含氮30Cr13铸造马氏体不锈钢组织与力学性能的研究.pdf

·984·铸 造FOUNDRYOet．2016V01．65 No．10含氮30Crl 3铸造马氏体不锈钢组织与力学性能的研究齐兴，毛宏焕，杨弋涛(上海大学材料科学与工程学院，上海200072)摘要：利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电解萃取法以及x射线衍射技术研究了氮含量x寸于30crl3马氏体不锈钢显微组织变化的影响，并通过硬度测试和拉伸实验探究了不同氮含量试验钢力学性能。结果表明：在相同的热处理条件下，不同试样的基体组织均为板条状马氏体、残余奥氏体和析出相，但随着氮含量的增加，残余奥氏体含量逐渐增多，析出相含量先有所下降后逐渐增加，析出相主要类型为M23C。型(Cr。，fie，弗。)碳化物和部分CrvC，型碳化物。氮含量对试验钢硬度影响不大，但抗拉强度、伸长率、强塑积均表现为先升后降，其中氮含量为0．05％试样具有本试验条件下最优的力学性能，强塑积达至JJ20 802．6 MPa％。关键词：显微组织；析出相；力学性能中图分类号：TGl42．7 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)10—0984—06Research on Microstructure and Mechanical Properties ofN itrogen—Containing 30Crl 3 Cast Martensitic Stainless SteelQI Xing，MAO Hong—huan，YANG Yi—tao(School ofMaterials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China)Abstract：Efiect ofnitrogen on microstructure evolution of30Crl 3 martensitic stainless steel was investigatedby means ofoptical microscopy(O旧，scanning electron microscopy(SEM)，electrolytic extraction method andX—ray diffraction(XRD)．Mechanical properties of the tested steel with different nitrogen addition wereevaluated by hardness and tensile tests．The results indicate that under the same heat treatment,the matrixstructure ofdifferent steels was all composed oflath martensite．retained austenite and precipitation,but with theincreasing amount ofnitrogen,the volume fraction ofretained austenite gradually increases．the mass fraction ofprecipitation decreases firstly,and then increases，and they are mainly M23C6(Crls．5sFe7．42C6)carbides and someCr7C3 carbides．Nitrogen content has little influence on the hardness of tested steels．but tensile strength,elongation and product of strength and elongation口SE)all increases firstly and then decreases．Among them,the sample with 0．05％nitrogen addition possesses the best mechanical properties under this experimentalcondition,it has the PSE of20 802．6 M口a％．Key words：microstructure；precipitation；mechanical properties随着目前对氮元素在不锈钢力学性能、耐蚀性等方面影响的研究不断深入，通过氮合金化的方法来改善不锈钢的性能愈发受到关注【1。2】。30Crl3马氏体不锈钢因具有良好力学性能和耐蚀性的结合，其在航空航天、医疗器械、机械制造以及日常生活用刀具等领域中有着广泛的应用刚。氮元素作为强奥氏体化元素，在马氏体不锈钢中主要以间隙固溶原子和金属氮化物两种形式存在，其间隙固溶强化和稳定奥氏体化组织的作用能有效提高钢的强度，同时使钢保持较好的塑韧性【5]。例如，20Crl3Mo氮合金化后材料的退火组织得到显著改善，材料的抗拉强度和屈服强度分别提高，但塑韧性基本维持不变[6／。不过应该指出，氮的加入在一定范围内可改善材料的性能，即存在着最佳氮含量啊。现阶段关于氮元素的引入对马氏体不锈钢组织和力学性能影响的研究并不多见，本文着手于研究在相同的热处理条件下不同氮含量的30Crl3不锈钢显微组织和力学性能的变化，在探索规律的同时得到本试验条件下最佳的氮加入量。1试验材料与方法1．1试验材料试验用钢采用高真空电弧炉熔炼，以添加氮化铬收稿日期：2016-05-23收到初稿，2016-06--06收到修订稿。作者简介：齐兴(1993一)，男，硕士生，研究方向为含氮30Crl3不锈钢组织与性能。E-maih snhqixing@i．shu．educn通讯作者：杨弋涛，男，教授，博士，电话：02 1．56334465，E-mail：yyt@staff．shu．edu．cn万方数据铸造 齐兴等：含氮30Crl3铸造马氏体不锈钢组织与力学性能的研究 ·985·铁中间合金的方式进行氮合金化，制备得到五种不同氮含量的纽扣形铸锭，其化学成分(除氮元素)由移动式直读光谱仪PMI—MASTER PRO分析所得，氮含量由TC．436型氮氧化物分析仪测定，结果如表1所示。表1试验用钢的化学成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steels，‘似编号 C Cr Si Ni Mn N Fe0 O．309 13．6 1．43 0．205 0．474 余量1 0．31 1 13．3 1．43 O．196 0．463 0．02 余量2 O．318 13．6 1．46 O．214 0．480 0．04 余量3 0．272 13．0 1．51 O．192 0．463 0．05 余量4 0．301 13．1 1．47 0．200 0．45l 0．08 余量通过高真空电弧炉熔炼所得的铸锭需要通过热处理来改善其综合力学性能。为比较不同氮含量对于合金组织和力学性能的影响，试样材料均采用相同的热处理工艺，即首先在1 100℃下保温2 h进行扩散退火，随炉冷却至室温，以进一步减小成分偏析；然后在1 020℃下保温30 min后进行水淬，淬火后立即在200℃下回火2 h，空冷至室温。1．2试验方法热处理后铸锭通过线切割截取加工成10 mmx10 mmx5 nllTl的长方体试样，试样镶嵌后用砂纸逐级打磨、抛光和腐蚀制备成金相样品，腐蚀剂采用l g苦昧酸+5 mL盐酸+100 mL乙醇溶液，腐蚀时间为90 S。采用尼康LVl50正立式光学金相显微镜(OM)观察不同氮含量试样的金相组织；通过HITACHI SU．1500钨灯丝扫描电子显微镜以及能谱分析(SEM+EDS)进一步分析不同试样的显微组织差异。采用电解萃取法分析谰不同氮含量试样中析出相的差异，电解液为375 mL水、120 mL盐酸以及16 g柠檬酸颗粒的混合溶液，电解萃取时恒定电压设定为15 V，萃取时间为8 h。硬度测试选用布洛硬度计，载荷为150 kg，每个试样测量5个点的硬度值，求其平均值。通过18 kW D倍嗄Ax2500V+／PC型x射线衍射仪(XRD)对试样基体相和析出相分别进行物相分析，其中x射线衍射仪采用铜靶，基体相测试角度范围为40。～90。，析出相测试角度范围为300～900，连续模式下扫描速率为40／min。2试验结果与分析2．1 显微组织观察与分析为探究氮元素对于不同试样显微组织变化的影响，对不同氮含量试样的光学显微组织进行了观察，结果如图l所示。由图可见，不同氮含量试样均为板条马氏体组织，不同位向的马氏体板条束清晰可见。随着氮含量的增加，试样显微组织中有黑色析出物出现，特别是氮含量为0．08％试样的显微组织中出现了形状不规则的黑色网状物质(图1e)，这可能由于合金元素在原始奥氏体晶界偏析造成。图2为不同氮含量试样在扫描电镜下的形貌观察比较。从图2中能明显看到不同氮含量试样均为板条状马氏体基体组织，同时能看到白色颗粒状析出物分布在马氏体板条间和内部，经EDS能,谱分析，白色颗粒状析出物为碳化物。图2a和2b中白色颗粒状碳化物数量较少且随机分布，随着氮含量增加，碳化物数量明显增多，通过图2c和2d可以发现，碳化物数量较之前明显增多，且均匀弥散分布。当氮含量为0．08％时(图2e)．碳化物析(d)O 05％N (c)0 08％N图1不同氮含量试样的光学显微组织图Fig．1 The optical microstructure ofsamples with different nitrogen content万方数据·986· FOUNDRYOct．2016VO|．65 No．10出数量更多，其分布也趋向于网状团簇，尺寸更细。这与之前金相组织中观察到的黑色网状物质所对应，大量碳化物的团簇析出造成合金元素的偏聚。对图2e局部放大进一步观察分析后发现(图2f)，碳化物周围还分布有少量黑色颗粒状析出相，根据EDS分析结果可知，其主要包含氮、氧、铬和铁元素。(c)0 08％N (n 0 08％N图2不同氮含量试样的SEM形貌图Fig．2 SEM morphology ofsamples、析tll different nitrogen content为进一步确定试样的物相组成，对不同氮含量试样进行XRD分析，结果如图3所示。所有试样中都有仅相峰存在，同时还能观察到较低的'相峰。由此判断，各试样的显微组织均由回火马氏体，少量残余奥氏体和不同数量的碳(氮)化物组成。通过x射线衍射仪分析测定了不同氮含量试样中的残余奥氏体含量(图3b)可知，随着含氮量的提高，试样中的残余奥氏体含量增加，残余奥氏体含量由未含氮试样中的7．03％增加到氮含量0．08％试样中的10．69％。氮元素作为奥氏体形成元素并有强烈稳定奥氏体的作用，使合金淬火后残余奥氏体含量增多，由此可见，氮合金化对于试验钢中奥氏体的稳定化有一定效果。为探究不同氮含量试样中析出相含量和种类，对各试样进行了电解萃取分析。图4为氮含量对试样析出相含量的变化影响，与不含氮试样相比，含氮量为0．02％试样的析出相含量有所下降，这可能与氮的添加能一定程度降低合金中碳化物的析出有关，由于氮的加入增加了Cr2N型氮化物的析出倾向，且其能降低cr在不锈钢中的扩散系数，阻碍M∞C。型碳化物及金属间化合物的形核及长大，从而减少了高cr含量碳化物的析出[81。但氮含量进一步提高后，析出相的含量明显增加，特别是含氮量0．08％试样中析出相数量显著增加，较不含氮试样中的析出相含量增加了近92％，因为此时氮元素主要会以析出相形式在基体中存在，随着氮(a)XRD物相分析图谱 (b)残余奥氏体含量变化图3不同氮含量试样的XRD物相分析Fig．3 XRD profile analysis ofsamples with different nitrogen content．万方数据铸造 齐兴等：含氮30crl3铸造马氏体不锈钢组织与力学性能的研究 ．987．含量的增多，氮化物数量逐渐增多，其对高Cr碳化物形成的抑制作用也有所减弱，从而析出相总量急剧增加。图4不同氮含量试样的析出相含量Fig．4 Precipitation mass fi'action ofsamples with different nitrogen content为进一步确定不同试样中析出相的具体类型，利用XRD对不同氮含量试样的析出相萃取物粉末进行物相分析，结果见图5。由图可知，不同成分试样的析出相均主要为M23C。型(Cr】552Fez船C。)碳化物，同时均有少量的M7C，型(Cr7C，)碳化物析出，但不同试样中不同析出相的含量存在差异。在氮含量为0．08％试样析出相的XRD图谱中有部分不完全峰，可能由于氮化物析出量较少，且析出相XRD谱图中有部分碳化物衍射峰与氮化物衍射峰位置相近，导致并未直接观察到氮化物峰(Fe，Cr)2N。。(c啦4。39C。。。)的存在，但根据之前的EDS分析结果以及析出相含量的变化情况和相关文献中指出含氮马氏体不锈钢在低温下(200℃以下)回火时有氮化物(Fe，Cr)2N。。析出相存在[91，因而推测可能存在(Fe，Cr)2N，。型氮化物。(d)0．05％N (e)O．08％N图5不同氮含量试样的碳化物Ⅺ①物相分析图谱Fig．5 XRD analysis ofcarbides in samples with different nitrogen content2．2力学性能图6是不同氮含量试样的硬度测试统计结果，由图中曲线可见，硬度在氮含量增加的同时仅由未氮合金化试样的HRC52．08变化为含氮量0．08％试样的HRC52．94，硬度值相比仅增加1．7％，增幅不到HRCl。由此可见本试验条件下，氮含量的变化对试验钢硬度的变化几乎没有影响，氮元素对硬度的提升效果有限。表2所示的拉伸试验结果表明，少量氮元素的添加可以改善合金的拉伸性能，但随着氮含量的进一步增加，合金的抗拉强度和伸长率有不同程度的降低。抗拉强度在氮含量为0．02％时达到最高，为l 680 MPa，当氮含量增加至0．08％后，抗拉强度降低为1 618 MPa；而伸长率呈现为先升高后降低的趋势，其中含氮量0．05％试样的伸长率最优，为12．6％，与未氮合金化的试样相比增加了57．5％。由表2还可知，试样的强塑积随着氮含量的变化先提高后降低，在氮含量为0．05％时最佳，为20 802．4 MPa％，虽然氮含量为0．08％时试样的强塑积有所下降，但仍高于未氮合金化试样的强塑积。试样力学性能的改变与组织的变化密切相关。残余奥氏体能有效改善马氏体不锈钢的塑性，其在形变时可以减少应力集中，阻止裂纹扩展，提高实验钢伸长率，但一定程度上会造成强度的下降，实验钢的伸长率并非与残余奥氏体含量存在线性增加关系眇¨】，在万方数据·988· FOUNDRYOct．2016V01．65 No．10图6氮含量对不同试样洛氏硬度的影响Fig．6 Effects ofnitrogen content on Rockwell hardness ofdifferentsamples氮含量为0．05％出现极值。不同氮含量试样的抗拉强度总体上表现为逐渐下降，可见残余奥氏体在改善材料塑性的同时，明显对试样的抗拉强度有一定程度的损害。同时，虽然析出相含量逐渐增加，但其分布由少量的细小弥散分布变化为大量析出时的团簇聚集分布，并由此造成局部Cr元素偏析。当析出相作为硬而脆的第二相在马氏体基体上呈网状分布时，其在空间上将塑性较好的基体相分割开，在变形过程中，材料会沿着连续的脆性相开裂，使材料的塑性急剧下降，甚至强度也会下降【121，且碳氮化物大量析出造成基体中合金元素固溶程度减小，从而减弱了固溶强化的效果，这很好解释了氮含量为0．08％时试样的抗拉强度和伸长率都显著降低。当氮含量在0．02％至0．05％时，析出相的细小弥散分布和残余奥氏体共同作用，此时材料具有较为理想的强塑性的结合，特别在氮含量为0．05％时，试样的强塑积最佳。综上可知，析出相含量和分布以及残余奥氏体含量都对试样的力学行为有着关键的影响，两者共同决定了材料的力学性能。表2不同氮含量试样的拉伸实验结果Table 2 Tensile properties of samples wim differentnitrogen content——为探究各试样断裂形态的差异，在扫描电镜下对拉伸断El的显微形貌进行了观察(图7)，通过断E1分析可知，不同氮含量试样的拉伸断口形貌存在一定的差别。图7a断口中能观察到少量韧窝，但同时也能看到部分解理台阶的存在，属于混合型断裂，这与未氮合金化试样较差的强塑性相吻合。相比而言，图7b和7c表面较为粗糙，其中韧窝数量更多，但韧窝尺寸并没有较大改变，在图7c中还能看到塑性变形过程中裂纹不断扩展并相互连接造成的纤维状结构。7d图中韧窝数量进一步增多且弥散分布，韧窝也由小而浅转变成大且深，颜色较暗。韧窝是微孔聚集型断裂的典型特征，第二相质点在拉伸过程中与基体界面脱离而成核从而形成微孑L，其大小(直径与深度)与第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力等都有关系，氮含量为0．05％试样中第二相析出相数量较多且均(d)0．05％N (e)0 08％N图7不同氮含量试样的拉伸断口扫描形貌Fig．7 SEM fracture morphology oftensile samples with different nitrogen content万方数据铸造 齐兴等：含氮30Crl3铸造马氏体不锈钢组织与力学性能的研究 ·989·匀分布，残余奥氏体含量的增加也有效改善了基体组织的塑性变形能力，此时试样的塑性得到了提高。通过伸长率和试样拉伸断口形貌判断，2、3和4号试样均为韧性断裂。与图7a相似，氮含量为0．08％试样的拉伸断口中韧窝数量较少，且部分区域能看到沿晶裂纹，该试样中析出相在原始奥氏体晶界大量聚集，拉伸变形过程中首先在晶界处产生裂纹并扩展。通过比较与研究氮含量变化对于试样显微组织和力学性能的影响后发现，氮在一定程度上能提高试验钢的力学性能，但过量氮元素的添加反而会降低试样的力学性能。本实验条件下最优含氮量为0．05％，此时试样基体组织为板条马氏体和少量残余奥氏体，残余奥氏体的存在提高了试样的塑性，而均匀分布的析出相弥补了残余奥氏体对抗拉强度的影响，使试验钢的抗拉强度保持在1 651 MPa，伸长率达到最佳，为12．6％，试样强塑积达至lJ20 802．6 MPa％，表现出良好的强塑性结合。3结论(1)不同氮含量试样的显微组织之间存在一定差异。不同试样基体组织均为板条马氏体、残余奥氏体和碳(氮)化物，随着氮含量的增加，不同试样中残余奥氏体含量逐渐增加，碳(氮)化物析出相含量先有所下降然后逐渐增加，当氮含量为0．08％时，析出相明显增加。(2)不同氮含量试样中析出相类型主要为M∞C。型(Cr．5 52Fe，鹏C6)碳化物，同时有少量的M7C，型(CrTC，)碳化物。随着氮含量的增加，析出相的分布由少量随机分布变化为均匀弥散分布，当氮含量达0．08％时，析出相成网状团簇聚集分布。(3)试验钢硬度随氮含量的增加变化不大，但抗-+一+-—卜一+一+-+-+-+(上接第983页)4结束语本文对基于UG平台的铸造过程CAE后处理技术进行了系统分析和讨论，重点介绍了铸造CAE数据可视化和孤立液相区搜索技术，并使用模数法和周界商法实现了铸钢件冒口工艺设计和优化。在上述研究基础上，实现了UG环境下CAD／CAE体化系统的后处理显示和冒口工艺设计，并通过实例验证了开发系统的可行性和实用性。参考文献：[1】廖敦明，陈立亮，刘瑞祥，等．铸造CAD／CAE／CAM--体化技术[J】铸造，2005(7)：702—705．拉强度、伸长率、强塑积均呈现先提高后下降的趋势，其中氮含量为0．05％时具有本实验条件下最佳的力学性能，0．05％氮含量为本实验最优的氮含量。参考文献：[1】马小平，王立军，秦斌，等．氮对马氏体不锈钢00Crl3Ni4Mo组织和性能的影响【J]．材料热处理学报，2012，33(4)：77—85．[2] 马永柱，秦斌，陈旭，等．氮合金化对马氏体不锈钢00Crl3Ni4Mo回火性能的影响【J】．宝钢技术，2010(2)：35—39．【3] Lu S Y．Yao K F，Chen Y B，et a1．Effects of austenitizingtemperature on the microstructure and electrochemical behavior of amartensitic stainless steel【J】Journal of Applied Electrochemistry，2015．45：375—383．【4】 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3：35—36．【12]崔忠圻，覃耀春．金属学与热处理(第二版)[M]．北京：机械工业出版社，2007：177—178．(编辑：刘冬梅，ldIIl@foundryworld．corn)【2】董正卫，田立中，付宜利．UG／Open编程基础[M】．北京：清华大学出版社，2002．【3】张春明．基于OpenGL技术的铸造CAE图形学的研究与开发【D】．华中科技大学，2005．【4】刘赞，张云，李庆，等．UG平台下注射模CAD／CAE集成中的后处理技术[J】．模具工业，2012(4)：1-6．【5】徐宏，侯华，赵字宏，等．铸件凝固模拟液态孤立多熔池动态判定及缩孑L预测【J】．铸造技术，2003(4)：319—320．【6】6 丛伟．模数法在铸钢件冒口设计中的应用[J】．沈阳航空工业学院学报，2002(4)：17—19．【7】王济洲，周尧和．借助周界商求解铸钢件冒口尺寸的新方法[J】．铸造，1995(12)：16—19．(编辑：刘冬梅，ldm@foundryworld．com)万方数据