马氏体时效不锈钢的发展现状与方向.doc

马氏体时效不锈钢的发展现状与方向摘要：奥氏体不锈钢因具有非常优越的不锈性、耐蚀性、高温性、低温性、无磁性以及良好 的工艺性而获得广泛的应用，但主要缺点是强度偏低，耐应力腐蚀性能较差，因而发展高强 高韧、综合性能良好的高强不锈钢，一直是不锈钢研究的重点之一本文叙述了马氏体时效 不锈钢的发展现状及其发展方向关键字：马氏体时效处理不锈钢合金化马氏体时效不锈钢是山低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加的高强度不 锈钢，0 20世纪60年代后期以來马氏体时效不锈钢成为超高强度不锈钢发展的一个新的领 域，并且得到了迅速的发展，它以高强度和良好的综合性能迅速成为航空、航天、先进机械 制造、核能等高科技领域关键设备的承力耐蚀（或高温）部件的首选材料匸役 英优良的性能 主要得益于低碳马氏体相变和时效硬化两种强化效应證加⑷其生产广泛采用了精料、超洁 净度、超细纟I[织以及超均匀化等工艺技术近30年来，马氏体时效不锈钢的开发和研究取 得了很大的进步1马氏体时效不锈钢的成分1961年美国Carpenter Technology Co.研制了第一个含钻的Pyroment X-12马氏体时 效不锈钢，以后又先后开发了不含钻的Custom 450Custom 455及XT5、X-23。

此时期美 国一些公司先后开发了 AM363、Ahn肛326、5736、PH13-8MUnimar CR 等德国于 19 6 7、 1971年先后研制成功了 U1—trofort 401-403等钢种⑸我国在上世纪70年代也曾开展了 一些马氏体时效不锈钢的研究工作⑹例如，研制了 00Crl3Ni8Mo2NbTi[7Jo至20世纪末, 我国已有10多个马氏体时效不锈钢获得广泛应用2马氏体时效不锈钢的合金化马氏体时效不锈钢的合金化元素主要有三类，一类是与抗腐蚀性能有关的元素，如Cr； —•类是形成沉淀硬化相的强化元素，如MCu、Ti等；一类是平衡纽织以保证钢中不出现 或控制6 -铁素体元素，如Ni、Mn、Co等2. 1合金元素的作用珞是不锈钢的主要合金元素，对耐蚀性起看决定作用其耐蚀性按照n/8规律作跃进 式的突变，随看Cr含量的増加，不锈钢在氧化性介质中耐腐蚀能力相应增加Ct能有效地 提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性⑻当3与配合使用时，抗点蚀效果更好 Cr是强铁素体形成元素和缩小奥氏体区元素，対于马氏体时效不锈钢來说，Cr含量一•般在 10.5 %〜18%之间如果Cr含昴过高，则固溶处理后将得不到全马氏体组织（含有部分铁 素体纽•织），而铁素体的存在则会影响钢的热塑性，降低钢的强度并恶化钢的横向韧性和钢 的耐蚀性。

另一方面,Cr是降低Ms点元素,因此，Ct含量一•般控制在10. 5%-12.5%同样，银也是马氏体时效不锈钢中不可缺少的元素银是奥氏体相形成元素，扩大奥氏 体稳定区，随钢中银含量的提高，奥氏体相区向高Cr方向移动，即钢中的Ct可以提高而 不至于形成单一的铁素休组织为保证在815—1100C之间的奥氏体结构在冷却到室温后完 全转变为马氏体结构，在马氏体时效不锈钢中银含量应在4%-20%,但银同样会降低Ms 点，并口比C】、的作用还要强烈如银含量过多，Ms点降低，冷却时会导致残余奥氏体的形 成，从而得不到全马氏体组织，使时效后的强度降低因此，马氏体时效不锈钢中的银含量 一般控制在5. 6 %-10%,最高达12%在马氏体时效钢中，钻虽固溶于基体中但并不形成金属间化合物，而与钳产生协作效 应（synergistic effect）其作用在于减少钳在马氏体中的固溶度，从『U促进含钳金属间化 合物（如Ni^Mo、FezMo）的析出；另外,钻可以抑制马氏体中位错亚结构的回复,为随后的析 出相形成提供出更多的形核位置，因而使析出相粒子更为细小而又分布均匀，减少析出和 粒子间距⑼在马氏体时效不锈钢中对强度、韧性和耐蚀性都有利的合金元素是钳。

时效初期析出的 富钳析出物，在强化的同时保持钢的韧性中起着重要作用马氏体时效钢中合金元素Mo的 存在，也可以阻止析岀相沿原奥氏体晶界析出，从而避免了沿晶断裂、提窩了断裂韧性在 某些还原性介质中，钳能促进“的钝化作用故钳能提高洛银不锈钢在硫酸、盐酸、磷酸 及有机酸中的耐蚀性，并有效地抑制氯离子的点腐蚀倾向，提高钢的抗晶间腐蚀能力但过 量添加创同过量添加银一样，也会生成残留奥氏体在马氏休时效不锈钢中铜含最应控制在 5%以下含Cu马氏体吋效钢，如17—4PH和C455均存在明显的过吋效现彖何，这是山时效析 出的Cu、Ni、Ti颗粒的粗化所导致的而本硏究的含M马氏体时效不锈钢具有显著的抑制 过时效能力，Mo在其中起了主要作用己有相关文献报道，含的9Ni — 12Ct-2Cu马 氏体不锈钢在475C时效5min后，首先析出富Cu相，衣现为硬度迅速増加，该富Cu相成 为后续富Ni相的析出形核点,2h后的Cu富集相和Ni富集相分离，由于Mo在富Ni沉淀区 形核，硬度继续增加，但前4h的时效硬化主要取决于富Ni相和富Cu相的析出，口対连续 时效硬化行为起到关键作用M“ts Hattestrand 人川在475C时效100h发现位错和板条 马氏体周围存在二十面体准品结构的和，山于它富集M（）,因此有效地阻止了长期时效过程 中的长大粗化现彖，使得材料表现为长期连续的硬化行为。

铝通常是作为脱氧剂加入到钢中，是恢索体形成元索，促进恢索体形成能力约为倂的 2.53倍铝在马氏体吋效不锈钢中的主要作用是吋效强化作用同吋，加铝能在钢表而形 成一层致密的氧化膜ALOa,提高不锈钢抗氧化能力钛在马氏体时效不锈钢中當常使用钛在马氏体时效不锈钢中是最有效的强化合金元 素适量的钛具有能著的时效强化作用增加钛含量，降低不锈钢•般耐蚀性在某些介质 中使焊接件出现刀口腐蚀硅是强烈的强化诜索体元索硅对提高铁基、镰基耐蚀合金在强氧化介质中的耐蚀性有 明显作用问在高温下或在强氧化性介质中（如发烟硝酸），钢中加一定量的硅，可在表而形 成一层富硅的衣面层SiO：，,从而使钢的抗氧化性或抗腐蚀能力显著提高加硅对耐硫酸腐蚀 也有一定作用加硅述可以抑制不锈钢在氯离子介质中的点腐蚀倾向但当含硅量高达4% 时，钢的脆性显著升高，而使工业使用发生困难将稀十•元素加入不锈钢中，能提高马氏体时效不锈钢的抗腐蚀性l，3_b，1o但关于稀土元素 对马氏体时效不锈钢的耐蚀性能的影响，目前研究还较少，需进一步研究2. 2 合金元素对马氏体时效不锈钢组织的影响不锈钢中稳定奥氏体元素的作用居于主要方面时，不锈钢的纽织就以奥氏体为主，很少 以至没有铁素体；在不锈钢中所含稳定奥氏体元素银、猛、铜的作用程度还不能使钢的奥氏 体保持至室温时，不稳定的奥氏体在冷却时即发生马氏体转变，钢的纽.织则为马氏体；如果 形成铁素体元素的作用成为主要方面的话，钢的纽•织则以铁素体为主，根据银当量和珞当杲 可得出不锈钢组织图。

各元素的银或珞当量为问：Ni 当量=%Ni+%Co+0. 5%血+0. 3%Cu+25%N+30%C ( 1 )Cr 当量=%Ct+2%Si+l. 5%Mo+5%V+5. 5%A1+1. 75%Nb+l. 5%Ti+0. 75%W ( 2 )3马氏体时效不锈钢的组织结构3.1马氏体在正常化学成分和适宜热处理条件下，为了获得良好性能，马氏体吋效不锈钢中的基体 应为板条状马氏体相邻的马氏体板条，基本上位向相同，而且相互之间是小倾角晶界接触; 板条宽度约为0. 025〜2. 25 u nio晶粒度对板条宽度和分布没有影响，血捆的大小则随着晶 粒度增大有变大倾向用透射电镜观察，英亚结构主要是山高密度位错所纽成，位错密度 为(0. 3〜0. 9)X1012cn)/cm3o马氏体可以变温或等温形成;马氏体是体心立方结构，而且逆 转变为奥氏体时，有很大的温度滞后，因而在较高温度吋可以发生马氏体基体的沉淀；4 氏体的硬度为HRC25左右，具有很好的聖性和韧性3.2残余奥氏体为了使马氏体时效不钢具有优良的性能，希望钢的基体为马氏休组织，钢中残余奥氏体 尽量少这就需要严格控制钢的马氏体转变温度Ms和适宜的珞当量和谋当量。

对于马氏体 时效不锈钢而言，利用⑶ 式可计算出马氏体相变温度，精确度可达土4 0C,利用Cr、Ni 含量对Ms温度影响来测定Ms温度,其精确度可达20 C利用式⑴和⑵以及Cr、N i 含量与Ms的关系可计算出不含残余奥氏体和铁素体的马氏体时效不锈钢的化学成分但 是，就提高马氏体时效不锈钢的韧性而言，有少量残余奥氏体(包括逆转奥氏体)是有益的Ms(C)=832-29%Cr-39%Ni-5%Co-36%Mo-0%Ti (3)3. 3金属间相耳氏体吋效不锈钢在马氏体基体上析出细小、弥散的金属间化合物是使这类钢获得高性 能的关键硏究表明，对于含C的马氏体时效不锈钢，山于碳含最很低，故碳化物很 少，在马氏体基体上主要有x相，Laves相、Fe川o、NbTi等金属间化合物析岀NhMo和N ■Ji均呈细长的棒状，而Fe；＞Mo和NiBe则为球形4马氏体时效不锈钢的发展方向(1) 降低钢中气体、夹杂物和有害元素含昴，改进马氏体时效不锈钢纽.织结构的均匀性,提高现有钢种的强、韧性以及耐蚀性2) 进一步研究晶粒超细化工艺通过改善合金化、控制轧制及形变热处理，在析出强 化的同时，充分发挥形变、相变和细晶强化的综合作用，提高钢的综合力学性能。

3) 开发o.221200MP&耐海水腐蚀马氏体时效不锈钢，提高锯、钳等耐腐蚀元素的含 量，进一步改善马氏体时效不锈钢的耐腐蚀性能4) 无钻超高强度(5 M1800MP&)马氏体时效不锈钢的开发及强韧化机理硏究5) 进一步研究高度弥散金属间化合物的形貌、纽分、结构以及残留奥氏体的数量形貌、 分布状态对马氏体时效不锈钢性能的影响6) 稀土元索在马氏体时效不锈钢中作用机理研究5结束马氏体时■效不锈钢具有比强度大、屈强比高、强韧兼备、帅性性能优异、耐蚀性和热稳 定性好、热处理规范简便、加工成型性及焊接性能优良等优点，具有良好的发展前景将高 强度马氏体时效不锈钢发展至超高强度(ob>1800MPa)，同时具有良好的蜩韧性，在航空航 天等领域存在着广泛的应用和需求前景但从经济角度考虑,山于这类钢均含有较窩的姑元 素，因1佃价格较昂贵对此，开展无钻超高强度马氏体时效不锈钢的研究以及稀土元素的添 加对马氏体时效不锈钢腐蚀行为的影响研究，开展耐海水腐蚀马氏体时效不锈钢的应用与研 究都有重要的意义参考文献:[I] 魏振宇•马氏体时效不锈钢[J] •新金属材料，1972 (4):22.⑵ 赵振业，李志，刘天琦，朱杰远.探索新强韧化机制开拓超高强度钢新领域[J].中国 工程科学，2003, 5(9): 39 -42.[3] 宋为顺，梁剑雄，赵先存.我国高强度不锈钢的发展现状和展望[J]・不锈钢，2000, 4(2) :1~13・[4] 姜越，尹钟大，朱景川等.马氏体时效不锈钢的发展状况[J].特殊钢，2003, 24 (3): 1[5] 王正樵，吴幼林.[M].不锈钢，北京：化学工业出版社，1991. 268[6] 宋为顺，等.高强度不锈钢的进展和展望[J].北京：冶金部钢铁研究总院合金钢 部.1992. 209[7] 陆世英.我国不锈钢研究与应用的回顾和进一步发展的展望[J].钢铁研究学报，1996, 8(2)： 64[8] 陆世英，张廷凯，杨长强，等.不锈钢.北京：原子能出版社，1995. 19[9] 俞德刚.钢的强韧化理论与设计[M].上海：上海交通大学出版社，1990. 199[10] Ni lsson J 0, St igenber。