15-5PH不锈钢在580℃时效过程中的析出强化行为.pdf

第卷第期上海金属，年月，基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（）作 者 简 介：肖 亚 姣，女，硕 士，主 要 从 事 钢 铁 材 料 纳 米 析 出 相 研 究，：不 锈 钢 在 时 效 过 程 中 的 析 出 强 化 行 为肖 亚 姣刘 文 庆孙 光 岩孙 梦 菊（上 海 大 学 材 料 研 究 所，上 海）【摘 要】对不 锈 钢 进 行 了 水 冷 的 固 溶 处 理，随 后 于 时 效 不同 时 间。利 用 维 氏 硬 度 计、光 学 显 微 镜 和 原 子 探 针 层 析 技 术（，）研 究了 不 锈 钢 时 效 过 程 中 析 出 相 演 变 规 律 及 其 对 硬 度 的 影 响。结 果 表 明：时 效 初 期，不 锈 钢的 硬 度 迅 速 上 升 并 在 时 效 后 达 到 峰 值 ，随 后 快 速 下 降。时 效 的 钢 中富相 的 数 量 密 度 大，强 化 作 用 明 显，硬 度 达 到 峰 值。随 着 时 效 时 间 的 延 长，富相 逐 渐 粗化，强 化 作 用 减 弱，硬 度 迅 速 下 降。时 效 过 程 中（，）颗 粒 与 富相 分 布 在 相 邻 位 置，且 随着 时 效 时 间 的 延 长，铌 碳 氮 化 物 不 断 析 出 长 大，元 素 富 集 程 度 不 断 提 高。【关 键 词】不 锈 钢，时 效，富相，原 子 探 针 层 析 技 术，碳 氮 化 物中 图 分 类 号：文 章 编 号：（）（，）【】，（），（，），【】，（）钢 是 一 种 马 氏 体 沉 淀硬 化 不 锈 钢，具 有 较 高 的 强 度、良 好 的 韧 性 和 耐 蚀性，被 广 泛 应 用 于 航 空 航 天、海 洋 工 程 以 及 核 工 业领 域。钢 中质 量 分 数 接 近，通第期肖 亚 姣 等：不 锈 钢 在 时 效 过 程 中 的 析 出 强 化 行 为 常 先 淬 火，后 在 时 效，通 过 析 出 富相 提 高 强 度，。等研 究 发 现：钢 淬 火 后 于 时 效，硬 度 迅 速 达 到 峰 值，这 主 要 是 与 基 体 保 持 共 格 关 系 的 富相 析 出 强化 所 致；时 效 后，富相 开 始 粗 化，呈 椭 球状，出 现 了 逆 变 奥 氏 体。等将钢 固 溶 处 理 后 在 时 效，钢 的 硬 度 迅速 增 加，时 效 达 到 峰 值，这 是 富相 的 强 化作 用 所 致；时 效 后 硬 度 与 峰 值 时 效 状 态 相 比并 未 显 著 下 降，认 为 是 碳 化 物 的 强 化 作 用 所 致。华 小 珍 等将不 锈 钢 在 时 效 后 发 现，富相 长 大 至 ，并 呈 椭 球 状。富相 和 碳 化 物 的 高 温 时 效 析 出 对 力 学 性 能 的影 响 更 明 显。目 前，国 内 外 关 于不 锈 钢高 温 时 效 析 出 行 为 的 研 究 虽 然 很 多，但 对 富相 和 碳 化 物 的 析 出 顺 序 及 其 强 化 作 用 的 大 小 等 的研 究 还 没 有 定 论。本 文 将不 锈 钢 固 溶 处理 后，在 时 效 不 同 时 间，利 用 原 子 探 针 层 析技 术 系 统 地 研 究 了 不 锈 钢 时 效 过 程 中 析 出 相 的 演变 规 律 和 强 化 行 为。试 验 材 料 与 方 法试 验 用不 锈 钢 的 化 学 成 分 如 表所示。将钢 试 样 在 固 溶 后 水淬，随 后 在 分 别 时 效 不 同 时 间。表试 验 用不 锈 钢 的 化 学 成 分 元 素质 量 分 数 采 用型 维 氏 硬 度 计 测 量 硬 度，试 验 力为，保 持 时 间 为，测次 取 平 均 值。金 相 试 样 经 磨、抛 后 用 体 积 分 数 为的 硝酸 酒 精 溶 液 腐 蚀，然 后 在 型 倒置 式 金 相 显 微 镜 下 观 察 显 微 组 织。采 用 型 原 子 探 针对 不 同 时 效 时 间 试 样 进 行 测 试，采 用 两 步 电 解 抛光 法 制 备样 品。采 集 数 据 时，将 样 品 冷 却至，激 光 脉 冲 频 率 为，能 量 为，探 测 率 为，所 得 数 据 利 用 软 件进 行 分 析。通 过 最 大 包 覆 分 离 法（，）确 定 析 出相，其 中 最 大 原 子 间 距和 最 小 溶 质 原 子 数 量分 别 取 和，计 算 析 出 相 的 数 量 密 度、等 效 半 径和 体 积 分 数。试 验 结 果 与 分 析 显 微 硬 度图为不 锈 钢 的 硬 度 随 时 效 时 间 的 变化。可 以 看 出，固 溶 态 试 样 硬 度 为 。时 效 初 期，随 着 时 效 时 间 的 延 长，硬 度 迅 速 上 升 并在 时 效 后 达 到 峰 值 ，较 淬 火 态试 样 提 高 了 。之 后 由 于 过 时 效 硬 度 迅速 下 降，时 效 后 降 至，时 效 后 继 续 降 至 ，此 时 硬 度 与 淬 火 态 相 差无 几。随 着 时 效 时 间 进 一 步 延 长 至，硬 度 降 至，较 固 溶 态 降 低 了。图 不 锈 钢 在 时 效 不 同时 间 后 的 显 微 硬 度 显 微 组 织图为不 锈 钢 经 时 效 不 同 时间 后 的 显 微 组 织。可 以 看 出，不 锈 钢 的 组织 主 要 由 细 小 的 板 条 马 氏 体 组 成；随 着 时 效 时 间的 延 长，马 氏 体 板 条 逐 渐 分 解，即 碳 从 马 氏 体 基 体中 连 续 排 出。时 效 试 样 的 硬 度 低 于 固 溶 态，可 能 是 形 成 了 逆 变 奥 氏 体 所 致，但 由 于 放 大 倍数 的 限 制 无 法 观 察 到 逆 变 奥 氏 体。分 析图为不 锈 钢 于 时 效 后 各 元 素 原 子 的 三 维 空 间 分 布。可 以 看 出，元素 发 生 了 明 显 偏 聚，形 成 富相，尺 寸 为 。、元 素 也 在 富相 的 位 置 发 生 了 轻 微 上海金属第卷偏 聚，、和元 素 及分 布 也 不 均 匀，说明 开 始 形 成 了 碳 氮 化 物，但 数 量 较 少。相 比 中 低温 时 效，时 效 就 析 出 了 较 大 尺寸 的 富相，且 数 量 较 多，说 明 高 温 时 效 促 进 了富相 的 析 出 和 长 大，使不 锈 钢 时 效硬 度 达 到 峰 值。图 不 锈 钢 在 时 效 不 同 时 间 后 的 显 微 组 织 图 不 锈 钢 于 时 效 后 各 元 素 原 子 的 三 维 分 布 图为 时 效 试 样 中 各 元 素 原 子 的 三 维 空间 分 布。可 以 看 出，与 时 效 相 比，时 效 后 富相 发 生 粗 化，部 分 呈 椭 球 形，其 强 化 作 用 减弱。、元 素 与 富相 偏 聚 在 相 同 位 置，元 素也 发 生 了 轻 微 偏 聚。、元 素 在 试 样 顶 部 和 底 部发 生 偏 聚，形 成 了的 碳 化 物，但 其 尺 寸 较 大，强 化作 用 有 限。和则 偏 聚 在 相 同 位 置，是 典 型 的沿 位 错 线 分 布 的 特 征，等和 等分 别 在 含微 合 金 钢 和合 金 中 证 实了 这 一 现 象。这 可 能 是 由 于 位 错 周 围 能 量 较 高，和扩 散 较 快，有 利 于的 形 成，但 其 尺 寸 较 大，强 化 作 用 较 弱，导 致 硬 度 下 降。第期肖 亚 姣 等：不 锈 钢 在 时 效 过 程 中 的 析 出 强 化 行 为 图时 效 试 样 中 各 元 素 原 子 的 三 维 分 布 图为 时 效 试 样 中 各 元 素 原 子 的 三 维 空间 分 布。可 以 看 出，富相 继 续 粗 化，呈 短 棒状，强 化 作 用 进 一 步 减 弱。富相 含 有 大 量、元 素。此 外，、与元 素 偏 聚 在相 同 位 置，形 成 了 碳 氮 化 物，且 尺 寸 不 断 增 大。图为 时 效 试 样 中 各 元 素 原 子 的 三 维 空间 分 布。可 以 看 出，富相 进 一 步 粗 化，呈 长 棒状，强 化 作 用 几 乎 消 失。与 时 效 相 似，、元 素 仍 与 富相 偏 聚 在 相 同 位 置，、与元 素 也 偏 聚 在 相 同 位 置，形 成 了 粗 大 的碳 氮化 物，析 出 强 化 效 果 较 弱，导 致 硬 度 持 续 下 降。上 述 结 果 表 明，不 锈 钢 在 时 效过 程 中 首 先 形 成 了 富相，、元 素 与 富相 偏 聚 在 相 同 位 置，起 显 著 的 强 化 作 用，硬 度 达 到图时 效 试 样 中 各 元 素 原 子 的 三 维 分 布 图时 效 试 样 中 各 元 素 原 子 的 三 维 分 布 上海金属第卷峰 值。与、元 素 偏 聚 形 成 了碳 氮 化 物，但 数 量 较 少，强 化 效 果 较 弱。随 着 时 效 时 间 的 延长，富相 发 生 粗 化，强 化 作 用 减 弱，（，）尺 寸 也 较 粗 大，析 出 强 化 效 果 减 弱，因 此 硬 度 持 续下 降。在 方 旭 磊 等的 研 究 中，不 锈 钢在 时 效 过 程 中 出 现 了个 硬 度 峰 值，分 别是 富相 和 碳 氮 化 物 的 强 化 作 用 所 致。王 学 敏等在 研 究钢 的 析 出 强 化 行 为时 也 发 现，富相 与、的 碳 氮 化 物 的 强 化 作用 导 致 出 现个 时 效 硬 度 峰 值。本 文 只 出 现个硬 度 峰 值，可 能 是 因 为 时 效 温 度 较 高，形 成 的 碳 氮化 物 较 粗 大，强 化 作 用 较 弱，不 足 以 出 现 第个 硬度 峰 值。为 了 进 一 步 量 化 富相 的 强 化 效 果，对 其数 量 密 度、平 均 等 效 半 径和 体 积 分 数进行 计 算，结 果 如 表所 示。可 以 看 出，时 效 后 富相 半 径 达 到（），数 量密 度 为 ，具 有 明 显 的 强 化 作 用，此表 时 效 不 同 时 间 试 样 中 富相 的数 量 密 度、平 均 等 效 半 径和 体 积 分 数 （），（）（）时 效 时 间（）时 硬 度 达 到 峰 值。随 着 时 效 时 间 的 延 长，富相 逐 渐 粗 化，半 径 逐 渐 增 大，数 量 密 度 和 体 积 分 数也 持 续 降 低，强 化 作 用 减 弱，因 此 钢 的 硬 度 持 续降 低。在 时 效 过 程 中，富相 与（，）团 簇 的 偏聚 程 度、尺 寸 及 分 布 都 发 生 了 变 化。由 此 可 见，这 两种 析 出 相 的 演 变 过 程 比 较 复 杂，需 进 一 步 研 究。图为不 锈 钢 时 效和 的（原 子 数 分 数，下 同）、等 浓 度 面 分 布。可 以 看 出，与分 布 在 相 同 位 置，形 成碳 氮 化 物，则 与 富相 分 布 在 相 邻 位 置。根 据 文 献 中 公 式，时元 素 在中 的 扩 散 系数 约 为（），元 素 在中 的扩 散 系 数 约 为 ，远 低 于元素，因 此 富相 可 能 优 先 于 富相 在 基 体 中 形核。由 于 富相 与 基 体 界 面 处 能 量 较 高，、元 素 会 向 界 面 处 偏 聚，形 成碳 氮 化 物，从 而与 富相 邻。为 了 分 析碳 氮 化 物 的 成 分 变 化，分 别 选取 图和 图中 富区 的 和进 行 一维 浓 度 分 析，结 果 如 图所 示。可 以 看 出，、元 素 偏 聚 在 相 同 位 置 且 具 有 明 显 的浓 度 峰。这 是 由 于 时 效 过 程 中，、原 子 能 进 行长 程 扩 散，容 易 在 界 面 或 位 错 等 缺 陷 处 发 生 偏 聚，且 能 与 附 近、等 原 子 结 合 形 成碳 氮 化 物。与原 子 浓 度 峰 位 置 相 同，说 明 形 成