沉淀硬化不锈钢相变曲线研究与分析

刘业超，陈 炜，邵 帅，牛 丹，郝建国，盖登宇

(1.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869；

2.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150006)

沉淀硬化不锈钢具有优良的耐蚀性能和焊接性能、良好的冲击韧性，主要用作齿轮、螺栓、轴、轮盘、叶片、转子、泵件等[1-3]。目前，对沉淀硬化不锈钢的研究主要集中在热处理工艺及耐腐蚀性等方面，对沉淀硬化不锈钢相变参数的研究甚少。本文通过对沉淀硬化不锈钢相变曲线及其参数的研究，为其合理制定热处理工艺提供参考依据，并且为该钢的合理利用及其开发提供试验数据和理论依据。

试验材料沉淀硬化不锈钢采用电渣重熔后经锻造成型，规格为150 mm×200 mm×100 mm，其化学成分见表1。然后选取热膨胀试样，位置为距离锻件表面1/3高度处，试样规格为φ3 mm×10 mm，如图1所示。

表1 沉淀硬化不锈钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of precipitation hardening stainless steel(mass fraction，%)

图1 沉淀硬化不锈钢膨胀试样Fig.1 Precipitation hardening stainless steel expansion specimen

本试验采用Formastor-FⅡ全自动相变仪测量奥氏体转变产物及转变量与温度和时间的关系，测量沉淀硬化不锈钢奥氏体化后不同冷却速度的转变类型及转变开始和终了温度；
同时利用数值模拟软件，通过内置的模块进行模拟计算，快速绘制该材料的转变曲线，与实测结果进行对比。

2.1 测定沉淀硬化不锈钢CCT曲线

将沉淀硬化不锈钢加热至奥氏体化温度1050 ℃保温10 min，然后以不同的冷却速度进行冷却，冷却速度分别为14.8、8.05、3.50、1.50、0.75、0.25和0.04 ℃/s，沉淀硬化不锈钢连续转变曲线如图2所示。由图2可知，沉淀硬化不锈钢具有良好的淬透性，在连续冷却过程中只发生了马氏体转变；
并得出沉淀硬化不锈钢相变临界温度Ac1为625 ℃，Ac3为735 ℃，Ms为190 ℃。

图2 沉淀硬化不锈钢CCT曲线Fig.2 The CCT curve of precipitaion hardening stainless steel

采用蔡司200MAT金相显微镜对沉淀硬化不锈钢进行显微组织观察，如图3所示。不同冷却速度下沉淀硬化不锈钢的组织均为马氏体，结果与CCT曲线一致。

采用维氏硬度计进行显微硬度检测，载荷为500 g，其硬度范围为332～349 HV。

图3 在不同冷却速度下沉淀硬化不锈钢的显微组织Fig.3 Microstructure of precipitation hardening stainless steel in different cooling rates

2.2 模拟计算沉淀硬化不锈钢CCT曲线

针对沉淀硬化不锈钢的实测化学成分，通过数值模拟计算软件JMatPro进行相变曲线的分析计算，其数值模拟计算的CCT曲线如图4所示。由图4可知，沉淀硬化不锈钢在连续冷却过程中只发生了马氏体转变，与实测结果基本相同；
并计算出沉淀硬化不锈钢相变临界温度A1为627.4 ℃，A3为709.6 ℃，Ms为189.4 ℃。

图4 沉淀硬化不锈钢模拟计算CCT曲线Fig.4 The CCT curve of simulated calculation of precipitation hardening stainless steel

试验测得沉淀硬化不锈钢的相变临界温度Ac3为735 ℃，Ac1为625 ℃，Ms为190 ℃，因其具有良好的淬透性，在缓慢冷却过程中依然以马氏体组织为主。而利用JMatPro软件计算出沉淀硬化不锈钢的相变临界温度A3为709.6 ℃，A1为627.4 ℃，Ms为189.4 ℃，根据模拟计算CCT曲线可以看出，冷却后的组织为马氏体。

A3和A1温度是平衡状态下的温度线，这种平衡不是绝对的，只有当升温、降温速度极慢时才会认为是平衡状态。但是实际生产中要保持平衡状态是不可能的，实际生产的加热速度不可能极慢，所以会出现实际奥氏体化温度高于平衡相图中A3线的温度。

一般Ac3温度范围为A3+(30～50) ℃，此温度差为过热度，产生过热度主要与加热速度有关，即加热速度快引起过热度的增加。孔令男[4]研究表明，对于Cr含量低于4%的试样，Cr对C元素扩散系数的影响要大于对C元素的有效扩散距离的影响；
然而，当Cr含量超过4%时，Cr的影响却正好相反。沉淀硬化不锈钢中Cr含量超过12%，因此A3温度和Ac3温度间的过热度取其下线，取30 ℃。JMatPro软件数值模拟计算出Ac3温度约为739.6 ℃，而实际通过设备检测出沉淀硬化不锈钢的Ac3温度为735 ℃，结果基本一致。

理论上A1温度与Ac1温度依然存在相应的温度差，即过热度。当沉淀硬化不锈钢加热到高于A1温度，奥氏体在铁素体-碳化物边界形核[5]。此时，奥氏体的形核率很高，初始形成的奥氏体晶粒很细，因此A1和Ac1的温度差别很小；
并且沉淀硬化不锈钢由于合金元素多，极易形核，因此A1与Ac1温度之间的过热度应该趋近于0。通过JMatPro软件模拟计算出Ac1温度约为627.4 ℃，而实际通过设备检测出沉淀硬化不锈钢的Ac1温度为625 ℃，结果基本一致。

1)实测得出沉淀硬化不锈钢Ac1为625 ℃，Ac3为735 ℃，Ms为190 ℃；
模拟计算得出沉淀硬化不锈钢A1为627.4 ℃，A3为709.6 ℃，Ms为189.4 ℃，模拟计算结果与实测结果基本一致。

2)沉淀硬化不锈钢具有良好的淬透性，在连续冷却过程中仅发生马氏体转变。

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