1前言
17-4PH不锈钢(即OCr17Ni4Cu4Nb)是一美国公司20世纪研究出的一种马氏体沉淀硬化不锈钢,由于它的杰出的机械性能、相对好的耐腐蚀性、好的高温性能,还有简单的热处理工艺,这种沉淀硬化不锈钢被广泛应用于石油、化工.航天航空、造纸、核工业、能源等领域。这种不锈钢经过固溶处理后,基体变成马氏体组织,并没有很高的强度,但是通过在~℃的温度范围内的时效处理后,这种钢就有很高的硬度。尽管近年来对该钢的热处理工艺和力学性能的研究有一些报导,但是至今为止，还未见对该钢的时效硬化过程和机制进行系统的研究的文章。本文则是系统地研究不同时效温度和不同的时效时间对其沉淀硬化行为的影响。
2实验方法
2.1实验用钢
该实验使用的17-4PH不锈钢的化学成分(wt.%)见表1。
2.2热处理
该钢首先经过℃x30min+水冷的固溶处理,然后进行~℃不同温度和不同时间的时效,测定时效3～min后的硬度,研究其变化规律。
2.3X衍射分析
该实验采用XpertproMPD飞利浦X衍射仪分析试样时效前后的组织变化。
3实验的结果和分析
3.1金相分析
该钢的金相组织见图1。时效后其组织特征未见明显变化。
3.2硬度与温度和时间的关系
不同的时效温度下试样硬度随时间的变化见图从图2可以看出:
在~℃左右时效时,试样的硬度随时效的时间的延长而增大,但没有出现时效硬化峰;在时效的开始阶段,硬度上升很快,随后增长减慢并趋于平稳增加。可以看到,时效温度越高,曲线开始上升阶段的斜率越大,即硬化速度越快。
在~℃左右时效时,试样的硬度随时效的时间的延长而增大,最终达到一个峰值而趋于平衡。并且试样的最大硬度在该区间达到最大值。
试样在～℃时效时,时效温度越高,曲线开始上升的速度越快,到达峰值的时间越短(图3)。到达峰值后,下降的速度也越快。并且在~℃温度范围内时效的温度越高,试样的最大硬度就越低(图4)。有实验证明,长时间的高温时效后,试样的硬度约等于固溶后试样的硬度.
3.3X衍射分析
该钢固溶态和℃时效4小时的试样的X衍射曲线见图5。
根据Fe-Cu相图,Cu在℃的固溶度是Twt.%,因此17-4PH不锈钢从奥氏体区快速冷却到室温,可得到过饱和的固溶体,由于该钢的Ms点为℃,Mf为32℃,空冷就即可得到马氏体,固溶处理后该钢的显微组织是束状的板条马氏体,马氏体内部含有高密度位错的亚结构l8]。研究表明,正是高密度的位错和淬火空位加速了Cu的扩散,促进了沉淀相的析出[2]。在适当的温度时效时,铜就首先在马氏体板条界、晶界、位错处、淬火空位等晶体缺陷处形成富铜的b.c.c的原子簇,随着时效的进行,原子簇就转变为弥散的f.c.c的与基体共格的富铜相,然后富铜相随着时效的进行失去与基体的共格关系,最终形成纯铜相1。最近又有人研究认为C的析出的转变的顺序为:b.c.c、→9R-→f.c.c。不管怎样,正是Cu在晶界、位错等晶体缺陷处的沉淀(析出),造成了钢的沉淀硬化。由图5.a(固溶态)可见其主相为马氏体还有少量的Cu相，时效后(图5.b)Cu相的衍射峰的相对强度变大(见表2),这可以说明在时效过程中有C的析出。
4结论
17-4PH不锈钢的时效硬化是由铜从马氏体中析出造成的。试样在~℃的温度区间内时效可得到最大的硬度。时效温度升高,时效硬化的速度增加。在℃及以下温度时效,即使保温min也未出现硬化峰,在℃及以上温度时效,则会出现硬化峰;温度越高,出现硬化峰的时间越短。这时效会导致软化,温度越高,软化的速度越快。
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