淬火温度对12Cr13马氏体不锈钢显微组织和硬度的影响.pdf

第卷第期上海金属，年月，基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（），国 家 自 然 科 学 基 金（）作 者 简 介：陶 新，女，硕 士，主 要 从 事 不 锈 钢 热 处 理 研 究，：淬 火 温 度 对马 氏 体 不 锈 钢 显 微 组 织 和 硬 度 的 影 响陶新，孔洁，白琴，夏爽，王 宝 顺，孙 文 强，周珠，（上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院，上 海；上 海 大 学 微 结 构 重 点 实 验 室，上 海；上 海 大 学 先 进 特 种 钢国 家 重 点 实 验 室，上 海；浙 江 久 立 特 材 科 技 股 份 有 限 公 司，浙 江 湖 州；浙 江 省 核 电 用 高 性 能 管 材 成 形工 程 技 术 研 究 中 心，浙 江 湖 州）【摘 要】对马 氏 体 不 锈 钢 分 别 在、和 奥 氏 体 化 后 水 淬。随后 采 用 差 示 扫 描 量 热 仪、射 线 衍 射 仪、光 学 显 微 镜、扫 描 电 子 显 微 镜、透 射 电 子 显 微 镜 和 维 氏 硬 度 计检 测 了 钢 的 显 微 组 织 和 硬 度。结 果 表 明：从、和 淬 火 的钢 的 原 奥 氏 体 晶粒 尺 寸 相 应 为、和，在 以 上 温 度 奥 氏 体 化 时，钢 中 碳 化 物 几 乎 完 全 溶 解 于 奥 氏体，奥 氏 体 晶 粒 明 显 变 粗；从 淬 火 的钢 的 硬 度 最 高，为。【关 键 词】马 氏 体 不 锈 钢，奥 氏 体 化 温 度，显 微 组 织，硬 度中 图 分 类 号：文 章 编 号：（），（，；，；，；，；，）【】，（），；（）【】，随 着 核 电 工 业 的 飞 速 发 展，进 一 步 研 发 核 反 应 堆 用 材 料 已 引 起 了 人 们 的 广 泛 关 注。目 前 核 电 上海金属第卷结 构 用 材 料 主 要 有 奥 氏 体 不 锈 钢、镍 基 合 金、马 氏体 不 锈 钢 和 钴 基 合 金 等。马 氏 体 不 锈 钢 强 度高、热 导 率 高、热 膨 胀 系 数 小，并 具 有 良 好 的 抗 辐照 脆 性 和 耐 磨 性 等，被 广 泛 用 于 制 作 核 电 反 应 堆构 件。等研 究 发 现，淬 火 温 度 对不 锈 钢 的 残 留 奥 氏 体 含 量 有 一 定 影 响；王 轶农 等研 究 发 现，钢 的 淬 火 温 度 对 原 奥氏 体 晶 粒 尺 寸 有 明 显 影 响，并 影 响 材 料 的 淬 透 性。本 文 研 究 了 淬 火 温 度 对马 氏 体 不 锈 钢 显微 组 织 和 硬 度 的 影 响。试 验 材 料 与 方 法研 究 用 材 料 为 经 过 去 应 力 退 火 的钢，其 化 学 成 分 如 表所 示。表研 究 用钢 的 化 学 成 分 元 素质 量 分 数 将钢 试 样 在型 箱 式 马 弗炉 中 分 别 加 热 至、和 奥 氏体 化，水 淬。采 用 差 示 扫 描 量 热 仪（，）以 的 速 率 将 试 样 加 热 至 ，测 定钢 的 相 变 温 度和以 确 定 淬 火 温 度。采 用 型射 线 衍 射 仪（，）分 析 不 同 温 度 淬 火 的 试 样 的物 相，扫 描 角 度 范 围 为 ，扫 描 速 率 为（）。制 备 金 相 试 样，并 将 其 在 高 锰 酸 钾（）浓 硫 酸（）水（）的 混合 溶 液 中 蚀 刻，随 后 采 用 型 金 相 显 微 镜 和 型 热 场 发射 扫 描 电 子 显 微 镜（，）进 行 金 相 检 验。采 用 带 能 谱 仪（，）的型 场 发 射 透 射 电 子 显 微 镜（，）检 验 微 观 形 貌 和 析 出 相成 分。采 用 软 件 处 理（）图像，获 取 快 速 傅 里 叶 变 换（，）图 像，并 结 合 选 区 电 子 衍 射（，）分 析 析 出 相 的 晶 体 结构。采 用型 维 氏 硬 度 计 测 定 不 同 温度 淬 火 的 钢 硬 度，试 验 力 为。结 果 与 分 析 临 界 温 度 的 测 定采 用软 件 进 行 热 力 学 计 算，得 到钢 中 相 含 量 随 淬 火 温 度 的 变 化，结 果 如 图所 示。从 图可 以 看 出，钢 的 奥 氏 体 化温 度 为 ，在 左 右 奥 氏 体 转 变为 高 温 铁 素 体（），在 左 右 高 温 铁 素体 转 变 为 液 相。图采 用软 件 计 算 的钢 中 相含 量 随 奥 氏 体 化 温 度 的 变 化 钢 的曲 线 如 图所 示。从 图可 以 看 出，试 样 从 室 温 加 热 到 时，曲线 有个 差 热 峰，结 合软 件 计 算 结 果 可知，吸 热 峰是 退 火 态 试 样 的 碳 化 物 溶 解，对 应于铁 素 体奥 氏 体 转 变 过 程，对 应 于奥氏 体高 温 铁 素 体 转 变 过 程。采 用 切 线 法 确 定钢 的 奥 氏 体 转 变 开 始 温 度和 结 束 温 度分 别 为和。通 常，在温 度 以 上 就 能 充 分 奥 氏 体 化，因 此钢的 奥 氏 体 化 温 度 即 淬 火 温 度 为 。已有 研 究 表 明，当 不 锈 钢 的 奥 氏 体 化 温 度 高 于 时，奥 氏 体 晶 粒 将 明 显 粗 化，甚 至 发 生 过 热 或 过烧，影 响 力 学 性 能。综 合 考 虑，确 定 研 究 用钢 的 淬 火 温 度为、和 。第期陶新 等：淬 火 温 度 对马 氏 体 不 锈 钢 显 微 组 织 和 硬 度 的 影 响 图 钢 的曲 线 显 微 组 织对 不 同 温 度 淬 火 的 试 样 进 行分 析，结 果如 图所 示。图表 明，不 同 温 度 淬 火 的钢 显 微 组 织 为 马 氏 体，无 碳 化 物 或 残 留 奥 氏 体。图为 不 同 温 度 淬 火 的钢 的形貌。从 图可 以 观 察 到 原 奥 氏 体 晶 界 和 碳 化 物 颗粒，且 随 着 淬 火 温 度 的 升 高，碳 化 物 减 少、尺 寸 减图不 同 温 度 淬 火 的钢 的图 谱 小；和 淬 火 的 钢 显 微 组 织 主 要 为 马 氏体 和 未 溶 碳 化 物；淬 火 的 钢 中 未 溶 碳 化 物较 多 且 尺 寸 较 大，平 均 约 为 ；淬 火的 钢 中 仅 有 少 量 未 溶 碳 化 物，尺 寸 明 显 减 小，平 均约 为 ；和 淬 火 的 钢 几 乎 没有 未 溶 碳 化 物。图从（）、（）、（）和 （）水 淬 的钢 的形 貌 （），（），（），（）图和 表为 淬 火 的钢 中 碳化 物 的 形 貌 和 能 谱 分 析 结 果，可 见 碳 化 物 为 碳 化铬。图为 不 同 温 度 淬 火 的钢 的 原 奥 氏体 晶 粒 形 貌。有 研 究表 明，保 温 时 间 和 化 学 成分 一 定 时，奥 氏 体 晶 粒 尺 寸 主 要 取 决 于 淬 火 温 度。因 此 为 了 更 直 观 地 了 解 淬 火 温 度 与 奥 氏 体 晶 粒 尺寸 之 间 的 关 系，采 用 截 线 法 和 软 件 上海金属第卷图从 淬 火 的钢 中 碳 化 物的形 貌 表从 淬 火 的钢 中 碳 化 物 的 成 分 位 置原 子 数 分 数 谱 谱 基 体 统 计 不 同 温 度 淬 火 的 钢 的 原 奥 氏 体 晶 粒 尺 寸，结果 如 图所 示。图表 明，从、和 淬 火 的 钢 中 原 奥 氏 体 晶 粒 平 均 尺 寸 分 别为、和。原 奥 氏 体 晶 粒 平 均 尺 寸与 淬 火 温 度 之 间 的 关 系 如 图所 示。图从（）、（）、（）和 （）水 淬 的钢 的形 貌 （），（），（），（）从 图和 图可 以 看 出，当 奥 氏 体 化 温 度 从 升 高 到 时，钢 中 原 奥 氏 体 晶 粒 平 均 尺寸 无 明 显 变 化。其 原 因 是，奥 氏 体 化 时，钢中 仍 有 部 分 未 溶 碳 化 物，具 有 阻 碍 晶 粒 长 大 的 作用。在 和 奥 氏 体 化 时，由 于 碳 化 物已 完 全 溶 解，阻 碍 晶 粒 长 大 的 作 用 消 失，晶 粒 尺寸 明 显 增 大，晶 粒 尺 寸 分 布 曲 线 的 峰 值 也 明 显 右移。另 外 值 得 注 意 的 是，在 奥 氏 体 化 时，钢 中 原 奥 氏 体 晶 粒 的 弯 曲 晶 界 明 显 变 得 平 直，三 条晶 界 相 交 成 近，晶 粒 呈 六 边 形，如 图（）中 箭头 所 示。这 说 明 原 奥 氏 体 晶 粒 已 充 分 长 大，部 分 奥氏 体 晶 粒 通 过 吞 并 周 围 晶 粒 的 方 式 急 剧 长 大，大 尺寸 晶 粒 增 多，晶 粒 尺 寸 的 不 均 匀 性 增 大。从 淬 火 的钢 的形 貌 如 图和 图所 示。从 图可 以 看 出，淬 火 的钢 的 组 织 主 要 为 板 条 状 马 氏 体，平 均第期陶新 等：淬 火 温 度 对马 氏 体 不 锈 钢 显 微 组 织 和 硬 度 的 影 响 图从 不 同 温 度 淬 火 的钢 原 奥 氏 体 晶 粒尺 寸 的 统 计 结 果 图淬 火 温 度 与钢 中 原 奥 氏 体 平 均 晶 粒尺 寸 之 间 的 关 系 图从 淬 火 的钢 的形 貌 图从 淬 火 的钢 中 残 留 奥 氏 体 的形 貌 宽 度 约 为 。板 条 马 氏 体 中 含 有 大 量 的 位错，位 错 分 布 不 均 匀，形 成 位 错 胞。另 外，在马 氏 体 板 条 内 还 有 少 量 未 溶 碳 化 物，与 图结 果一 致。通 过 对 图中 的图 进 行 标 定 可 知，在 淬 火 态 试 样 的 马 氏 体 板 条 内 分 布 着 薄 膜 状的 残 留 奥 氏 体。推 测 由 于 其 含 量 较 少，未检 测 到 残 留 奥 氏 体 的 衍 射 峰。残 留 奥 氏 体 的 出 现主 要 有 以 下 两 个 原 因：一 是 材 料 的 马 氏 体 转 变 开始 温 度点 在 室 温 以 上，而 转 变 结 束 温 度点 上海金属第卷低 于 室 温，当 材 料 淬 火 后 冷 却 至 室 温 时，马 氏 体 转变 未 发 生 完 全，未 转 变 的 奥 氏 体 保 留 下 来 成 为 残留 奥 氏 体；二 是 马 氏 体 在 原 奥 氏 体 晶 内 发 生 转 变时 奥 氏 体 被 分 割 成 块 状 小 区 域，而 存 在 于 马 氏 体边 界 的 奥 氏 体 被 保 留 下 来 成 为 残 留 奥 氏 体。显 微 硬 度图为 不 同 温 度 淬 火 的钢 的 硬 度。可 以 看 出，淬 火 的 钢 的 硬 度 高 于 淬火 的 钢，达 到 了 ，更 高 温 度 淬 火 的 钢 的硬 度 则 下 降。图淬 火 温 度 对钢 硬 度 的 影 响 结 合 显 微 组 织 可 知，奥 氏 体 化 温 度 从 升 高 至，有 更 多 的 碳 和 合 金 元 素 溶 于 奥 氏体，且 奥 氏 体 成 分 的 均 匀 性 提 高，奥 氏 体 稳 定 性 提高，淬 透 性 改 善。当 奥 氏 体 化 温 度 为 和 时，钢 中 碳 化 物 完 全 溶 解，阻 碍 晶 粒 长 大的 作 用 消 失，奥 氏 体 晶 粒 明 显 粗 大。根 据公 式，马 氏 体 束 尺 寸 增 大，材 料 的 硬 度降 低，因 此 从 和 淬 火 的钢的 硬 度 显 著 降 低。结 论（）钢 在 奥 氏 体 化 淬 火后 的 组 织 主 要 由 马 氏 体 和 少 量 碳 化 物 组 成，在 和 奥 氏 体 化 时，碳 化 物 几 乎 完 全 溶解 于 基 体。（）在和 奥 氏 体 化 时，钢的 奥 氏 体 晶 粒 平 均 尺 寸 无 明 显 变 化；在 和 奥 氏 体 化 时，钢 的 奥 氏 体 晶 粒 平 均 尺 寸显 著 增 大，晶 粒 尺 寸 不 均 匀 性 增 大。（）随 着 淬 火 温 度 的 提 高，钢 的 硬 度先 升 高 后 下 降，淬 火 的 钢 硬 度 最 高，为。参 考 文 献兰 银 辉，熊 少 阳，尤 磊，等压 水 堆 核 电 站 控 制 棒 驱 动 机 构金 属 材 料 设 计 热 处 理 技 术 与 装 备，（）：，：王 轶 农，李 星 逸，孟 祥 才，等淬 火 温 度 和 晶 粒 尺 寸 对钢 淬 透 性 的 影 响 金 属 热 处 理，（）：陈 淑 花，叶 东 南金 属 材 料 与 热 处 理 北 京：冶 金 工 业 出版 社，李 俊 儒超 超 临 界 机 组 叶 片 用 钢组 织 性 能控 制 研 究 北 京：北 京 科 技 大 学，赵 艳 君，孟 庆 雪，任 学 平，等影 响 新 型 低 碳 马 氏 体 合 金 钢奥 氏 体 晶 粒 的 因 素 塑 性 工 程 学 报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：刘 庆 冬，刘 文 庆，王 泽 民，等回 火 马 氏 体 中 合 金 碳 化 物 的原 子 探 针 表 征形 核 金 属 学 报，（）：，（）：，（），（）：（下 转 第页）第期袁 良 增 等：加 热 温 度 对管 线 钢 显 微 组 织 和 低 温 韧 性 的 影 响 图 钢 试 样 的 膨 胀 量 随 加 热温 度 的 变 化 参 考 文 献姜 昌 亮中 俄 东 线 天 然 气 管 道 工 程 管 理 与 技 术 创 新 油气 储 运，（）：张 斌，钱 成 文，王 玉 梅，等国 内 外 高 钢 级 管 线 钢 的 发 展 及应 用 石 油 工 程 建 设，（）：徐 景 涛 管 线 钢 在 长 输 管 道 中 的 应 用 及 展 望 中 国冶 金，（）：李 烨 铮 感 应 加 热 弯 管 制 造 工 艺 技 术 研 究 天 津：天 津 大 学，巩 忠 旺，赵 志 伟，陈 跃 华，等中 俄 东 线 工 程 用 钢 级 感 应 加 热 弯 管 研 发 钢 管，（）：，：蒋 昌 林，林 涛，诸 建 阳，等加 热 温 度 对钢 级 弯 管 用 管线 钢 板 冲 击 韧 性 的 影 响 宽 厚 板，（）：，：张 小 立，庄 传 晶，吉 玲 康，等高 钢 级 管 线 钢 的 有 效 晶 粒 尺寸 机 械 工 程 材 料，（）：史 根 豪增 氮 与 等 温 转 变 对 低 碳钢 复 相 组 织 和 力学 性 能 的 影 响 研 究 秦 皇 岛：燕 山 大 学，乔 桂 英，王 旭，付 彦 宏，等加 热 温 度 和 冷 却 速 度 对级弯 管 用 钢 组 织 与 性 能 的 影 响 焊 管，（）：董 露，郝 世 英，张 骁 勇，等加 热 温 度 对热 煨 弯 管 钢组 织 和 性 能 的 影 响 材 料 热 处 理 学 报，（）：章 传 国，郑 磊轧 后 加 热 温 度 对 高 管 线 钢 板 组 织 性能 的 影 响 钢 铁，（）：刘 迎 来，池 强，王 鹏加 热 温 度 对弯 管 钢 组 织 与 性 能的 影 响 金 属 热 处 理，（）：田 晨 超，许 飞，焦 磊，等加 热 温 度 对钢 级 热 煨 弯 管 组织 性 能 的 影 响 焊 管，（）：修 回 日 期：櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪（上 接 第页），（）：尹 朝 朝，张 莉 芹，胡 峰，等马 氏 体 亚 结 构 对超 厚 板 表层 强 韧 性 能 的 影 响 钢 铁，（）：，（）：刘 云 旭金 属 热 处 理 原 理 北 京：机 械 工 业 出 版 社，（），（）：胡 赓 祥，蔡繤，戎 咏 华材 料 科 学 与 工 程 基 础 上 海：上海 交 通 大 学 出 版 社，胡 磊，张 莉 芹，胡 峰，等多 尺 度 截 面 组 织 对 调 质 海 工 钢 强 韧性 的 影 响 钢 铁，（）：修 回 日 期：