13Cr超级马氏体不锈钢的组织

第32卷2011年

第12期12月

材料热处理学报

Vol．32December

No．122011

TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENT

13Cr11111

刘玉荣，业冬，徐军，姜雯，周永恒，刘

1221

李俊，苏杰，雍歧龙，赵昆渝

1

鑫，

（1.昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明

2.钢铁研究总院结构材料研究所，北京

摘

650093；

100081）

SEM等研究13Cr超级马氏体不锈钢不同热处理后的的显微组织。结果表明，要：采用TEM、试验用钢淬火后的组织为板条

850、900、950、1000、1050和1100℃淬火后试样原始奥氏体晶粒尺寸为16.8～56.88μm；随淬火温度的升高原始奥马氏体。800、

A钢和B钢的组织均为保留原马氏体位相的细小回火氏体晶粒逐渐长大，马氏体板条束逐渐粗大。不同温度淬火650℃回火，在650℃以下回火时随着回火温度的升高和保温时间的马氏体。试样在1050℃淬火并在不同温度回火后有逆变奥氏体产生，

延长逆变奥氏体含量逐渐增多，且回火后逆变奥氏体主要以长条状及菱形状分布于马氏体板条束间及奥氏体晶界处。关键词：超级马氏体不锈钢；中图分类号：TG142.1

淬火+回火；文献标志码：A

组织；

逆变奥氏体

6264（2011）12-0066-06文章编号：1009-

Microstructureof13Crsupermartensiticstainlesssteel

LIUYu-rong1，YEDong1，XUJun1，JIANGWen1，ZHOUYong-heng1，LIUXin1，LIJun1，

SUJie2，YONGQi-long2，ZHAOKun-yu1

（1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，China；2.InstituteofStructuralMaterialsCentralIronandSteelResearchInstitute，Beijing100081，China）

Abstract：Microstructureof13CrsupermartensiticstainlesssteelsafterdifferentheattreatmentswasstudiedbymeansofTEMandXRD．Theresultsshowthatthemicrostructureofthesteelsafterquenchingislathmartensitematrix．Theprioraustenitegrainsizeisfrom16.8μmto56.88μmforthesteelsquenchedat800-1100℃．Theprioraustenitegrainsizeandthesizeofmartensitelathbundleincreasewiththeraisingofquenchingtemperature．Whenthesteelsaretemperedat650℃afterquenchingatdifferenttemperatures，themicrostructureisfinetemperedmartensiteretainingthemorphologyofquenchedmartensite．Reversedausteniteswithstripanddiamondshapeisobservedalongtheboundaryofpriorausteniteandlathboundariesofmartensiteinthesteelsquenchedat1050℃andthentemperedatdifferenttemperatures．Whenthesamplesaretemperedattemperaturelowerthan650℃，thevolumefractionofreversedausteniteisincreasedwiththeincreaseoftemperingtemperatureandtime．

Keywords：supermartensitestainlesssteel；quenchingandtempering；structure；reversedaustenite

［1-3］

超级马氏体不锈钢是在传统马氏体不锈钢的基础上通过降低碳含量，增加镍（3.5%～4.5%）和钼（1.5%～2.5%）的含量而发展起来的新钢种［1］。这种钢抗拉强度高延展性好焊接性能也得到了改善，而且具有良好的耐蚀性和可加工性以及较低的经济。超级马氏体不锈钢典型的基体金属显微组织这种低碳回火马氏体组织具有很高的，

强度和韧性。马氏体不锈钢淬火后，经一定温度

回火，部分马氏体将发生逆转变，形成逆变奥氏体。这种逆变奥氏体的热稳定很高且弥散分布在低碳板条马氏体基体间，优化了材料的各项性能

［4-5］

。所以

研究钢不同热处理条件下的组织对其性能有重要的指导意义。本文在13Cr超级马氏体不锈钢的基础上研究不同的热设计熔炼了新型的超级马氏体不锈钢，处理条件下试验用钢的显微组织。

收稿日期：基金项目：作者简介：通讯作者：

2010-12-02；修订日期：2011-03-03

1

超级马氏体不锈钢基础研究（[1**********]4）

刘玉荣（1985—），女，主要从事超级马氏体不锈钢的基础赵昆渝（1960—），女，博士生导师，主要从事钢铁材料、功

实验材料及方法

采用真空感应熔炼炉对试验用钢进行熔炼，熔炼

E-mail：liuyurong0771@163．com。研究，

E-mail：kyzhaoy@yahoo．com．cn。能材料和纳米材料方向的研究工作，

时炉内真空度在1Pa以下。直接在炉内浇铸，凝固成铸锭。最后用空气锤锻成15mm×600mm棒状试样供试验使用。试验用钢的化学成分如表1所示。

第12期

表1

Table1

SteelAB

C0.0190.022

刘玉荣等：13Cr超级马氏体不锈钢的组织%）及相变温度（℃）试验钢的化学成分（质量分数，

67

Chemicalcomposition（massfraction，%）andphasetransformationtemperature（℃）oftestedsteels

Mn0.400.41

Si0.160.17

Cr11.6911.86

Ni4.945.14

Mo2.042.17

W－1.00

Cu－1.39

FeBal．Bal．

Ac1585650

Ac3730775

Ms310255

Mf170125

将试验用钢加工成直径3mm×10mm，一端有使用全自动相直径2mm×2mm小孔的热膨胀试样，

变仪Formastor-FⅡ以0.05℃/s的加热速率将试样加热到1100℃，保温15min，进行完全奥氏体化处测出各理；然后以100℃/s的冷却速度冷却至室温，实验钢的相变点温度，结果见表1。

TEM等观察试验用钢的微观组织变采用SEM、

并用XRD测试其奥氏体含量。化，

火后观察其显微组织如图1所示，由图可知试验用钢且淬火马氏体以板条淬火后的组织均为淬火马氏体，

状马氏体为主。随着淬火温度的升高，马氏体板条束逐渐变得粗大。SEM下观察马氏体的形态如图2所试样淬火后一个晶粒内有多个取向不同的马氏体示，

板条束，且在1050℃淬火时马氏体板条束粗大，晶界平滑且出现典型的三叉晶界，说明1050℃淬火时，晶粒充分长大。

A钢和B钢经1050℃保温0.5h油淬后的X射A钢和B在1050℃淬火时，线衍射结果表明（表2），

钢的奥氏体的含量很低，在误差范围内可以看成是所以试样淬火后的组织为淬火马氏体。由图1还零，

随着淬火温度的升高，

马氏体板条束逐渐可以看出，

2

2.1

结果与讨论

淬火条件下试验用钢的显微组织

为研究不同淬火温度对于试验钢组织的影响，试

850、900、950、1000、1050和1100℃淬样分别经800、

图1Fig．1

不同温度淬火时A钢和B钢的显微组织（a）-（e）A钢；（a'）-（e'）B钢；（a）和（a'）800℃淬火；Microstructureofthetestedsteelquenchedatdifferenttemperatures（a）-（e）steelA；（a'）and（e'）steelB；

（d）and（d'）quenchedat1050℃；（e）and（e'）quenchedat1100℃

（b）和（b'）900℃淬火；（c）和（c'）1000℃淬火；（d）和（d'）1050℃淬火；（e）和（e'）1100℃淬火（a）and（a'）quenchedat800℃；（b）and（b'）quenchedat900℃；（c）and（c'）quenchedat1000℃；

68材料热处理学报第32

卷

图3Fig．3

不同淬火条件下试验用钢的奥氏体晶粒尺寸Austenitegrainsizeofthetestedsteelquenched

atdifferenttemperatures

由单独淬火条件下粗大的板条马氏体组织变成细小的回火马氏体，且随着淬火温度的升高奥氏体晶在1000～1050℃淬火时试样晶粒长粒逐渐变大，

大速度较快，这和试验用钢单独淬火条件下的晶粒度长大趋势一样，说明在回火过程中晶粒长大不显

图2Fig．2

1050℃淬火时A钢和B钢的SEM显微组织

（a）A钢；（b）B钢

SEMmicrographsshowingmicrostructureofthe

testedsteelquenchedat1050℃（a）steelA；（b）steelB

B钢比A钢的晶界更著。且在相同热处理条件下，明显。

图5为试验用钢1050℃淬火不同温度回火时的显微组织。可知试样回火后的组织均为细小的当回火温度为550℃时，由于回火温回火马氏体，

试样仍保留原板条马氏体的形态（图5a及度较低，

5a'，所示），随着回火温度的升高，回火马氏体越来越细小。

采用XRD对淬火及不同温度回火后的试样进行奥氏体测试，结果如图6所示。试样在单独淬火时，没有奥氏体衍射峰的存在，而在回火后，奥氏体衍射说明在回火过程中，有部分马氏体重新峰迅速升高，

转变成奥氏体组织。这部分由回火获得的奥氏体即为逆变奥氏体。

不同热处理条件下A钢和B钢的奥氏体含量如表2所示，在1050℃淬火时试验钢中奥氏体含量为零，而试样在1050℃淬火加600℃回火后，奥氏体含量略有增加，并且随着回火温度的升高和保温时间的延长，奥氏体含量均逐渐增加，在1050℃淬火加650℃保温4h回火时，A钢和B钢的奥氏体含量分逆变奥别达到了8.35%和20.70%。已有研究表明，氏体只有在As～Af温度区间内回火时才会生成，且生成的逆变奥氏体量随回火温度的升高先增加后逐渐减少，一般在600～650℃回火时生成量最多

［5，7-12］

变得粗大。相同淬火条件下A钢和B钢的组织大致相同。试验用钢淬火后测试其原始奥氏体晶粒随着淬火温度的升高，原始奥度结果见图3所示，

氏体晶粒逐渐长大，尺寸由900℃淬火时的16.8μm长大为1100℃淬火时的56.88μm。在相同热处理条件下B钢的晶粒尺寸要大于A钢，但随着淬A钢和B钢的晶粒长大趋势一致，火温度的升高，

在900～1000℃和1050～1100℃温度区间淬火晶粒长大的速度较缓慢，而在1000～1050℃淬时，

火时，晶粒迅速长大。随着淬火温度的升高，原始且马氏体板条束越来越粗奥氏体晶粒逐渐长大，

大，这是因为淬火马氏体是在原奥氏体晶粒内形在一个奥氏体晶粒内有多个捆，每个捆由相互成，

平行的板条束组成，各束之间以大倾角晶界相隔，在一个束内由平行排列的板条所构成，奥氏体的晶粒度对板条宽度和分布几乎没有影响。但是在一个奥氏体晶粒内板条束的个数基本不变，所以，板条束的大小随奥氏体晶粒增大而增大2.2

［6］

。

回火条件下试验用钢的显微组织

950、1000、1050和图4为试样分别经900、

。逆变奥氏体热稳定性很高且在马氏体基体。

1100℃淬火并在650℃回火后的显微组织，可知试显微组

织验钢经不同温度淬火并在650℃回火后，

高度弥散分布，它的存在对于钢各项性能的提高有显著作用

［5］

第12期刘玉荣等：13Cr

超级马氏体不锈钢的组织69

图4Fig．4

不同温度淬火650℃回火A钢和B钢和的显微组织（a）-（e）A钢；（a'）-（e'）B钢；（a）和（a'）900℃淬火；（b）和（b'）950℃淬火；（c）和（c'）1000℃淬火；（d）和（d'）1050℃淬火；（e）和（e'）1100℃淬火MicrostructureofsteelAandsteelBtemperedat650℃afterquenchingatdifferenttemperatures（a）-（e）steelA；（a'）and（e'）steelB；（a）and（a'）quenchedat900℃；（b）and（b'）quenchedat950℃；（c）and（c'）quenchedat1000℃；（d）and（d'）quenchedat1050℃；（e）and（e'）quenchedat1100

℃

图5Fig．5

1050℃淬火不同温度回火时A钢和B钢的显微组织（a）-（e）A钢；（a'）-（e'）B钢；（a）和（a'）550℃回火；

（b）和（b'）600℃回火；（c）和（c'）650℃回火；（d）和（d'）700℃回火；（e）和（e'）750℃回火MicrostructureofsteelAandsteelBtemperedatdifferenttemperaturesafterquenchingat1050℃（a）-（e）steelA；（a'）and（e'）steelB；（a）and（a'）temperedat550℃；（b）and（b'）temperedat600℃；（c）and（c'）

temperedat650℃；（d）and（d'）temperedat700℃；（e）and（e'）temperedat750℃

70材料热处理学报第32

卷

图7为试样经1050℃淬火650℃回火后的TEM观察结果。其中图7（a）为马氏体板条内的逆变奥氏体组织，其在马氏体板条边界及奥氏体

23晶界处呈长条状及菱形状分布，长度为10～10

nm，宽约为100nm。图7（b）和7（c）为图7（a）所示的逆变奥氏体组织的选区电子衍射斑点及其标定。逆变奥氏体是由于合金元素尤其是奥氏体形成元素镍原子扩散所形成

［7，13］

，回火过程中它们

优先在马氏体板条束间隙和原奥氏体晶界处形核

图6

Fig．6表2Table2

试验用钢X射线衍射谱

长大。因为这些位置存在高密度的缺陷，这些缺陷的存在为钢在相变时的原子扩散提供快速通有利于逆变奥氏体的长大和稳定。逆转变奥道，

氏体沿马氏体板条界或晶界上析出，对改善材料的韧性十分有利。这是因为在材料塑性变形时它不仅可阻止裂纹在马氏体板条间能吸收变形功，

的扩展，还可以减缓板条间密集排列时位错前端引起的应力集中，这使得钢的强韧性尤其对塑韧性显著提高

［13-14］

X-raydiffractionspectraofthetestedsteel不同热处理条件下试样中奥氏体含量Amountofausteniteinthetestedsteelafter

differentheattreatments

Heattreatment1050℃，0.5h

1050℃×0.5h+600℃×2h1050℃×0.5h+650℃×2h1050℃×0.5h+650℃×4h

AustenitecontentSteelA0.34%1.52%6.28%8.35%

SteelB0.30%2.55%17.14%20.70%

。

图71050℃淬火+650℃回火试样中逆变奥氏体TEM形貌及选区电子衍射图

TEMimagesofsampletemperedat650℃afterquenchingat1050℃

（a）基体中的逆变奥氏体组织；（b）逆变奥氏体衍射花样；（c）衍射花样标定Fig．7

（a）reversedaustenite；（b）thecorrespondingSAEDpattern；（c）indexof（b）

3结论

1）在800～1100℃淬火时A钢和B钢的组织

淬火温度的升高，奥氏体晶粒逐渐长大，长大趋势与单独淬火条件下一样；

3）试样在1050℃淬火并在不同温度回火后有逆变奥氏体产生，在650℃以下回火时随着回火温度的升高和保温时间的延长逆变奥氏体含量逐渐增多。且回火后逆变奥氏体主要以长条状及菱形状分布于马氏体板条束间及奥氏体晶界处。所以回火后试验用钢的组织由回火马氏体及弥散分布于马氏体间隙的逆变奥氏体组成。

均为淬火马氏体。淬火后试样原始奥氏体晶粒尺寸为16.8～56.88μm；随淬火温度的升高原始奥氏马氏体板条束逐渐粗大。在相同体晶粒逐渐长大，

淬火条件下A钢和B钢的组织及晶粒尺寸均差别不大；

2）不同温度淬火650℃回火时，A钢和B钢的组织均为保留原马氏体位相的细小回火马氏体。随

第12期刘玉荣等：13Cr超级马氏体不锈钢的组织71

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