温时效处理对 Cr21 铁素体不锈钢组织和性能的影响.ppt

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 3 mm，其主要化学成分( 质量分数，%) 为: C 0．005，N 0．007，Si≤0．3，Mn≤0．3，Cr 21，Mo≤0．8，Cu≤0．4，Ti 0．1 ～ 0．3，Nb 0．1 ～ 0．3。试样经 1 100 ℃ 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 ～ 50 h) 进行时效处理。采用载荷为 30 kg 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． 5 mm ×10 mm ×55 mm。 * 将固溶和时效处理后的试样制成金相样品，机械抛光后，用氯化铁盐酸溶( 2． 5 g FeCl3+ 25mL HCl + 50 mL H2O) 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 30 V。利用透射电镜( JEOL 200CX) 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 30 h 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 30 h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、50 h 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］。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 50 h 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 50 h 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 Fe