馬氏體不銹鋼的中高溫力學性能

陳 蕊， 包翠敏， 楊智鵬， 陳 煒， 王圣馳， 林 琳

(沈陽鼓風機集團股份有限公司， 遼寧 沈陽 110142)

不銹鋼是在空氣或化學腐蝕介質中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，其中把使用態組織為馬氏體的一類不銹鋼，稱為馬氏體不銹鋼，通常該類不銹鋼碳元素含量較高。其與奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼相比，具有更高的強度，良好的力學性能和高溫抗氧化性能；在溫度不高的大氣、水和弱腐蝕介質中，表現出良好的耐腐蝕性能；但對于強酸的耐腐蝕性能較差。馬氏體不銹鋼與普通合金鋼一樣，可以通過淬火實現強化。根據不同牌號選擇適宜的熱處理工藝規范，從而能夠在較大范圍內獲得不同的力學性能[1-5]。FV520B鋼是英國Firth-Vickers材料研究室研究開發的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，是在原FV520鋼的基礎上研制出的新型馬氏體沉淀硬化不銹鋼，是一種低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有優良的耐蝕性能和焊接性能，還具有良好的沖擊性能和較大截面上理想的橫向性能，主要應用于齒輪、螺栓、軸、輪盤、葉片、轉子和泵件等場合。這種鋼被引進后，一直活躍在風機行業，主要用來制造抽送含有腐蝕介質的中高速風機葉片[6-10]。目前，隨著壓縮機市場需求的不斷拓寬，一些較高溫度環境服役的需求越來越多，關于FV520B鋼的常溫性能已有大量研究，但關于其在高溫下的研究甚少，而在風機行業會涉及到300～500 ℃的較高溫度，因此進行馬氏體不銹鋼在中高溫度段的性能研究對其在壓縮機行業的更廣泛應用具有重要意義。

1 試驗材料及方法

FV520B鋼的化學成分見表1所示，試驗選取兩個FV520B試棒，尺寸為φ405 mm×170 mm圓柱的1/4，分別對其進行兩種不同時效溫度的熱處理，如表2所示。對熱處理后的試樣進行加工，用于中高溫拉伸、蠕變、線膨脹系數測試，并將斷口試樣在掃描電鏡下進行觀察。

表1 FV520B鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 熱處理工藝

2 結果與討論

2.1 高溫拉伸試驗結果分析

對兩種工藝熱處理后的試驗鋼進行高溫拉伸試驗，試驗溫度為室溫、300、350及500 ℃，結果如表3所示。由表3可知，工藝1(時效溫度480 ℃)處理試樣，拉伸試驗溫度為300～350 ℃時，抗拉強度和屈服強度下降，塑性形變差異不大；拉伸試驗溫度升至500 ℃時，與室溫下相比，強度明顯降低，說明在高溫環境下，工藝1處理試樣的強度有所下降。通過數據可知，工藝1處理試樣在高溫下依然保持著較高的強度且具有相對較好的塑性，因此其在高溫下具有良好的綜合性能。

表3 試驗鋼的中高溫拉伸性能

工藝2(時效溫度620 ℃)處理試樣，高溫下的強度明顯低于工藝1的，強度隨著測試溫度的升高而下降，其中500 ℃時，強度下降幅度較大。且通過不同測試溫度下屈服強度與室溫下屈服強度的差值可知，兩種工藝熱處理后的屈服強度差值均隨著測試溫度的升高而增加，且工藝2處理試樣的強度差值較工藝1的小，即高溫對工藝2處理試樣強度的影響小于工藝1。

圖1 工藝1處理試驗鋼不同溫度拉伸試驗后的斷口SEM圖像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)宏觀(macroscopic)； (a2-d2)纖維區(fibrous zone)；(a3-d3)剪切區(shear zone)

工藝1處理試樣在中高溫拉伸后的斷口SEM圖像如圖1所示。300 ℃拉伸溫度下，斷口形貌為典型的杯錐狀斷口，杯錐狀斷口通常為韌性斷口，主要由韌窩組成，部分第二相粒子存在于大韌窩中且無明顯孔洞和源裂紋存在；當拉伸溫度提高到350 ℃時，試樣斷口依然以韌性斷裂為主，但有明顯的裂紋，在宏觀上能夠看到少數解理平面，微觀下可觀察到韌窩深度變淺；當拉伸溫度為400 ℃時，微觀組織以韌窩為主，但尺寸變大，韌窩內部出現滑移，第二相粒子發生破碎，出現深坑和細小的裂紋；當拉伸溫度達到500 ℃時，為韌性斷裂，但有明顯的源裂紋產生，且細小而獨立的韌窩數量下降，在撕裂棱的作用下連接成韌窩帶，大韌窩數量上升導致韌窩整體周長減小，相對于溫度較低的試樣斷口，存在很多明顯的細小孔洞。由圖1可知，測試溫度在300～500 ℃時，試樣斷裂均以韌性斷裂為主，具有較好塑性。

工藝2處理試樣高溫拉伸后的斷口SEM圖像如圖2所示。300 ℃拉伸時，試樣斷口存在大量細小韌窩，斷裂區域開始出現沿晶斷裂的現象，因此最終斷裂屬脆性斷裂；350 ℃拉伸后，斷口與300 ℃時相似，但試樣最終斷裂區存在滑移分離的特征，斷裂方式為韌性斷裂；拉伸溫度為400 ℃時，宏觀斷口形貌為韌性斷裂，部分較大韌窩在粒子處萌生，部分粒子處形成的韌窩壁上存在沿剪切方向的滑移分離，表明試樣塑性變形能力較好；當拉伸溫度為500 ℃時，斷口宏觀形貌為典型的杯錐狀韌性斷口，具有相對較好的塑性。

圖2 工藝2處理試驗鋼不同溫度拉伸試驗后的斷口SEM圖像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)宏觀(macroscopic)； (a2-d2)纖維區(fibrous zone)；(a3-d3)剪切區(shear zone)

2.2 高溫蠕變試驗結果分析

高溫蠕變試驗溫度設定為300、400、500 ℃，載荷分別設定為FV520B鋼在兩種熱處理情況下對應溫度的屈服強度，目的在于考察試驗對象在高溫環境和實際載荷作用下的蠕變性能，部分試驗結果如圖3所示。

圖3 不同工藝處理試驗鋼的高溫蠕變曲線(a)工藝1；(b)工藝1；(c)工藝2Fig.3 High temperature creep curves of the tested steel treated by different processes(a) process 1； (b) process 1； (c) process 2

工藝1處理試樣，蠕變溫度為300 ℃時，載荷為屈服強度927 MPa，通過穩態蠕變區推算可知，當塑性變形為13%時，蠕變時間約為425 485 h(48年)；蠕變溫度為400 ℃時，載荷為920 MPa，通過穩態蠕變區推算可知，當塑性變形為16%時，蠕變時間約為9643 h(1年)。可見，工藝1處理試樣在高溫300 ℃及屈服強度載荷下具有很好的抗蠕變性能，但在高溫400 ℃及屈服強度載荷下，抗蠕變性能出現下降的情況。

工藝2處理試樣，蠕變溫度為500 ℃時，在對應屈服強度下，發生斷裂，蠕變性能很差；蠕變溫度為300 ℃時，在689 MPa載荷下，通過穩態蠕變區推算可知，當塑性變形為18%時，蠕變時間小于1年，蠕變性能較差。

對斷裂后的試樣進行斷口掃描，分析其斷裂原因，蠕變斷口形貌如圖4所示。在蠕變溫度500 ℃下，工藝2處理試樣的高溫蠕變斷口以韌性斷裂為主，纖維區和放射區無明顯界限。整個斷口由大量的等軸韌窩構成，在剪切力的作用下，只有部分顯微孔洞在最終斷裂部位發生滑移，這也在一定程度上降低了工藝2處理試樣的強度。工藝2處理試樣在500 ℃下具有良好的韌塑性，這與其高溫拉伸性能相似，施加載荷后開始產生大幅度應變。

圖4 工藝2處理試驗鋼500 ℃蠕變斷口形貌Fig.4 Creep fracture morphologies at 500 ℃ of the tested steel treated by process 2

2.3 中高溫線膨脹系數試驗結果分析

試驗鋼在300、400、500 ℃高溫下的應變和線膨脹系數如表4所示，試驗曲線如圖5所示。試驗所測線膨脹系數為瞬時線膨脹系數，即某具體溫度點所對應的試樣長度變化情況。試驗設定溫度區間為室溫21～500 ℃，升溫速度為5 ℃/min，儀器將記錄升溫過程中所有記錄點的線膨脹系數并生成變化曲線。

表4 試驗鋼的高溫應變及線膨脹系數

圖5 不同工藝處理試驗鋼的線膨脹系數曲線(a)工藝1；(b)工藝2Fig.5 Linear expansion coefficient curves of the tested steel treated by different processes(a) process 1； (b) process 2

工藝1處理試樣的應變程度最小，為5.4784×10-3(測試溫度500 ℃)。對于大部分材料而言，當溫度變化縮小到無限小時，瞬時線膨脹系數與應變成正比關系，材料高溫應變越大，代表其線膨脹系數越高，反之亦然。由圖5可知，隨著溫度的升高，兩種工藝處理試驗鋼的線膨脹系數整體趨勢都是快速上升而后趨于平緩。線膨脹的本質是材料受熱后，內部原子間隙變大，宏觀上表現為材料的伸長，線膨脹系數則代表著材料受熱形變的能力。當溫度為500 ℃時，工藝1處理試樣的線膨脹系數較低，為11.694×10-6℃-1；工藝2處理試樣的線膨脹系數為13.611×10-6℃-1。通過試驗結果分析可知，工藝1處理試樣的線膨脹系數較小，且在300～500 ℃之間的變化幅度小，不易受溫度影響而發生較大的受熱形變。在線膨脹作用下產生的應變都很小，遠低于高溫蠕變所造成的應變量。可見，在恒溫恒應力的條件下，高溫線膨脹對試驗鋼的影響有限。

3 結論

1) 隨著試驗溫度的升高，FV520B鋼強度呈下降趨勢，但塑性較好，在高溫段(400～500 ℃)，部分試樣內部缺陷明顯。時效溫度480 ℃處理FV520B鋼的綜合性能較好，在500 ℃高溫下，抗拉強度、屈服強度分別為918、875 MPa，其高溫塑性形變較小；與480 ℃時效處理相比，620 ℃時效處理FV520B鋼的高溫屈服強度較低，抗高溫形變能力低。

2) 時效溫度為480 ℃的試樣在300 ℃溫度下，具有很好的抗蠕變性能。由于蠕變試驗是根據實際工況設定的試驗條件，所以按照此趨勢，在屈服強度的穩定作用下，將長時間處于蠕變穩定階段而不發生斷裂，且保持平穩的應變，但在400 ℃溫度下，蠕變性能下降；時效溫度為620 ℃的試樣在高溫下蠕變性能較差。

3) 高溫線膨脹系數反映了材質受熱形變的能力，在300～500 ℃區間內，FV520B鋼的線膨脹速率開始變得平緩，原子間距增加速率減慢，高溫線膨脹作用受到一定的抑制。

4) 時效溫度為480 ℃時，FV520B鋼具有良好的中高溫性能。