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化学成分和热处理对AM355不锈钢组织和力学性能的影响探讨

孙永庆1，梁剑雄1，杨志勇1，李文辉1，张丽娜2

(1.钢铁研究总院结构材料研究所，北京 100081；2.抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁 抚顺 113001)

摘 要：为满足飞行器用材需求，进一步提高AM355不锈钢的强度和硬度，研究了3种成分的使用真空感应+电渣重熔工艺冶炼、经锻造成型的Φ80mmAM355不锈钢棒。钢棒经不同温度淬火后，再进行深冷+回火处理并测试其力学性能。试验结果表明，在相近的w(Creq)/w(Nieq)下，钼含量较高的不锈钢棒容易得到较高的强度和硬度，并具有一定的塑韧性。经最佳热处理工艺(1000℃×1h空冷+(-70℃)×8h+450℃×2h空冷+200℃×2h空冷)处理后，该AM355不锈钢棒的强度和硬度有大幅度提高，抗拉强度提高约100MPa，硬度提高约HRC5。力学性能可达到：抗拉强度1630MPa、屈服强度1380MPa、伸长率16%、面缩率59%、冲击值51J、硬度50HRC。对该AM355钢棒中碳化物的类型和析出行为进行了扫描电镜和透射电镜观察，探讨了强化机制。结论认为钼元素含量和淬火温度对AM355的强度和硬度影响较大。

关 键 词：AM355；力学性能；热处理；高强度；强化机制

AM355是一种半奥氏体沉淀硬化不锈钢，经退火后其组织为奥氏体及部分索氏体，切削加工性能良好；经淬火、冷处理后组织为马氏体。回火后组织中析出强化相，使其具有较高的强度、塑韧性，并且具有良好的耐腐蚀性能，被广泛应用于制造航空工业的螺栓、起落架等受力零部件[1]。

近年来，航空器性能的提高对材料强度、硬度等提出了更高的要求。在钢材产品更新换代之前，利用现有牌号钢种进行性能改进是普遍的做法。本文通过改变AM355不锈钢的化学成分和热处理工艺，探讨了影响其强度的几种因素和强化机制。

1 研究过程及方法

1.1 试验材料

本文研究的AM355不锈钢3种试验用料来自某钢厂生产的Φ80mm锻造棒材，均使用真空+电渣工艺冶炼，经开坯、改锻后，在横截面1/2半径处钻取样屑，分析其主要合金元素的含量，结果见表1。同样在此处取纵向力学性能试样进行热处理。热处理工艺为淬火+深冷+回火，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种(表2)。其区别在于淬火温度的不同，借以考察淬火温度对3种成分的AM355不锈钢的力学性能的影响。

1.2 试验方法

试样经热处理后制成标准拉伸试样(d0=5mm，l0=5d0)，在WE-300液压拉伸试验机上测定其抗拉强度、屈服强度。量取计算伸长率、面缩率。在JBN-300B型冲击试验机上测定冲击吸收功。在TH300洛氏硬度计上测定硬度。使用Neophot-21型光学显微镜拍摄金相照片。采用PHILIPSAPD-10型X射线衍射仪(XRD，CoKα)测量残余奥氏体量。在H800型透射电子显微镜上进行TEM观察。使用日立S-4300型场发射扫描电镜(SEM)观察形貌。试样制备过程为：将薄片试样机械减薄至30～40μm，用冲样器冲成直径3mm原片，再用双喷电解减薄仪减薄成薄膜试样。双喷液为无水乙醇+5%高氯酸溶液，温度为-20～30℃，电流为30～50mA。

2 试验结果

2.1 力学性能

3种成分的AM355不锈钢的力学性能与热处理工艺的关系如图1所示。可见，在950～1050℃之间保温、淬火，并进行深冷、回火之后，随着淬火温度的提高，材料的强度、硬度先升高后降低；而塑韧性指标(伸长率、面缩率、冲击值)则始终呈上升趋势。3号试样经第Ⅲ种热处理工艺处理后，其强度和硬度达到最大值，显著高于其余2种棒材所能达到的最高强度和硬度。此时3号试样的力学性能为：抗拉强度1630MPa，屈服强度1380MPa，硬度HRC50，伸长率16%，面缩率50%，冲击吸收功51J。

2.2 热处理对金相组织和残余奥氏体量的影响

3种成分的AM355不锈钢经第Ⅲ种热处理工艺处理后的金相组织如图2所示。可见，3种试验钢的金相组织均为马氏体+残余奥氏体。对3种试验钢的残余奥氏体体积分数进行测量，确认1号、2号、3号试样中残余奥氏体的体积分数分别为12.42%、12.59%和5.13%，其中3号试样的残余奥氏体量最少。

2.3 SEM及TEM观察

对3种试验钢经第Ⅲ种热处理工艺处理后的组织进行SEM观察，发现在晶界和晶内都存在一定数量的碳化物，但3号试样的碳化物数量较多。TEM观察发现，碳化物的种类主要为M23C6和M2C。

3 分析讨论

3种不锈钢材料经热处理后的力学性能测试结果表明，3号试样经第Ⅲ种热处理工艺处理后的强度最高，硬度可达HRC50，同时还保持了一定的塑韧性。因此有必要深入探讨3号试样的强化机制。

3.1 w(Creq)/w(Nieq)

众所周知，半奥氏体沉淀硬化不锈钢的金相组织与材料的w(Creq)/w(Nieq)有关。可按如下公式[2]计算3种AM355不锈钢的w(Creq)/w(Nieq)比：

w(Creq)=w(Cr)+1.5w(Si)+w(Mo)

w(Nieq)=w(Ni)+0.5w(Mn)+30(w(C)+w(N))

1、2、3号试样的w(Creq)/w(Nieq)分别为1.51、1.55和1.53。

可见，3种AM355不锈钢的名义w(Creq)/w(Nieq)并无显著差异，尤其是3号试样的w(Creq)/w(Nieq)介于其余二者之间。由此可见3号试样热处理后强度达到峰值与w(Creq)/w(Nieq)关系不大。

3.2 钼元素含量

由表1可知，3种AM355不锈钢的钼元素含量存在较大差别。钼元素在AM355不锈钢中除了作为间隙原子起到固溶强化的作用之外，主要是在深冷后回火时形成金属间化合物以及特殊的碳、氮化物，如MoC、Mo2C等，起到沉淀硬化强化作用[3]。钼在奥氏体中的极限溶解度只有2.82%[4]。3号试样的钼质量分数高达3.01%，因此钼元素除在基体中发生固溶外，必然还有剩余的钼元素与材料中的碳、氮元素形成一定数量的碳、氮化物，广泛分布于晶界及晶内(图3)。

3.3 淬火温度

在材料的淬火+深冷+回火的热处理工艺中，淬火温度对AM355不锈钢的性能具有重要的影响。淬火温度的升高，对材料的强度有两方面的影响。一方面碳及其他合金元素可以充分溶入奥氏体产生固溶强化，并保留在淬火后产生的马氏体中，提高材料强度；另一方面，在溶入合金元素后，奥氏体的稳定性升高，在随后的淬火过程中，组织中会保留大量的残余奥氏体，使材料强度降低而使塑韧性提高。这两方面的交互作用必然会使材料强度出现峰值。由图1可见，使3种AM355不锈钢的强度出现峰值的淬火温度在950～1000℃之间。同时，提高淬火温度促进碳化物溶解，会使碳化物阻碍晶界和位错运动等强化作用消失。而3号试样由于第3.2节中提到的原因，在高温加热过程中，晶界及晶内仍保留有大量的碳化物，有效地阻止了晶界和位错的运动。碳化物的存在吸收了较多含量的合金元素，使材料基体中的合金元素减少，因此残余奥氏体量会比较少。第2.2节的试验结果也证明了这一推论。

综上所述，3号试样在相对较低的淬火温度下，由于钼元素含量相对较高，钼元素除固溶外还有余量在晶界和晶内形成碳化物，有效阻碍了晶界和位错的运动，提高了材料的强度和硬度。同时，大量碳化物的存在使淬火后基体中的合金元素减少，残余奥氏体量较低，马氏体量较高，同样提高了材料强度。

此外，需要说明的是：AM355不锈钢经淬火、深冷、回火后，碳化物的种类主要是M23C6和M2C两种。有资料显示，AM355不锈钢淬火后在450℃回火会产生M2C型碳化物，而在600℃以上回火才可能生成M23C6型碳化物[5]。本文中M23C6型碳化物产生的原因，可能是M23C6型碳化物在开坯锻造等高温条件下就已经在晶界生成，后因淬火温度相对较低，保温时间较短，未能充分溶解，导致遗留。

4 结论

1)淬火温度对AM355不锈钢的强度具有较大的影响。将淬火温度控制在950～1000℃之间，随后进行深冷及回火，可以使材料强度和硬度达到峰值。

2)提高AM355不锈钢中钼元素的含量，并对其余镍、氮等元素进行相应调配，使w(Creq)/w(Nieq)基本不变，可明显减少热处理后材料组织中的残余奥氏体量，增加碳化物量，从而在保持一定塑韧性的同时，提高材料的强度和硬度。

参 考 文 献：

[1]   古立新，金建军.回火温度对1Cr15Ni4Mo3N钢组织和性能的影响[J].材料工程，2007(1)：7.

[2]   陆世英.不锈钢[M].北京：原子能出版社，1995.

[3]   赵先存.高强度超高强度不锈钢[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[4]   雍岐龙.钢铁材料中的第二相[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[5]   赵振业.合金钢设计[M].北京：国防工业出版社，1999.