無Co馬氏體時效不銹鋼成分設(shè)計及性能研究.pdf

1、高強度超高強度不銹鋼由于具有良好的強韌性能匹配度、可焊接性、熱加工性和較好的耐蝕性而被廣泛應用，其中高強度馬氏體時效不銹鋼常用于制作機翼大梁、潛艇動力耐蝕零件及壓縮機葉輪等。這類鋼的典型鋼種有17-4PH、Fv520和Custom465等，都是在Fe-Ni-Cr三元體系基礎(chǔ)上添加少量的C、Mo、Ti、Nb、Cu等合金化元素形成的，通過高溫固溶淬火得到馬氏體基體，隨后再進行低溫時效處理，在馬氏體基體中析出以碳化物({Fe-Ni-Cr}-C

2、系列)、金屬間化合物({Fe-Ni-Cr}-M系列)為主的強化相，達到強化目的。其中以碳化物為主進行時效強化的也可稱為馬氏體沉淀硬化不銹鋼（含C量約為0.1wt.％）。合金化組元的添加種類及其添加含量都是為了實現(xiàn)材料的某些特殊性能，然多個組元添加的成分復雜性給探索新合金帶來了不便。故本文工作以Fe-Ni-Cr基馬氏體時效不銹鋼為研究對象，根據(jù)“團簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型設(shè)計多元合金成分。首先通過解析現(xiàn)有典型的馬氏體不銹鋼成分，給出馬氏體時

3、效不銹鋼多元化的成分規(guī)律，建立多元化的馬氏體時效不銹鋼團簇成分式;然后根據(jù)團簇成分式設(shè)計合金成分，并對其進行系列性能測試，最后實現(xiàn)超高強度馬氏體時效不銹鋼的成分優(yōu)化，獲得性能優(yōu)越的新合金。
　　在Ar氣保護下，利用真空自耗電弧爐多次熔煉配制的母合金，并用銅模吸鑄得到直徑為6mm的合金棒材，進而對{Fe-Ni-Cr}-C系列鑄態(tài)合金棒在1323 K固溶2h，水淬，并在753 K時效4h;對{Fe-Ni-Cr}-M系列鑄態(tài)合金棒在12

4、73K固溶1h，水淬，并在783K時效3h。分別對不同狀態(tài)下的合金進行XRD、OM、SEM檢測分析，以確定合金的結(jié)構(gòu)和微觀組織形貌;并同時對合金棒進行顯微硬度、靜態(tài)拉伸、電化學腐蝕測試;最后利用隨機森林算法對所得實驗結(jié)果構(gòu)成的樣本空間進行學習再計算和預測合金的顯微硬度。所得結(jié)論如下:
　　(1)利用“團簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合合金化元素M與基體Fe之間的混合焓△HM-Fe，確定了馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)團簇式，為[NiFe12]C

5、r3。其中，[NiFe12]為FCC結(jié)構(gòu)中以Ni為心、周圍被12個Fe原子包圍形成的立方八面體團簇，Cr為連接原子，此時恰對應Fe-Ni-Cr奧氏體穩(wěn)定的最低下限成分。為體現(xiàn)微量合金化元素在團簇成分式中的添加，將基礎(chǔ)式[NiFe12]Cr3自恰放大，得到[Ni16Fe192]Cr48，并采用相似組元替代原則添加其它元素。在以碳化物為主要強化的馬氏體時效不銹鋼中，團簇成分式為{[(Ni，Cu)16Fe192](Cr，Mo,Nb48}C1;

6、在以金屬間化合物Ni3M為主要強化的馬氏體時效不銹鋼中，為彌補Ni3M析出所消耗的Ni量，其團簇成分式為[(Ni，Cu)16Fe192](Cr32Ni16-x-y-z-m-nTixMoyVzNbmAln)。
　　(2)在以碳化物為主要強化的馬氏體時效不銹鋼中，固溶和時效后的系列合金組織和性能隨合金化組元的添加種類及其含量發(fā)生變化;其中{[(Ni13Cu3)Fe192](Cr45Mo2.5Nb0.5)} C1合金(Fe74.92Ni

7、533Cu1.33Cr16.35Mo1.67Nb0.32C0.08 wt.％)在時效處理后具有高的硬度和拉伸強度，分別為Hv=397，σ0.2=971 MPa和σb=1093 MPa，且在3.5％ NaCl中性鹽水溶液中具有優(yōu)良的耐蝕性能。在以金屬間化合物Ni3M為主要強化相的馬氏體時效不銹鋼中，時效后的[(Cu4Ni12)Fe192](Cr32(Ni8.5Mo2Ti2Nb0.5Al1V1))合金(Fe74.91Ni8.82Cr11.6

8、2Mo1.34Ti0.67Nb0.32Al0.19V0.36Cu1.78 wt.％)的力學性能與耐蝕性能匹配最好，其性能參數(shù)分別為:HV=488，σ0.2=1417Mpa，σσb=1494MPa，Ecorr=-0.334V，Eb=0.318V,icorr=0.804 uA/cm2。
　　(3)合金的原子尺寸Ra、團簇式電子數(shù)VEC與宏觀力學性能（顯微硬度H(v)）表現(xiàn)為單一線性關(guān)系，可預測合金固溶與時效處理后的硬度差別;同時根據(jù)此