中高温时效处理对 cr21 铁素体不锈钢组织和性能的影响

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1、中高温时效处理对Cr21铁素体不锈钢组织和性能的影响谌炎松胡汪洋李腾飞(上海大学材料研究所，上海200072)目前对于中高铬型超纯铁素体不锈钢的组织特别是中高温时第二相的析出情况鲜有报道。因此，本文以Cr21铁素体不锈钢为研究对象，通过在600、650℃和750℃等温时效来研究钢的组织和力学性能(硬度、冲击韧性)的变化，同时也为中高铬型超纯铁素体不锈钢在汽车排气系统等高温部件的应用提供理论依据。1实验材料与方法实验所用材料为宝钢不锈钢分公司提供的超纯Cr21铁素体不锈钢板材，厚度为3mm，其主要化学成分(质量分数，%)为:C

2、0．005，N0．007，Si≤0．3，Mn≤0．3，Cr21，Mo≤0．8，Cu≤0．4，Ti0．1～0．3，Nb0．1～0．3。试样经1100℃保温30min固溶处理后水淬，然后分别在600、650℃和750℃保温不同时间(0～50h)进行时效处理。采用载荷为30kg的维氏硬度计测量试样的硬度，并用JB-500J摆锤式冲击试验机进行室温冲击试验，试样采用纵向取样方法，采用夏比V型缺口冲击试样，试样尺寸按GB/T229-1994选取为2．5mm×10mm×55mm。将固溶和时效处理后的试样制成金相样品，机械抛光后，用氯化铁

3、盐酸溶(2．5gFeCl3+25mLHCl+50mLH2O)进行腐蚀。在金相显微镜下观察其显微组织，并通过JSM-6700高分辨扫描电子显微镜观察析出物的形貌和成分。电解腐蚀液采用10%高氯酸酒精混合溶液，用液氮冷却，工作电压为30V。利用透射电镜(JEOL200CX)观察析出物的形貌，确定其晶体结构。2实验结果与分析2．1时效处理对试验钢硬度和冲击韧性的影响图1和图2分别为三个不同等温温度下时效时间对硬度和冲击功的影响。从图1可以看出，在600、650℃保温至30h左右硬度出现峰值，在峰值之前，随着保温时间的延长硬度有不断

4、升高的趋势，在峰值之后，随着保温时间的延长则硬度下降。在750℃时效时，随着保温时间的延长度几乎不断升高，不出现峰值。但总体来看，随着时效时间的延长，不同时效温度下硬度值变化不大。从图2可看出，特别是在600、650℃保温30h左右，试验钢出现了明显的脆化。2．2时效处理对试验钢显微组织的影响图3为固溶试样的金相显微组织，可见铁素体基体上稀疏分布着一些粗大方形或球形微米级的析出物，根据对这些析出物的形貌和能谱图(见图4)分析，可以得出这些析出物都为TiN颗粒。由于铁素体不锈钢在凝固过程中，TiN在高温液态或枝晶间形成，而在固

5、相时微小的Nb(C，N)会依附着TiN颗粒形核析出，所以TiN颗粒的能谱图中会含有少量的Nb。图5为Cr21铁素体不锈钢在600、650℃和750℃分别时效30、50h的扫描电镜图。由图5(b)、5(d)～5(f)可见，不连续且形状不规则的纳米级析出物分布在铁素体晶界处，根据这些析出物的能谱图(见图6)分析可知，这些析出物为(Nb，Ti)C，含Nb较多，Ti较少。在图5(a)～5(f)中，一些方形的纳米级析出物分布在铁素体晶内，这些方形的纳米级析出物主要是TiC或(Ti，Nb)C，还有一些球形的纳米级析出物为Nb［4-5］。

6、在图5(b)、5(e)～5(f)中能明显看到铁素体基体上分布着少量的细小长条状析出物(箭头所指)，根据Thermo-calc的计算和资料显示，这些长条状的析出物为密排六方结构的Fe2Nb(Laves相)。图7为Cr21铁素体不锈钢分别在600、650℃和750℃时效50h后微观组织的明场像及其析出物的电子选区衍射花样图，经电子衍射标定可知这些析出物都为面心立方结构的(Ti，Nb)(C，N)。由图7(a)～7(c)可以看出，位错和晶界处析出了不规则状的纳米级(Ti，Nb)C。由于时效温度较低，Nb原子扩散较为困难，在晶体点阵畸

7、变较大的地方如晶界、位错等缺陷处储存能比铁素体基体的平均储存能高很多，形核反应中这些储存能的很大一部分被释放出来，促进析出反应的进行，故(Ti，Nb)C易于在晶界、位错处析出。综上所述，Cr21铁素体不锈钢在50h内时效过程中主要析出了TiC、NbC和(Ti，Nb)C复合粒子，以及少量的Fe2Nb(Laves相)，并未观察到sigma相以及铬的碳化物。这些析出物随着时效时间的延长，析出量不断增加，时效硬化效果越加明显，直到硬度达到峰值。此后随着时间的增加硬度逐渐降低，表示析出物逐渐长大、粗化。而冲击功随时效时间的变化规律与硬

8、度的变化规律相反，冲击功减少则钢的韧性降低，冲击功增大则钢的韧性提高。钢中大部分析出相的尺寸大于临界转换尺寸，其强化机制主要是Ostwald机制，强度增量YSPO与第二相的体积分数f和颗粒尺寸d之间有如下关系从上式可见，第二相体积分数越大，颗粒尺寸越小，强化效果越大。同时，随着时效温度的提