馬氏體不銹鋼的中高溫力學(xué)性能

陳 蕊， 包翠敏， 楊智鵬， 陳 煒， 王圣馳， 林 琳

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

不銹鋼是在空氣或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，其中把使用態(tài)組織為馬氏體的一類不銹鋼，稱為馬氏體不銹鋼，通常該類不銹鋼碳元素含量較高。其與奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼相比，具有更高的強(qiáng)度，良好的力學(xué)性能和高溫抗氧化性能；在溫度不高的大氣、水和弱腐蝕介質(zhì)中，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能；但對(duì)于強(qiáng)酸的耐腐蝕性能較差。馬氏體不銹鋼與普通合金鋼一樣，可以通過(guò)淬火實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。根據(jù)不同牌號(hào)選擇適宜的熱處理工藝規(guī)范，從而能夠在較大范圍內(nèi)獲得不同的力學(xué)性能[1-5]。FV520B鋼是英國(guó)Firth-Vickers材料研究室研究開(kāi)發(fā)的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，是在原FV520鋼的基礎(chǔ)上研制出的新型馬氏體沉淀硬化不銹鋼，是一種低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有優(yōu)良的耐蝕性能和焊接性能，還具有良好的沖擊性能和較大截面上理想的橫向性能，主要應(yīng)用于齒輪、螺栓、軸、輪盤(pán)、葉片、轉(zhuǎn)子和泵件等場(chǎng)合。這種鋼被引進(jìn)后，一直活躍在風(fēng)機(jī)行業(yè)，主要用來(lái)制造抽送含有腐蝕介質(zhì)的中高速風(fēng)機(jī)葉片[6-10]。目前，隨著壓縮機(jī)市場(chǎng)需求的不斷拓寬，一些較高溫度環(huán)境服役的需求越來(lái)越多，關(guān)于FV520B鋼的常溫性能已有大量研究，但關(guān)于其在高溫下的研究甚少，而在風(fēng)機(jī)行業(yè)會(huì)涉及到300～500 ℃的較高溫度，因此進(jìn)行馬氏體不銹鋼在中高溫度段的性能研究對(duì)其在壓縮機(jī)行業(yè)的更廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

FV520B鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，試驗(yàn)選取兩個(gè)FV520B試棒，尺寸為φ405 mm×170 mm圓柱的1/4，分別對(duì)其進(jìn)行兩種不同時(shí)效溫度的熱處理，如表2所示。對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行加工，用于中高溫拉伸、蠕變、線膨脹系數(shù)測(cè)試，并將斷口試樣在掃描電鏡下進(jìn)行觀察。

表1 FV520B鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熱處理工藝

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)兩種工藝熱處理后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫、300、350及500 ℃，結(jié)果如表3所示。由表3可知，工藝1(時(shí)效溫度480 ℃)處理試樣，拉伸試驗(yàn)溫度為300～350 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，塑性形變差異不大；拉伸試驗(yàn)溫度升至500 ℃時(shí)，與室溫下相比，強(qiáng)度明顯降低，說(shuō)明在高溫環(huán)境下，工藝1處理試樣的強(qiáng)度有所下降。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，工藝1處理試樣在高溫下依然保持著較高的強(qiáng)度且具有相對(duì)較好的塑性，因此其在高溫下具有良好的綜合性能。

表3 試驗(yàn)鋼的中高溫拉伸性能

工藝2(時(shí)效溫度620 ℃)處理試樣，高溫下的強(qiáng)度明顯低于工藝1的，強(qiáng)度隨著測(cè)試溫度的升高而下降，其中500 ℃時(shí)，強(qiáng)度下降幅度較大。且通過(guò)不同測(cè)試溫度下屈服強(qiáng)度與室溫下屈服強(qiáng)度的差值可知，兩種工藝熱處理后的屈服強(qiáng)度差值均隨著測(cè)試溫度的升高而增加，且工藝2處理試樣的強(qiáng)度差值較工藝1的小，即高溫對(duì)工藝2處理試樣強(qiáng)度的影響小于工藝1。

圖1 工藝1處理試驗(yàn)鋼不同溫度拉伸試驗(yàn)后的斷口SEM圖像Fig.1 SEM images of fracture of the tested steel treated by process 1 after tensile test at different temperatures(a) 300 ℃; (b) 350 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃； (a1-d1)宏觀(macroscopic)； (a2-d2)纖維區(qū)(fibrous zone)；(a3-d3)剪切區(qū)(shear zone)

工藝1處理試樣在中高溫拉伸后的斷口SEM圖像如圖1所示。300 ℃拉伸溫度下，斷口形貌為典型的杯錐狀斷口，杯錐狀斷口通常為韌性斷口，主要由韌窩組成，部分第二相粒子存在于大韌窩中且無(wú)明顯孔洞和源裂紋存在；當(dāng)拉伸溫度提高到350 ℃時(shí)，試樣斷口依然以韌性斷裂為主，但有明顯的裂紋，在宏觀上能夠看到少數(shù)解理平面，微觀下可觀察到韌窩深度變淺；當(dāng)拉伸溫度為400 ℃時(shí)，微觀組織以韌窩為主，但尺寸變大，韌窩內(nèi)部出現(xiàn)滑移，第二相粒子發(fā)生破碎，出現(xiàn)深坑和細(xì)小的裂紋；當(dāng)拉伸溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，為韌性斷裂，但有明顯的源裂紋產(chǎn)生，且細(xì)小而獨(dú)立的韌窩數(shù)量下降，在撕裂棱的作用下連接成韌窩帶，大韌窩數(shù)量上升導(dǎo)致韌窩整體周長(zhǎng)減小，相對(duì)于溫度較低的試樣斷口，存在很多明顯的細(xì)小孔洞。由圖1可知，測(cè)試溫度在300～500 ℃時(shí)，試樣斷裂均以韌性斷裂為主，具有較好塑性。

工藝2處理試樣高溫拉伸后的斷口SEM圖像如圖2所示。300 ℃拉伸時(shí)，試樣斷口存在大量細(xì)小韌窩，斷裂區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)沿晶斷裂的現(xiàn)象，因此最終斷裂屬脆性斷裂；350 ℃拉伸后，斷口與300 ℃時(shí)相似，但試樣最終斷裂區(qū)存在滑移分離的特征，斷裂方式為韌性斷裂；拉伸溫度為400 ℃時(shí)，宏觀斷口形貌為韌性斷裂，部分較大韌窩在粒子處萌生，部分粒子處形成的韌窩壁上存在沿剪切方向的滑移分離，表明試樣塑性變形能力較好；當(dāng)拉伸溫度為500 ℃時(shí)，斷口宏觀形貌為典型的杯錐狀韌性斷口，具有相對(duì)較好的塑性。

圖2 工藝2處理試驗(yàn)鋼不同溫度拉伸試驗(yàn)后的斷口SEM圖像Fig.2 SEM images of fracture of the tested steel treated by process 2 after tensile test at different temperatures(a) 300 ℃; (b) 350 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃;(a1-d1)宏觀(macroscopic)； (a2-d2)纖維區(qū)(fibrous zone)；(a3-d3)剪切區(qū)(shear zone)

2.2 高溫蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

高溫蠕變?cè)囼?yàn)溫度設(shè)定為300、400、500 ℃，載荷分別設(shè)定為FV520B鋼在兩種熱處理情況下對(duì)應(yīng)溫度的屈服強(qiáng)度，目的在于考察試驗(yàn)對(duì)象在高溫環(huán)境和實(shí)際載荷作用下的蠕變性能，部分試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工藝處理試驗(yàn)鋼的高溫蠕變曲線(a)工藝1；(b)工藝1；(c)工藝2Fig.3 High temperature creep curves of the tested steel treated by different processes(a) process 1； (b) process 1； (c) process 2

工藝1處理試樣，蠕變溫度為300 ℃時(shí)，載荷為屈服強(qiáng)度927 MPa，通過(guò)穩(wěn)態(tài)蠕變區(qū)推算可知，當(dāng)塑性變形為13%時(shí)，蠕變時(shí)間約為425 485 h(48年)；蠕變溫度為400 ℃時(shí)，載荷為920 MPa，通過(guò)穩(wěn)態(tài)蠕變區(qū)推算可知，當(dāng)塑性變形為16%時(shí)，蠕變時(shí)間約為9643 h(1年)。可見(jiàn)，工藝1處理試樣在高溫300 ℃及屈服強(qiáng)度載荷下具有很好的抗蠕變性能，但在高溫400 ℃及屈服強(qiáng)度載荷下，抗蠕變性能出現(xiàn)下降的情況。

工藝2處理試樣，蠕變溫度為500 ℃時(shí)，在對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度下，發(fā)生斷裂，蠕變性能很差；蠕變溫度為300 ℃時(shí)，在689 MPa載荷下，通過(guò)穩(wěn)態(tài)蠕變區(qū)推算可知，當(dāng)塑性變形為18%時(shí)，蠕變時(shí)間小于1年，蠕變性能較差。

對(duì)斷裂后的試樣進(jìn)行斷口掃描，分析其斷裂原因，蠕變斷口形貌如圖4所示。在蠕變溫度500 ℃下，工藝2處理試樣的高溫蠕變斷口以韌性斷裂為主，纖維區(qū)和放射區(qū)無(wú)明顯界限。整個(gè)斷口由大量的等軸韌窩構(gòu)成，在剪切力的作用下，只有部分顯微孔洞在最終斷裂部位發(fā)生滑移，這也在一定程度上降低了工藝2處理試樣的強(qiáng)度。工藝2處理試樣在500 ℃下具有良好的韌塑性，這與其高溫拉伸性能相似，施加載荷后開(kāi)始產(chǎn)生大幅度應(yīng)變。

圖4 工藝2處理試驗(yàn)鋼500 ℃蠕變斷口形貌Fig.4 Creep fracture morphologies at 500 ℃ of the tested steel treated by process 2

2.3 中高溫線膨脹系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)鋼在300、400、500 ℃高溫下的應(yīng)變和線膨脹系數(shù)如表4所示，試驗(yàn)曲線如圖5所示。試驗(yàn)所測(cè)線膨脹系數(shù)為瞬時(shí)線膨脹系數(shù)，即某具體溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的試樣長(zhǎng)度變化情況。試驗(yàn)設(shè)定溫度區(qū)間為室溫21～500 ℃，升溫速度為5 ℃/min，儀器將記錄升溫過(guò)程中所有記錄點(diǎn)的線膨脹系數(shù)并生成變化曲線。

表4 試驗(yàn)鋼的高溫應(yīng)變及線膨脹系數(shù)

圖5 不同工藝處理試驗(yàn)鋼的線膨脹系數(shù)曲線(a)工藝1；(b)工藝2Fig.5 Linear expansion coefficient curves of the tested steel treated by different processes(a) process 1； (b) process 2

工藝1處理試樣的應(yīng)變程度最小，為5.4784×10-3(測(cè)試溫度500 ℃)。對(duì)于大部分材料而言，當(dāng)溫度變化縮小到無(wú)限小時(shí)，瞬時(shí)線膨脹系數(shù)與應(yīng)變成正比關(guān)系，材料高溫應(yīng)變?cè)酱?，代表其線膨脹系數(shù)越高，反之亦然。由圖5可知，隨著溫度的升高，兩種工藝處理試驗(yàn)鋼的線膨脹系數(shù)整體趨勢(shì)都是快速上升而后趨于平緩。線膨脹的本質(zhì)是材料受熱后，內(nèi)部原子間隙變大，宏觀上表現(xiàn)為材料的伸長(zhǎng)，線膨脹系數(shù)則代表著材料受熱形變的能力。當(dāng)溫度為500 ℃時(shí)，工藝1處理試樣的線膨脹系數(shù)較低，為11.694×10-6℃-1；工藝2處理試樣的線膨脹系數(shù)為13.611×10-6℃-1。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，工藝1處理試樣的線膨脹系數(shù)較小，且在300～500 ℃之間的變化幅度小，不易受溫度影響而發(fā)生較大的受熱形變。在線膨脹作用下產(chǎn)生的應(yīng)變都很小，遠(yuǎn)低于高溫蠕變所造成的應(yīng)變量?？梢?jiàn)，在恒溫恒應(yīng)力的條件下，高溫線膨脹對(duì)試驗(yàn)鋼的影響有限。

3 結(jié)論

1) 隨著試驗(yàn)溫度的升高，F(xiàn)V520B鋼強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但塑性較好，在高溫段(400～500 ℃)，部分試樣內(nèi)部缺陷明顯。時(shí)效溫度480 ℃處理FV520B鋼的綜合性能較好，在500 ℃高溫下，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為918、875 MPa，其高溫塑性形變較?。慌c480 ℃時(shí)效處理相比，620 ℃時(shí)效處理FV520B鋼的高溫屈服強(qiáng)度較低，抗高溫形變能力低。

2) 時(shí)效溫度為480 ℃的試樣在300 ℃溫度下，具有很好的抗蠕變性能。由于蠕變?cè)囼?yàn)是根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定的試驗(yàn)條件，所以按照此趨勢(shì)，在屈服強(qiáng)度的穩(wěn)定作用下，將長(zhǎng)時(shí)間處于蠕變穩(wěn)定階段而不發(fā)生斷裂，且保持平穩(wěn)的應(yīng)變，但在400 ℃溫度下，蠕變性能下降；時(shí)效溫度為620 ℃的試樣在高溫下蠕變性能較差。

3) 高溫線膨脹系數(shù)反映了材質(zhì)受熱形變的能力，在300～500 ℃區(qū)間內(nèi)，F(xiàn)V520B鋼的線膨脹速率開(kāi)始變得平緩，原子間距增加速率減慢，高溫線膨脹作用受到一定的抑制。

4) 時(shí)效溫度為480 ℃時(shí)，F(xiàn)V520B鋼具有良好的中高溫性能。