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上海大学2010～2011学年冬季学期研究生课程考试 小论文 课程名称：汽车刚强度钢板研究课程编号：101101909 论文题目: 高强度钢中马氏体时效钢的综述 研究生姓名: 尹学号: 10721 论文评语: 成绩: 任课教师: 评阅日期:
高强度钢中马氏体时效钢的综述 摘要马氏体时效钢是以无碳( 或超低碳) 铁镍马氏体为基体的经时效生产金属间化合物沉淀硬化的。超高强度钢。该钢在高强度时效处理前具有良好的成形性，时效处理几乎不变形，时效处理后有高强韧性。文中论述了典型Ni2Co2Mo2Ti2Al 马氏体时效钢和Ni2Mo2Ti(2Cr2Al) 无钴马氏体时效钢的化学成分和力 学性能，阐述了马氏体时效钢在400～500 ℃时效时马氏体基体内产生大量强化效果极高、韧性损失极小的金属间化合物沉淀相的时效结构和强化机制，以及Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Ti 等元素在马氏体时效钢中的合金化作用。概述了马氏体时效钢的生产工艺，应用和发展趋向。 关键词马氏体时效钢；沉淀析出；强化机制；力学性能 The description of ultrahigh strength steel -Maraging steel Abstract Maraging steel is a kind of ultrahigh strength steel strengthened by ageing precipitation hardening of intermetallics in carbon2free or extra2low carbon ferronickel martensite matrix. It has excellent formability before ageing treatment and almost non2deforming during ageing , after ageing the steel has high strength and toughness. The chemical compositions and mechanical properties of typical Ni2Co2Mo2Ti2Al maraging steel and Ni-Mo-Ti (-Cr-Al) cobalt-free maraging steel are reviewed，and the ageing structure and strengthening mechanism of mass intermetallics precipitation phases produced in martensite matrix of maraging steel ageing at 400-500℃ which has high strengthening effect and minimal toughness loss and the alloying effect of alloy elements such as Ni ,Co ,Mo ,Cr ,Mn and Ti in maraging steel are presented in this article.The production process, application and developing trend of maraging steel are also summarized. Keyword：Maraging Steel; Precipitation; Strengthening Mechanism;Mechanical Properties 一、引言 1.1超高强度钢的背景 超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。20世纪40年代中期，美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600-1900MPa。马氏体时效钢强化作用是通过马氏体相变和等温时效析出金属间化合物Ni3Mo来达到的。马氏体时效钢的基本化学成分是18％Ni-8％Co-5％Mo。随着钛含量从0.20％提高到1.4％，屈服强度可以在1375-2410MPa之间变化。为了获得高韧性，应尽量降低钢中的磷、硫、碳和氮含量。 除了广泛应用的AF1410等二次硬化超高强度钢之外，为了获得更高的强度和韧性配合，美国SRG在二次硬化钢的物理冶金学研究基础上，开发了高洁净度的AerMet钢。高洁净度保证Aer-Metl00钢(0.23％C-3％Cr-11.1％Ni-13.4％Co-1.2％Mo)具备目前最佳的强度和韧性配合。AerMet310(0.25％C-2.4％Cr-11％Ni-15％Co-1.4％Mo)是最近Carpenter公司在AerMetl00的基础上开发的高强高韧钢。与AerMetl00相同，AerMet310也是双真空冶炼的含镍钴钢，它具有良好的韧性和塑性。AerMet310的抗拉强度是2172MPa，比AerMetl00高出200MPa。与Marage300相比，AerMet310的屈强比较小，因而可在断裂前吸收较多的塑
马氏体不锈钢 1、什么是不锈钢 不锈钢(Stainless Steel)是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢;而将耐化学介质腐蚀(酸、碱、盐等化学浸蚀)的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。 2、分类 不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。 1、铁素体不锈钢：含铬12%～30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。 2、奥氏体不锈钢：含铬大于18%，还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9钢的Wc<0.08%，
钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150℃，然后水冷，以获得单相奥氏体组织。 3、奥氏体- 铁素体双相不锈钢：兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。 4、马氏体不锈钢：强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13、3Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类钢是在淬火、回火处理后使用的。 5、沉淀硬化不锈钢：基体为奥氏体或马氏体组织，沉淀硬化不锈钢的常用牌号有04Cr13Ni8Mo2Al等。其能通过沉淀硬化（又称
沉淀硬化不锈钢 沉淀硬化不锈钢（也有称析出强化不锈钢）常用于核电宇航等工业，主要特点是一类具有超高强度的不锈钢。一般按其组织形态可分为三类:沉淀硬化马氏体不锈钢，沉淀硬化半奥氏体不锈钢，沉淀硬化奥氏体不锈钢，也有的把第一类归到马氏体不锈钢，第二类、第三类归到奥氏体不锈钢。 马氏体时效不锈钢是固溶处理后，冷至室温时总是以马氏体组织存在，由固溶态再进行时效处理产生析了相而强化。也有资料把这类钢分为马氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢，在固溶态下，前者在马氏体基体中含少量的铁素体（10%左右）和少量残余奥氏体，后者为马氏体基体中只有少量的残余奥氏体，后者的韧性相对较高。沉淀硬化半奥氏体不锈钢是固溶热处理后，冷至室温时，以奥氏体组织存在，而且含有5%-20铁素体组织，但奥氏体组织不是十分稳定，通过一系列热冷处理或机械变形处理后，奥氏体转变成马氏体，再通过时效而强化。 奥氏体沉淀硬化不锈钢，其组织为稳定奥氏体组织，热处
理是不能改变组织，为此，只能通过加入析出强化元素，通过时效处理而强化。沉淀硬化不锈钢力学性能除对化学成分敏感外，对热处理制度也很敏感，因而在实际生产中这类钢必须严格按照热处理工艺规程操作。常用的热处理工艺有如下几种。 均匀化处理：一般指铸、锻件，在1150OC左右进行加热，促使合金元素和组织均匀化。 高温固溶处理：通常在10000C以上析出相分解，使钢进行再结晶软化。 调整处理：处理温度为760-10000C，调整钢中合金元素的分布，控制马氏体的相变温度。 时效处理：处理温度为460-6200C。处理温度与时间对组织和力学性能影响较大，若希望获得较好的韧性，可采用较高的时效温度处理。 冰变冷却处理：在一定时间内却到某一温度并保持一段时间的处理，以确定下一步进行强化或时效处理。
第16卷 第4期 2009年8月 金属功能材料 M etallic Functional M aterials Vol 16, No 4Augu st, 2009 18Ni 马氏体时效钢强化方法概述 陈建刚,张建福,卢凤双,张敬霖,张建生 (钢铁研究总院,北京 100081) 摘 要:18N i 马氏体时效钢是以无碳(或超低碳)铁镍马氏体为基体的,主要是经时效产生时效强化的高强度钢。本文简要概述了18N i 马氏体时效钢的发展过程,介绍了固溶强化、相变强化、时效强化、细晶强化、形变强化方法和发展趋势。 关键词:马氏体时效钢;强化方法;固溶强化;相变强化;时效强化;细晶强化;形变强化中图分类号:T G 142 7 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2009)04-0046-04 Outline of Strengthening Ways in 18Ni Maraging Steel CH EN Jian g ang,ZH A N G Jian fu,LU Feng shuang, ZH A N G Jing lin,ZH A N Jian sheng (Centra l Ir on &Steel R esear ch Institute,Beijing 100081,China) Abstract:18Ni marag ing steel is a kind of high strength steel strengthened by ageing precipitation hardening of intermetal lics in carbon free o r ex tre low carbon ferronickel martensite matrix T he main strengthening ways of 18N i mar ag ing steel,such as solution strengthening,transfo rmation streng thening ,aging strengthening,fine g rain strengthening,deformation strengthening,are include in the review T he development trend of 18N i maraging steel ar e also presented Key words:ma rag ing steel;st rengthening w ay;so lutio n str eng thening ;tr ansfo rmation st rengthening ;ag ing strength ening;fine gr ain strengthening;defo rmatio n str eng thening 作者简介:陈建刚(1978-),男,主要从事金属功能材料的研究。 1 前 言 18Ni 马氏体时效钢是以无碳(或超低碳)铁镍马氏体为基体,500 左右时效能产生金属间化合物时效强化的高强度钢[1],广泛应用于航空、航天、原子能等领域 [2~5] 。具有工业应用价值的马氏体时 效钢,是20世纪60年代初由国际镍公司(INCO)首先开发出来的[1]。1961~1962年间该公司Decker 等人发现,在Fe Ni 马氏体合金中同时加入Co 、M o 可使马氏体时效强化效果显著提高,并通过调整Co 、M o 、T i 含量得到屈服强度分别达到1400M Pa 、1700M Pa 、1900M Pa 的18Ni (200)、18Ni(250)、 18Ni(300)的马氏体时效钢[4] ,并首先将18N i(200)和18Ni(250)应用于火箭发动机壳体 [5] 。它的出 现,立即引起各国材料工作者的高度重视。20世纪60年代后期国际镍公司(INCO)和钨钒高速工具钢公司(Vasco )又研制出了屈服强度达到2400M Pa 的18Ni(350)钢。表1列出了典型18Ni 马氏体时效钢的标称化学成分和屈服强度。 表1 典型18Ni 马氏体时效钢的标称化学成分与屈服强度[4] Table 1 Nominal chemical compositions and yield strength of typical maraging steels [4] 合金化学成分/%(质量) Ni Co M o Al T i 屈服强度/M Pa 18Ni(200)18 08 53 30 10 2140018Ni(250)18 08 55 00 10 4170018Ni(300)18 09 05 00 10 7200018Ni(350) 17 5 12 5 4 2 0 1 1 6 2400
马氏体转变的主要特征 马氏体转变是在低温下进行的一种转变。对于钢来说，此时不仅铁原子已不能扩散，就是碳原子也难以扩散。故马氏体转变具有一系列不同于加热转变以及珠光体转变的特征。这里只提出几个最重要的转变特征，其它特征将在以后各有关的章节内讨论。 （一）马氏体转变的非恒温性 必须将奥氏体以大于临界冷却速度的冷却速度过冷到某一温度才能发生马氏体转变。也就是说马氏体转变有一上限温度。这一温度称为马氏体转变的开始温度，也称为马氏 体点，用M S 表示。不同材料的M S 是不同的。当奥氏体被过冷到M S 点以下任一温度，不需经过孕育，转变立即开始，且以极大的速度进行，但转变很快停止，不能进行到终了如下图1所示。为了使转变能继续进行，必须降低温度，即马氏体转变是温度的函数，如图2所示，而与等温时间与无关，或者说，马氏体量只取决于冷却所达到的温度。当温度降到某一温度以下时，虽然马氏体转变未达到100%，但转变已图1 马氏体等温转变曲线 图2 马氏体转变与温度的关系
不能进行。该温度称为马氏体转变终了点，用M f 表示（图 2）。如某钢的M S 高于室温而M f 低于室温，则冷却至室温时还将保留一定数量的奥氏体，称为残余奥氏体。如果继续冷至室温以下，未转变的奥氏体将继续转变为马氏体直到M f 点。深冷至室温以下在生产上称为冷处理。马氏体的这一特征称为非恒温性。 对于某些M S 点低于0℃ 的Fe-Ni-C 等合金来说，当 过冷至M S 点以下时，马氏体 可能爆发形成，即最初形成 的马氏体有可能促发一定数 量的奥氏体转变为马氏体， 未转变的奥氏体样必须在继续冷却的情况下才能转变，且有可能再次爆发形成。在此情况下，马氏体转变量与温度的关系如图3所示。 也还有少数M S 点低于0℃的合金，如Fe-Ni-Mn ，Fe-Ni-Cr 以及高碳高锰钢等可以发生马氏体等温度转变。其动力学特征与珠光体等温转变很相似，也有“C ”型曲线（图4），不同点是等温转变量不多，转变不能进行到底。 （二）马氏体转变的切变共格与表 面浮凸现象 图3 爆发式转变时的马氏体转变量与温度的关系 图4 Fe-23%Ni-3.7%Mn 合金 马氏体等温转变动力学
合金元素对马氏体铬镍不锈钢组织和性能的影 响 1.1 镍的影响 （2）镍对钢的组织结构的影响 图2-28 镍对0.04C-18Cr钢Ms温度的影响 αγ相区，有可能使低碳的铁一铬合金具由于镍扩大铁一铬合金的γ区相和+ 有淬火能力、或者由于镍的存在可使低碳（＜0.15％）马氏体铬不锈钢的铬含量向更高的水平推移，提高了钢的耐蚀性。从而解决了马氏体铬不锈钢为提搞其耐蚀性以损失钢的硬度为代价的难题。在马氏体格镍不锈钢中的镍含量不能过高，否则由于镍扩大γ相区和降低Ms温度〔见图2-28）的双重作用，将使钢成为单相奥氏铁不锈钢而丧失淬火能力。镍的另一重要作用是降低钠中的δ铁素体含量，在所有合金元素中其共效果最好，见图3-29。在特定的碳、铬含量条件下，这一作用可使钢获得满意的相变效果和最大硬度值。
图2-29 合金元素对0.1C-17Cr钢 铁素体数量的影响（2）镍对可淬性的影响 镍提高钢的淬透性和可淬性，对于低碳、高铬的铁一铬合金，添加适量的镍可恢复其淬火能力而成为马氏体不锈钢，见图2-30和图2-31。由图可知，对于含碳0.21％-0.24％，含铬近于20％的钢、如果不含镍，则失去了淬火能力；含2%~4％Ni使该合金恢复淬火能力；过高的镍将使钢变成奥氏体组织而失去可淬性。在沉淀硬化不锈钢中．钢的硬化特性与镍含量间的关系见图2-32，为了得到满意的硬化效果，应选择最佳镍含量。马氏体不锈钢的回火稳定性是钢的重要性能．镍的加入提高了马氏体不锈钢的回火稳定性，见图2-33。可见，少量的镍即可有效地降低回火的软化程度。
图2-31 镍对0.1C-17Cr钢硬化特性的影响
18Ni(300)马氏体时效钢的特点及应用 摘要 从18Ni马氏体时效钢的化学成分对该材料的的物理性能、、抗拉强度、拉伸性能、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、焊接性、磁滞特性、时效机理、时效组织以及力学性能的特点进行的分析。同时18Ni马氏体时效钢具有优良的特性，用途很广，本文对它的应用进行简单的总结。 关键词：18Ni马氏体时效钢，机械性能，磁滞特性、时效机理、力学性能 FEATURES AND APPLICATION OF 18Ni(300)MARAGING STEEL Abstract By the chemical composition of 18Ni maraging steel, the physical properties, tensile strength, tensile properties, fracture toughness, fatigue strength, corrosion resistance, eldability, hysteresis characteristics, mechanism of aging, aging and mechanical properties are analysd. At the same time, 18Ni maraging steel has excellent properties and uses widely. It，s applications are summarized briefly in this article Key word：18Nimaraging steel,Mechanicalproperties,Hysteresisproperties,AgingMechanism,mechanical property 马氏体时效钢自问世以来，以其高强度、高韧性和良好的工艺性能在航天航空等领域得到了广泛的研究和应用，与AISI4340高强钢和17-7PH不锈钢相比，它具有更高的强度和优良的韧性，制造加工容易，焊接性能优良等诸多的优点胜于其他超高强钢。在当今开发的所有材料中，它是强韧性最高的钢种。 1.成分和组织 18Ni马氏体时效钢的化学成分是在Fe—18Ni合金中添加Co、Mo、Ti、Al等元素一种钢，如表1。 表1: 18Ni马氏体时效钢的化学成分 Table1: Chemical composition of18Nimaraging steel 屈服强度主要是通过Ti元素的添加量来进行调整。在18Ni马氏体时效钢中,C 、Si、Mn等元素被视为杂质元素, P、S含量同样也极低, 故钢的纯度很高。 18Ni马氏体时效钢不仅有优良的机械性能, 而且淬火性能好, 在固溶处理（820℃）空冷后, 其组织为超低碳Ni高主的单相马氏体, 将它再进行时效处理(490-510℃, 空冷)后, 在马氏体区域的金属间化合物沉淀析出、细化、弥散, 使钢得以强化, 材料的强度、塑性及韧性匹配优良。关于时效处理过程组织变化的研究颇多, 有人认为是沉淀物细化(-100A)的说法比较合理, 但至今仍无定论。尽管如此, 但对Ni3Mo、Fe2Mo、Ni3Ti等金属间化合物沉淀强化仍是普遍的说法［1］。 2.组织和机械性能 2.1制造方法： 马氏体时效钢的熔炼方法有真空感应熔炼（VIM）, 真空电弧重熔(VAR), 以及电渣重熔(ESR)一次或两次组合的方法。各种熔炼方法与断裂韧性(KIC)的关系如图1所示。从图中可以清楚地看到, 采用真空双重熔炼可使钢的韧性得到大幅度的改善, 而且还能抑制在熔炼时混入的各种杂质元素和非金属杂质的残存量。因此, 对于象飞机那样要求零部件具有高强度、高韧
马氏体转变及其应用 钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生的无扩散型相变为马氏体转变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。因此，马氏体转变的理论研究与热处理生产实践有着十分密切的关系。 1 马氏体转变的特点 1.1 马氏体相变是无扩散型相变 因为相变前后化学成分不变，新相(马氏体)和母相(奥氏体)碳的质量分数相同，只是晶格结构由面心立方晶格转变成了体心立方晶格而且马氏体相变可以在-196℃—-296℃低温下进行,这样低的温度原子扩散极困难,所以相变不可能以扩散方式进行，因此马氏体相变过程中，原子有规则移动，原来相邻的原子相变以后仍然相邻，原子不发生扩散就可以发生马氏体相变。 1.2 切变共格和表面浮凸现象 人们早就发现，在高碳钢样品中产生马氏体转变之后，在其磨光的表面上出现倾动，形成表面浮凸。这个现象说明转变和母相的宏观切变有着密切关系。马氏体形成是以切变的方式实现的，同时马氏体和奥氏体之间界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，而且整个相界面是互相牵制的，这种界面称为“切变共格”界面。 1.3 马氏体转变是在一个温度范围内形成 就马氏体相变而言，不但在快冷的变温过程中有马氏体相变，而且在等温过程中，也有等温马氏体产生，如Fe - Ni26 - Cu3 合金所能发生等温马氏体相变，但钢的马氏体相变是在一个温度范围内形成的。 当奥氏体被冷却到Ms点以下任一温度时，不需经过孕育，转变立即开始，转变速度极快，但转变很快就停止了，不能进行到终了，为了使转变继续进行，必须降低温度，也就是说马氏体是在不断降温条件下才能形成。这是因为在高温下母相奥氏体中某些与晶体缺陷有关的有利位置，通过能量起伏和结构起伏，预先形成了具有马氏体结构的微区。这些微区随温度降低而被冻结到低温，在这些微区里存在一些粒子，这些粒子在没有成为可以长大成马氏体的晶核以前我们叫它核胚。从高温冻结下来的核胚有大有小，从经典的相变理论可知:冷却达到的
第一章不锈钢基础知识 1. 不锈钢发展简史 不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。在冶金学和材料科学领域中，依据钢的主要性能特征，将含铬量大于12%，且以耐蚀性和不锈性为主要使用性能的一系列铁基合金称为不锈钢。 狭义的不锈钢是指在大气中不容易生锈的钢。广义的不锈钢指在特定条件下的酸、碱、盐中耐蚀的钢。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于钢的表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成，这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含量的提高而增加，当铬含量≥10%时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。所以通常称不锈钢是铬含量为12%以上的铁基合金。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在石油化工、原子能、轻工、纺织、食品、家用器械等方面得到广泛的应用。通常对在大气、水蒸汽和淡水等腐蚀性较弱的介质中具有不锈性和耐腐蚀性的钢种称不锈钢；对在酸、碱、盐等腐蚀性强烈的环境中具有耐蚀性的钢种称耐酸钢。两个钢类因成分上的差异而导致了它们具有不同的耐蚀性，前者合金化程度低，一般不耐酸；后者合金化程度高，既具有耐酸性又具有不锈性。 为了了解不锈钢发展的历程，有必要追溯到本世纪初期。大约在1910年左右，在世界上的一些地方出现了对新材料需求的危机，这种对材料需求的动力使得人们发明了不锈钢，并使其得到了飞速发展。 在英格兰的希菲尔德，H. Brearly 希望发明一种新型材料用来制作存放重型枪支的桶，这种桶要求必须耐磨损和擦伤。他经过调查发现在合金材料中加入高含量的铬元素，这种材料就不容易被刻伤。这个重大发现使他获得了专利，即钢中加入9－16％的铬，并且碳含量小于0.70％，第一代不锈钢诞生了。这些不锈钢最初用于不锈钢餐具，而如今普通碳钢已经取代不锈钢在餐具领域的应用。 几乎与此同时，在德国埃森的B. Strauss 发现了一种适合用于热电偶和高温计的保护管的材料。在许多铁基合金中，他发现了含有高含量铬的铁－铬－镍合金。含有超过20％含量Cr的合金样品被发现在实验室里即使放置很长时间也不会生锈。这个发现开发出了含有0.25％碳，20％铬和7％镍的钢，即最初的奥氏体不锈钢。 在英格兰和德国人致力于研究不锈钢的同时，F.M. Becket 正在美国的尼亚加拉大瀑布潜心研究希望发现一种便宜且耐氧化的材料，用于
热处理工艺对马氏体时效钢组织及性能的影响 闫春波 【摘要】：本文首先采用对比试验的方法研究了加热温度、保温时间、加热速度及原始组织对18Ni 马氏体时效钢组织的影响,探讨了不同热处理规程对18Ni马氏体时效钢逆转变奥氏体再结晶规律的影响,试验结果表明:马氏体加热发生奥氏体逆转变时产生相变冷作硬化再结晶,热处理工艺参数对α′γ逆转变奥氏体再结晶产生影响,提高加热温度可加快18Ni 马氏体时效钢的再结晶过程;在逆转变奥氏体再结晶点以上温度等温时,随着等温时间的延长逐渐完成成核和再结晶晶粒的不断聚集长大的过程,直至全部完成再结晶;提高加热速度可提高再结晶温度点及成核率。另外,钢的原始组织状态对α′γ逆转变奥氏体再结晶也产生影响,与以粗大板条马氏体的原始组织相比以“线状”马氏体作为原始组织在一定温度下进行固溶处理,再结晶成核率提高,可获得更加细小的再结晶组织,“线状”马氏体实质上是变了形的板条状马氏体,其内部亚结构细化、位错等微观缺陷密度大大提高,有利于晶粒细化。其次,探讨了α′γ反复循环处理工艺对18Ni 钢组织和性能的影响,结果表明,循环次数对α′γ逆转变奥氏体再结晶晶粒度影响较大,以线状马氏体作为原始组织,进行α′γ反复循环处理,以940℃,2min 五次循环效果最佳,可获得10μm 左右的超细晶粒;18Ni 马氏体时效钢在不经反复循环处理时,其时效后的抗拉强度和延伸率基本上没有变化,经过α′γ反复循环热处理后,晶粒明显细化,时效后的抗拉强度提高了100MPa 以上,延伸率稍有提高。 【关键词】：马氏体时效钢相变冷作硬化再结晶线状马氏体细化晶粒 【学位授予单位】：哈尔滨理工大学 【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2005 【分类号】：TG161 【DOI】：CNKI:CDMD:2.2005.151028 【目录】： ?摘要4-5 ?Abstract5-9 ?第1章绪论9-20 ? 1.1 课题背景9-10 ? 1.2 相关领域的研究进展及成果10-19 ? 1.2.1 超纯净化马氏体时效钢的研究10-11 ? 1.2.2 喷射沉积马氏体时效钢复合材料的研究11 ? 1.2.3 超高强度18Ni无钴马氏体时效钢的力学性能11-12 ? 1.2.4 马氏体时效钢的强韧化机理及热处理工艺特征12-14 ? 1.2.5 合金元素对马氏体时效钢强韧性的影响14-17 ? 1.2.6 马氏体时效钢细化晶粒机制17-19 ? 1.3 本文主要研究内容19-20 ?第2章淬火工艺对逆转变奥氏体再结晶的影响20-29 ? 2.1 引言20 ? 2.2 材料及试验方法20-22 ? 2.2.1 试验材料20-21 ? 2.2.2 试验方法21-22 ? 2.3 试验结果22-26 ? 2.3.1 加热温度对逆转变奥氏体再结晶的影响22-24 ? 2.3.2 保温时间对逆转变奥氏体再结晶的影响24-26 ? 2.3.3 加热速度对逆转变奥氏体再结晶的影响26
国内外不锈钢材质对照表 GB JIS AISI/SATM UNS代号DIN17006 DIN17007 0Cr18Ni9 (0Cr19Ni9) SUS 304 304 S30400 X5CrNi18-10 1.4301 0Cr19Ni10 (00Cr19Ni10) SUS 304L 304L S30403 X2CrNi19-11 1.4306 0Cr25Ni20 SUS 304S 304S S31008 X12CrNi25-21 1.4845 0Cr17Ni12Mo2 SUS 316 316 S31600 X5CrNiMo17-12-2 X5CrNiMo17-13-3 1.4401 1.4436 00Cr17Ni14Mo2 SUS 316L 316L S31603 X2CrNiMo18-14-3 1.4404 0Cr19Ni13Mo3 SUS 317 317 S31700 X2CrNiMo17-13-3 1.4439 00Cr19Ni13Mo3 (00Cr17Ni14Mo3) SUS 317L 317L S3703 X2CrNiMo18-16-4 1.4438 (1Cr18Ni9Ti) X12CrNi18-9 1.4878 0Cr18Ni10Ti SUS 321 321 S32100 X6CrNiTi18-10 1.4541 0Cr18Ni11Nb SUS 347 347 S34700 X6CrNiNb18-10 1.4550 不锈钢材质 1
不锈钢材质，有着接近镜面的光亮度，触感硬朗冰冷，属于比较前卫的装饰材料，符合金属时代的酷感审美。不锈钢材质通常按基体组织分为： 1、铁素体不锈钢。含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。 2、奥氏体不锈钢。含铬大于18％，还含有 8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。 3、奥氏体 - 铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。 4、马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较差。 概述 通俗地说，不锈钢就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既有不锈性，又有耐酸性（耐蚀性）。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法很多。按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。、 编辑本段种类 奥氏体不锈钢 在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入S， 2
试验研究 渗氮条件对马氏体时效钢疲劳强度的影响 华东交通大学机电学院 (南昌 330014) 黄 勇 编译 0 前言 马氏体时效钢是实用钢中强度最高而且韧性也很高的材料。但是,它存在着与高的静强度相比,疲劳强度低这一高强度钢所特有的问题。为此,进行了旨在改善疲劳特性的多项研究。森野数博等人弄清了若从组织学观点出发,通过改变时效条件,使之生成适当的逆相变奥氏体,就能改善疲劳强度。此外,表面改性也是有效的方法。为此,探讨了喷丸硬化和渗氮的影响,报道了利用这些方法得以大幅度提高疲劳强度的结果。但是,这样一些疲劳强度的改善,其效果和机理均有所不同。例如,逆相变奥氏体的影响在低应力条件下明显,此外渗氮的效果也随应力水平之不同而异。在高应力条件下,由硬化导致的脆性是疲劳强度低下的主要原因。因此,实际讨论这种改善疲劳强度的策略时,必须先弄清各不同方法的最适宜条件,由此,也就必须弄清渗氮的利弊。以此观点探讨了渗氮马氏体时效钢的疲劳特性,但对于被列为讨论对象的寿命区域,在107以下的疲劳特性及破坏机理尚不一定十分清楚。 因此,在本研究中,森野数博等人根据迄今的研究结果,通过改变渗氮条件,使渗氮层组织和深度发生变化,探讨其对疲劳强度的影响,以弄清通过渗氮来改善疲劳强度时所存在的问题。 1 材料、试样及实验方法 实验所用材料为市面出售的300级马氏体时效钢,在固熔化处理的状态下被采用。其化学成分示于表1。将材料机械加工成图1所示的形状后,渗氮材料在渗氮处理前,时效材料在时效处理后,将表面电解抛光约20 m 。时效条件要进行预备实验,选择了不完全时效状态的480 、2h 和6h,以及生成与此相同硬度之逆相变奥氏体的过时效条件的570 、2h 。选择480 是因为它是通常采用的时效温度,同时也接近渗氮温度,并考虑到了2h 和6h 乃是疲劳强度最高的范围。此外,由于渗氮与时效同 时进行,为使内部硬度达到相同,选择了与时效条件 相对应的加热温度和时间,以图2所示的三种条件进行实验。 表1 化学成分(质量分数)%C Si Mn P S Ni Mo Co Al Ti 0.0050.03 0.040.0020.00218.69 4.89 8.92 0.1 0.91 本研究采用的渗氮方法是可以控制表面化合物层的基本的渗氮法。以下用处理条件的温度、时间和处理法标记各种材料,将480 、570 的时效材料记为48A_2、48A_6和57A_2材料,将480 、570 渗氮材料记为48N_1、48N_5及57N_1材料。图3表示各种渗氮材料的组织照片。无论哪种材料都能确 第25卷第6期2004年12月国外金属热处理 GUOWAI JINS HU REC HULI Vol.25,No.6Dec,2004
奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢有什么区别？ 主要是磁性，奥氏体不带磁性，马氏体带磁性。 奥氏体 奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为ωc＝0.77％,1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。 马氏体分级淬火 是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以能有效地减少相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂倾向。分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。 马氏体不锈钢 通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。 马氏体就是以人命命名的： 对于学材料的人来说，“马氏体”的大名如雷贯耳，那么说到阿道夫·马滕斯又有几个人知道呢？其实马氏体的“马”指的就是他了。在铁碳组织中这样以人名命名的组织还有很多，今天我们就来说说这些名称和它们背后那些材料先贤的故事。 马氏体Martensite，如前所述命名自Adolf Martens (1850-1914)。这位被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作，并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜（！）观察铁的金相组织，并在1878年发表了《铁的显微镜研究》，阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。（这个工作我们现在做的好像也蛮多的。）他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则（大概其中就有马氏体），并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一（有远见）。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长，也就是柏林皇家材料试验所（"Staatliche Materialprüfungsamt"）的前身，他在那里建立了第一流的金相试验室。1895年国际材料试验学会成立，他担任了副主席一职。直到现在，在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。 马氏体不锈钢是一类可以通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调整的不锈钢，通俗地讲，是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件：一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在，在该区域温度范围内进行长时间加热，使碳化物固溶到钢中之后，进行淬火形成马氏体，也就是化学成分必须控制在γ或γ+α相区，二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜，铬含量必须在10.5%以上。按合金元素的差别，可分为马氏
马氏体不锈钢 标准的马氏体不锈钢是：403、410、414、416、416(Se)、420、431、440A、440B和440C型，这些钢材的耐腐蚀性来自“铬”，其范围是从11.5至18%，铬含量愈高的钢材需碳含量愈高，以确保在热处理期间马氏体的形成，上述三种440型不锈钢很少被考虑做为需要焊接的应用，且440型成 份的熔填金属不易取得。 标准马氏体钢材的改良，含有类如镍、钼、钒等的添加元素，主要是 用于将标准钢材受限的容许工作温度提升至高于1100K，当添加这些元素时，碳含量也增加，随着碳含量的增加，在焊接物的硬化热影响区中避免龟裂 的问题变成更严重。 马氏体不锈钢能在退火、硬化和硬化与回火的状态下焊接，无论钢材 的原先状态如何，经过焊接后都会在邻近焊道处产生一硬化的马氏体区， 热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量，当硬度增加时，则韧性 减少，且此区域变成较易产生龟裂、预热和控制层间温度，是避免龟裂的 最有效方法，为得最佳的性质，需焊后热处理。 马氏体不锈钢是一类可以通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调 整的不锈钢，通俗地讲，是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢 必须具备两个基本条件：一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在，在该 区域温度范围内进行长时间加热，使碳化物固溶到钢中之后，进行淬火形 成马氏体，也就是化学成分必须控制在γ或γ+α相区，二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜，铬含量必须在10.5%以上。按合金元素的差别，可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢。 马氏体铬不锈钢的主要合金元素是铁、铬和碳。图1-4是Fe-Cr系相 图富铁部分，如Cr大于13%时，不存在γ相，此类合金为单相铁素体合金，在任何热处理制度下也不能产生马氏体，为此必须在内Fe-Cr二元合金中 加入奥氏体形成元素，以扩大γ相区，对于马氏体铬不锈钢来说，C、N是有效元素，C、N元素添加使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢中，除铬外，C是另一个最重要的必备元素，事实上，马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金。当然，还有其他元素，利用这些元素，可根 据Schaeffler图确定大致的组织。 马氏体不锈钢主要为铬含量在12%-18%范围内的低碳或高碳钢。各国广泛应用的马氏体不锈钢钢种有如下3类： 1.低碳及中碳13%Cr钢 2.高碳的18%Cr钢 3.低碳含镍（约2%）的17%Cr钢
马氏体时效钢的特性与应用 18%Ni马氏体时效钢属于铁基合金，具有极高的强度同时而又不失好的延展性。铁的基体与以高含量镍为主进行合金化，获得非常特殊的热处理材料。同时也加入其它合金元素如钼、铝、铜和钛，这些元素形成金属间析出物。钴也添加到合金中去，加入量最多达到12%，用于加速析出反应并保证获得大量、均匀的析出物。马氏体时效钢本质上说是不含碳的，这是区别该钢与大多数其他类型钢种最明显的特征。 马氏体时效钢性能特点为： ——室温下具有超高强度 ——简单热处理，保证最小的热处理变形 ——与处于同一强度水平的淬火钢相比具有优异的疲劳韧性 ——低碳含量，从而消除脱碳问题 ——截面尺寸是硬化过程中一个重要的影响因素 ——易于加工 ——好的焊接性能 ——具有高强度与高韧性 ——易切削加工，低的加工变形量 ——热处理过程中收缩均匀稳定 ——易渗氮 ——具有好的抗腐蚀与裂纹扩展能力 ——抛光光洁度高 这些特性说明马氏体时效钢能被用作轴，长而细的渗碳或渗氮部件以及冲击疲劳环境下工作的零件，如打印头或离合器等。 马氏体时效钢的回火处理 回火作为一种热处理工艺从中世纪时代就开始应用，用于淬火马氏体合金的处理。而目前回火工艺仅用于对钢进行处理，因为钢占所有马氏体硬化合金中的绝大多数。 马氏体时效钢是不含碳的Fe-Ni合金，并添加了钴、钼、钛与其它一些元素。典型的钢种如铁基中含17%～19% Ni，7%～9% Co，4.5%～5% Mo和0.6%～0.9% Ti。这类合金经淬火成马氏体，然后在480～500℃回火。在回火过程中，由于合金元素在马氏体中过饱和，从而从马氏体中沉淀析出形成金属间析出物，导致强的沉淀强化效果。根据铝、铜以及其它非铁合金的沉淀强化类推，可将该工艺过程称作时效处理。并且由于最初的组织为马氏体，因此该类钢被称作马氏体时效钢。 商业化马氏体时效钢在最大的硬化处理阶段，组织中可含有部分中间过渡亚温相Ni3Mo与Ni3Ti的共生析出物。Ni3Ti相类似于碳钢中的六边形ε-碳化物。在马氏体时效钢中，这些中间过渡金属间析出物颗粒由于在位错处析出，因而分布极其弥散，这一组织特点具有特别的实际应用价值。 马氏体时效钢的组织具有高密度位错，在板条（非孪生）马氏体中，位错密度达到1011～1012/cm2数量级，也就是与强应变硬化金属处于同一范围。在这方面，马氏体时效钢（硬化态）的亚结构明显不同于铝、铜和其它合金，它们在淬火时不会出现多态性变化。 假设马氏体时效钢在回火过程中，中间相的析出是由于合金元素的原子在位错线上的偏聚，则在位错上形成的产物可以作为合金元素在过饱和马氏体中的富集分层。 马氏体时效钢在马氏体转变过程中形成的位错结构，在随后的加热过程中保持非常稳定，实际上在回火温度范围内（480～500℃）未发生变化。在整个的回火过程中，出现如此高密度的位错，很可能在很大程度上是由于弥散分布的析出物钉扎住位错。 在高温（550℃甚至更高）条件下，长的回火时间可能会导致析出物粗化，并增大颗粒间距，而位错密度同时也在下降。在长的保温时间下，就不出现半共生的中间过渡金属间析出物，取而代之的是稳定相如Fe2Ni或Fe2Mo形成的粗大共生析出物。