摘  要：采用SEM、金相、Gleeble 3800观察和分析了TGOGl 3Cr 1超级马氏体不锈钢在不同热处理制度下的组织转变和力学性能的变化情况。试验结果表明，TGOGl3Cr一1室温下的显微组织为低碳回火马氏体，其Ac x为720℃、A如为860℃、呱为281℃、Mf为157℃；在相同的淬火温度和回火工艺下，采用水淬较空冷更容易实现对力学性能的控制；随着回火温度的升高，合金的强度、硬度越低，塑性、韧性越好。

关键词：超级马氏体不锈钢；淬火+回火；强度；塑性

      TGOGl3Cr一1是在API一13Cr基础上开发的一种新型油气管线用超级马氏体不锈钢，其设计时舍弃了高碳马氏体与形成碳化物的强化手段，而以具有高韧性的马氏体和以Ni、Mo等合金元素补充强化作为主要强化手段，配以适当的热处理，使之具有良好的强度、韧性、耐磨性以及抗CO₂和抗少量H₂S腐蚀性能。

    由于国内对该钢研究较少，给工业化生产带来一定困难。为了增加对它的了解和认识，太钢采用130 kg真空感应炉对该钢进行了试制。本文重点介绍不同热处理制度下TGOGl3Cr一1组织转变和力学性能的变化情况，为批量试制奠定了基础。

1试验材料及方法

1．1试验材料

    采用中试车问130 kg真空感应炉熔炼TGOGl3Cr一1钢锭，其化学成分(质量分数，％)为：C 0．01、Si 0．23、Mn 0．46、P 0．012、S 0．011、Cr12．52、Ni 4．48、Mo 0．96、N 0．044，将钢锭锻造成ø25 mm×300 mm的圆棒。热处理(表1)后将圆棒机加工成ø10 mm×l20 mm的M15热模拟拉伸试样、20 mm×20 mm金相试样和标准力学拉伸试样，进行相应试验。

1．2试验方法

采用金相和SEM观察不同热处理制度下的组织及其变化，进行断口形貌分析，试样腐蚀液为10 gFeCl₃+30 mL HCL+120 mLH₂O。

    在Gleeble 3800热模拟机上，用体积膨胀法测量相转变点，采用加热法和冷却法进行500℃的热拉伸对比试验。

    按照GB228、GB230要求测试材料的屈服强度R小抗拉强度Rm、伸长率A。

2  试验结果与分析

2．1  组织观察及热模拟试验

    如图1所示，TGOGl3Cr_1经过淬火+回火处理后，其室温的显微组织为低碳回火马氏体。它是在Fe—Cr—C马氏体不锈钢基础上，通过降低C含量、添加Ni、Mo，、N得到的一种新型马氏体不锈钢，属于超低碳Cr-Ni型马氏体不锈钢。与传统马氏体不锈钢(例如2Crl3、3Crl3)相比，该钢在淬火条件下形成的马氏体板条中由于碳含量低，同时又受到Ni、N等合金元素的影响，增加了淬火后组织中的残留奥氏体，因此与2Crl3、3crl3相比，除具有较高的强度、硬度以外，还具有良好的塑性和韧性。

    如图2所示，在Gleeble 3800热模拟试验机上采用体积膨胀法测试TGOGl3cr-1相转变点的试验中，合金从室温升到720℃，随着加热温度的升高，体积呈线形膨胀；在720～860℃，随着温度升高，体积收缩；在860℃以上，随着温度的继续升高，体积又开始膨胀，此阶段的膨胀速率与720℃以下的不同，考虑到马氏体和奥氏体膨胀率的不同，可以推断材料在从室温到1150℃过程中发生了马氏体向奥氏体的相变，720℃开始发生相转变，至860℃转变结束。从1150℃冷却到室温的过程中可以观察到：在1150～281℃，随着温度的下降，材料的体积收缩基本为线性收缩；在281～157℃，随着温度的降低，体积开始膨胀；在1 5 7℃至室温的冷却过程中，随着温度的降低，体积开始收缩。由于实验室在该过程的冷却不是强制冷却，此冷却过程中体积随温度变化的斜率与加热过程中该段温度的斜率出现不符。这样可以推断，合金在冷却过程中发生了相转变，且在281℃开始出现奥氏体向马氏体的转变，至157℃转变结束。

    为了验证该钢的组织转变过程，用加热法和冷却法进行了500℃的热拉伸对比试验。试验结果表明，采用加热法时，材料的抗拉强度为1 013．94MPa，断面收缩率为51％，采用冷却法时，材料的抗拉强度为334．9 MPa，断面收缩率为78．384％。对拉伸后的断口形貌进行SEM分析，结果如图3所示，可见采用加热法和冷却法，断口形貌均属韧性断裂。冷却法的断口韧窝深、尺寸大，而加热法的断口韧窝浅，尺寸小。这说明材料采用冷却法时较加热法具有更好的塑性。考虑到马氏体和奥氏体相比，马氏体具有更高的变形抗力，塑性也偏低，因此也说明材料用加热法进行形变的组织应为马氏体，用冷却法进行形变的组织应为奥氏体。

    根据以上分析，确定材料在升温过程中，在720℃开始发生马氏体向奥氏体的转变，至860℃转变结束。用加热法进行形变的组织为马氏体，变形抗力高，塑性偏低。在冷却过程中，材料在281℃发生奥氏体向马氏体的转变，至157℃转变结束，用冷却法进行形变时材料的变形抗力小，塑性也好，材料的组织应是奥氏体。

    综上所述，TGOGl3Cr-1在室温下的显微组织为低碳回火马氏体，其Ac1，为720℃、Ac3为860℃、Ms为281℃、Mf为157℃。

2．2热处理工艺对组织和性能的影响

图4给出了在不同淬火条件、不同回火温度下，TGOGl3Cr_1的力学性能。可以看出，在相同的淬火温度和回火工艺下，水淬与空冷相比，抗拉强度、屈服强度以及伸长率的波动范围更窄，且水淬对力学性能的影响更加明显、更呈线性变化，因此在工业化生产中采用水淬的淬火冷却过程，更容易实现对钢的力学性能进行有效控制；此外还可以看出，当采用水淬时，在相同的淬火温度下，随着回火温度的升高，屈服强度、抗拉强度降低，伸长率升高。

    如前所述，在将该材料加热到1 040℃过程中，将发生马氏体向奥氏体的转变，保温能使之充分奥氏体化和成分均匀化。随后在冷却到室温的过程中，发生了奥氏体向马氏体的转变。在该过程中，马氏体的转变是不能进行到底的，即不可能在室温获得100％的马氏体组织，淬火后组织中或多或少要保留一部分残留奥氏体。而淬火后残留奥氏体的数量不仅决定于冷却前奥氏体的化学成分，同时也与冷却速度有关。增加冷却速度，则减少钢中残留奥氏体的数量，例如在大于临界冷却速度时，水冷比油冷的残留奥氏体量有所减少。而就冷却速度而言，水冷>油冷>空冷，因此水冷后组织中残留奥氏体比空冷要少，而马氏体较多。如图5所示，在相同的淬火温度下，将TGOGl3Cr一1以水冷和空冷两种方式冷却到室温，均可以得到马氏体和残留奥氏体的复相组织，不同的是两种淬火形成的马氏体和残留奥氏体的数量略有差异。前者的马氏体较后者多，而残留奥氏体的数量较少。由于冷却速度快，受到冷却环境的影响小于空冷，水淬的组织较空冷更均匀，因此从性能上也可以看出，经其它条件相同的淬火和回火工艺处理后，采用水冷者的性能更具有规律性，在生产中更容易得到控制。

    在随后的回火过程中，由于马氏体和残留奥氏体都是不稳定状态的组织，马氏体会析出合金碳化物成为碳含量更低的马氏体，而残留奥氏体也会分解成马氏体在相同温度下的分解产物——低碳马氏体和碳化物。随着回火温度的升高或时间的延长，从马氏体中析出的碳化物越多，强度、硬度越低，韧性越好。

3  应用情况

    目前，该材料已经进入工业试制阶段。通过选择合理的热处理制度，成品的屈服强度可以稳定地控制在758～862 MPa，抗拉强度控制在827 MPa以上，断面收缩率控制在20％以上。目前，试制产品已向石油石化行业推荐使用，得到了用户的肯定和好评。

4  结论 

    (1)TGOGl3Cr-1不锈钢室温下的显微组织为低碳回火马氏体，其Ac1为720⁰C、Ac3为860⁰C、Ms为281⁰C、Mf为157⁰C。

    (2)对于TGOGl3Cr-1不锈钢，在其它条件相同的淬火和回火工艺下，与空冷相比，采用水淬更容易对钢的力学性能进行控制，且随着回火温度的升高，合金的强度、硬度越低，塑性越好。

                                                                          方旭东，  张寿禄，  杨常春，  夏  焱，  赵建伟