹鋼在不同溫度時效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不銹鋼在510～620℃時效處理時，隨時效溫度升高，析出相逐漸長大，彌散析出相與基體形成的共格關(guān)系逐漸被打破，發(fā)生過時效［4-5］，對位錯的阻礙作用下降，硬度和強(qiáng)度隨之降低；同時基體組織也隨著溫度升高而長大，晶界上的析出相又溶于基體組織中，沖擊韌性增加。

3 結(jié) 論

（1）PH13-8Mo不銹鋼在930℃固溶后再在510℃時效4h后具有最高的硬度和強(qiáng)度，但此時的沖擊韌性較低；在510～620℃時效時，隨著時效溫度的升高，硬度和強(qiáng)度下降，沖擊韌性增加。

（2）PH13-8Mo不銹鋼在930℃固溶后的組織為馬氏體和奧氏體，在480℃時效后的組織為回火馬氏體和少量Ni3Al析出相，在510℃時效后的組織主要為回火馬氏體和彌散分布的Ni3Al析出相；經(jīng)620℃時效處理后的組織為回火索氏體和粒狀析出相。

（3）PH13-8Mo不銹鋼在480℃時效時開始析出金屬間化合物Ni3Al，該析出相隨時效溫度升高而逐漸長大和增多。

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