熱處理對AM355不鏽鋼的力學效能影響

近年來，我國對航空飛行器的效能進行不斷改進，對飛行器用鋼也提出了強度、硬度、耐蝕性等方面的更新、更高的要求。在新材料研發成功並獲得成熟應用之前，對現有牌號鋼鐵材料的效能潛力進行深層次挖掘，是近年來不斷研究的熱點。AM355是一種半奧氏體沉澱硬化不鏽鋼，經退火後組織為奧氏體及部分索氏體，切削加工效能良好；經淬火、冷處理後組織為馬氏體，再經回火後析出強化相，具有較高的強度、塑韌性，耐腐蝕效能良好，廣泛應用於航空工業的螺栓、起落架等受力零部件3‘。近年來，由於該鋼強度、硬度不足，在應用時曾出現過一些失效情況望。探討了改變化學成分對AM355不鏽鋼力學效能的影響5，在此基礎上，本文透過改變經成分最佳化的AM355不鏽鋼的熱處理工藝，得到了力學效能的進一步提高，並探討了該熱處理工藝的強化機理。

實驗材料及方法

本文所研究的AM355不鏽鋼的實驗用料，其化學成分經過了成分最佳化，研究過程見文獻（5。試驗鋼為某鋼廠鍛造生產的 80mm 棒材，使用真空+電渣工藝冶煉，經開坯、改鍛·後，於橫截面1/2半徑處鑽取樣屑，分析其主要合金元素的含量，結果見表1；同樣在此處取縱向力學效能試樣，分別經熱處理（熱處理工藝見表2，試驗中在每一步熱處理後均檢測其力學效能）後，製成標準拉伸試樣（ d= 5mm，l= 5d。），在 WE-300液壓拉伸試驗機上測定其抗拉強度、屈服強度；量取並計算伸長率、面縮率；在JBN-300B型衝擊試驗機上測定衝擊吸收功；在TH300洛氏硬度計上測定硬度。使用Neophot-21型光學顯微鏡拍攝金相照片；採用向PHILIPS APD-10型X射線衍射儀（XRD，CoK。）進行殘餘奧氏體量的測量。使用Formastor-FI全自動相變儀測定M相變點，試樣尺寸為q 6mm×60mm。在H800型透射電子顯微鏡（TEM）上進行TEM觀察，使用日立S-4300型場發射掃描電鏡（SEM）觀察形貌。試樣製備過程為：將薄片試樣機械減薄至30-40um，用衝樣器衝成直徑3mm圓片，再用雙噴電解減薄儀減薄成薄膜試樣，雙噴液為無水乙醇+5%高氯酸溶液，溫度為-20~30℃，電流為30-50mA。

力學效能

表2中的熱處理工藝Ⅰ是AM355不鏽鋼常用的熱處理工藝。由表3可見，在熱處理工藝Ⅰ進行的過程中，試驗鋼的強度、硬度在淬火併深冷後達到峰值，回火後有所降低；而塑韌性指標伸長率、面縮率、衝擊值則呈現與之相反的規律。與之相比，經熱處理工藝處理的試驗鋼，在淬火後即具有較高的抗拉強度、硬度，隨著深冷和兩次回火有所降低；屈服強度、硬度則一直升高；伸長率、面縮率和衝擊值呈現先降低、後升高、二次回火後又有所降低的現象。最終經熱處理工藝Ⅱ處理的試驗鋼較工藝Ⅰ抗拉強度提高120MPa、屈服強度提高400MPa，硬度提高HRC5，同時也保留了一定的塑韌性，衝擊值可達45J。

可見，試驗鋼經鍛造、退火後，金相組織形貌為大塊奧氏體+部分索氏體+少量o-鐵素體，晶粒大小極不均勻。試驗鋼經熱處理工藝Ⅰ處理後，晶粒度為4。5級，組織為馬氏體+殘餘奧氏體+少量ü-鐵素體；而經工藝Ⅱ處理時組織與工藝Ⅰ類似，但晶粒度較細，為7。5級；組織中有大量細小的碳化物析出，碳化物在晶界與晶內都有分佈，沿棒材縱向排列。

SEM觀察及 TEM觀察

圖2中對試驗鋼的SEM觀察與圖1相符，工藝Ⅰ處理後試驗鋼中沒有明顯碳化物，經進一步的TEM觀察有極少量黑色短棒狀：碳化物析出（圖3 （a）、（b））；工藝I處理後鋼中析出的塊狀碳化物數量較多，經TEM觀察，其種類主要有MsC6和MC型兩種（圖3（c）、（d）、（e））。

殘餘奧氏體量與Ms點

測試了試驗鋼中的奧氏體體積分數隨熱處理進行時的變化情況，列於表3。試驗鋼經熱處理工藝Ⅰ1070℃淬火併深冷後奧氏體數量達最低點，經200℃回火後數量增多，證明鋼中生成了逆轉變奧氏體；而工藝Ⅱ在1000℃淬火後，經深冷、兩次回火，奧氏體量不斷減少，最後所得的奧氏體數量與工藝Ⅰ持平。

經測定在兩種熱處理工藝中，馬氏體轉變的相變溫度（M點）隨著淬火溫度的不同有

所變化。熱處理工藝Ⅰ在1070℃淬火時M點為26。5℃，工藝ⅡI在1000℃淬火時M點為71。6℃。

分析討論

在AM355不鏽鋼的淬火+深冷+回火的熱處理工藝中，淬火與深冷處理可以使試驗鋼發生馬氏體轉變，然後透過回火進一步調整相結構，得到理想的力學效能。本文試驗的兩種熱處理工藝的最主要區別在於淬火溫度的不同，因而對微觀組織、析出的碳化物、奧氏體數量乃至最終的力學效能造成了不同的結果。下面主要分析淬火溫度的差異對AM355不鏽鋼的效能產生的影響。

首先，隨著淬火加熱溫度的升高，試驗鋼在奧氏體化之後的溶解度也隨之提高，C、N、Cr、Ni 等合金元素可以充分溶入奧氏體產生固溶強化，並保留在淬火後生成的馬氏體中，·提高材料強度。1070℃淬火時基體中必然保留了較多的合金元素，對提高材料強度有利。而對比之下1000℃淬火後組織中仍有部分未溶解碳化物，證明在1000℃下奧氏體的溶解度有限，合金元素未能充分固溶。

其次，AM355不鏽鋼經淬火、深冷、回火處理後，除少部分在極高溫度才能生成的o-鐵素體外，其餘主要為馬氏體及部分奧氏體，此外在不同加熱溫度下還會析出種類、數量不同的碳化物67。本文中 AM355不鏽鋼在1000℃下加熱析出的MC型碳化物對材料效能產生了重要的影響。一方面MaC型碳化物在晶界等處的析出，阻礙了位錯、晶界的運動，提高了強度，降低材料的塑韌性；另一方面，由於碳化物對晶界的釘扎作用，使得奧氏體晶界不會發生顯著的合併長大，對材料會產生細晶強化的作用。比較之下試驗鋼在1070℃下加熱，由於碳化物在基體中充分固溶、消失，奧氏體晶粒合併長大的現象比較明顯（圖1）。

正是由於1000℃下淬火後的晶粒較細，雖然此時鋼的M點較高，但由於晶界對馬氏體轉變的阻礙作用，馬氏體轉變並不充分，即使在深冷後仍保留了較多的殘餘奧氏體（表3），此後的回火處理使奧氏體不斷分解；而在1070℃下淬火、深冷後馬氏體轉變較為徹底，回火後產生了逆轉變奧氏體。

最後，試驗鋼在回火時會隨著回火溫度的不同，析出少量的：碳化物和M，C型碳化物，碳化物型別符合相關文獻描述（8-1“，這些碳化物對材料的屈服強度、硬度也產生了一定的影響（表3）。

如前所述，由於試驗鋼在1000℃淬火後，試驗鋼的晶粒較細，使得試驗鋼在淬火後未經深冷時，雖然殘餘奧氏體的量較高，仍可具有較高的抗拉強度和硬度（表3）；而且在回火後，材料在保留有一定的塑韌性的同時，強度和硬度較1070℃的熱處理工藝有較大的提高。

總之，將淬火溫度設定在1000℃，使試驗鋼中析出大量 MC，型碳化物，從而細化了晶粒，提高了材料的強度和硬度；較細的晶粒也阻礙了馬氏體轉變，鋼中保留了一定數量的殘餘奧氏體，使試驗鋼同時具有一定的塑韌性。而傳統熱處理的1070℃下淬火會使碳化物溶解，晶粒較大，主要依靠馬氏體轉變對材料產生強化作用，強度和硬度不能達到前者的水平。

結論

1） AM355不鏽鋼中的Mz；C6型碳化物的析出受淬火溫度的影響較大，會對晶粒度、殘餘奧氏體數量等造成很大的影響，從而得到不同的強度的塑韌性。

2）將AM355不鏽鋼在1000℃淬火、深冷後在450℃和200℃兩次回火，較傳統的熱處理工藝可在保留一定塑韌性的同時顯著提高材料的強度和硬度。當然，碳化物的析出對材料的耐蝕性、疲勞效能等也會造成不同的影響，這需要根據不同的應用場合對此展開進一步的研究。