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 0005，N 0 007，Si03，Mn03，Cr 21，Mo08， Cu04，Ti 01 03，Nb 01 03。 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 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，随着时效温度的提高 ，合金元素特别是 Ti 和 Nb 在基体的固溶度增大 。钢从 600 升高到 750 时效时，在欠时效状 态下，固溶度越小越容易析出Ti和Nb的化合物， 所以在同样的时效时间下，随着时效温度的提高 ，第二相析出量变少，第二相体积分数减小，所 以钢的硬度降低，冲击韧性提高。 3 结论 ( 1) Cr21 铁素体不锈钢经 1 100 保温 30min 后再在 600、650 和 750 时效 处理 50 h 内并未析出 sigma 相和铬的碳化 物。在时效过程中，主要析出大量的 TiC、 NbC 和( Ti，Nb) C 复合粒子以及少量的 Fe2Nb( Laves 相) 。 ( 2) Cr21 铁素体不锈钢在 600、650 时 效处理的 50 h 内，钢的硬度几乎同样经历 了先升高后降低，韧性先降低后升高的变 化过程。在 750 时效处理的 50 h 内则硬 度几乎一直升高，韧性一直降低。参考文献 1 陆世英 不锈钢概论M 北京: 原子能出版社，2007: 60-67 2 卫星 铁素体不锈钢在汽车排气系统的应用日益广泛J上海金属 ，2005，27( 3) : 63 3 Calliari I，Zanesco M Influence of isothermal aging on secondary phases precipitation and Toughness of a duplex stainless steel SAF2205 J J Mater Sci，2006，41: 7643-7649 4 Emad EL-KASHIF，Kentaro ASAKURA Effects of Boron，Niobium and Tianium on Grain Growth in Ultra High Purity 18% Cr Ferritic Stainless SteelJ ISIJ International，2004，44: 1568- 1575 5 Chen Jiping，Kang Yonglin Microstructure and Properties of Ti and Ti + Nb Ultra-Low-Carbon Bake Hardened SteelsJJournal of Iron and Steel Research，2009，16( 6) : 33-40 6 Haitao Yan， Hongyun Bi Precipitation and mechanical properties of Nb-Modified ferritic stainless steel duringisothermal aginJ Materials Characterization，2009，60:204-209 7 Strid J，Easterling K E On the Chemistry and Stability of Complex Carbide and Nitrides in Micro alloyed SteelsJActametall，1985，33 ( 11) : 2057-2074 8 雍岐龙 钢铁材料中钢第二相M 北京: 冶金工业出版社，2006