低碳馬氏體不銹鋼因具有高強(qiáng)度、良好的塑性、優(yōu)異的耐腐蝕性和卓越的焊接性能，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天工程和其他工業(yè)領(lǐng)域。 迄今為止，追求鋼材具備更高強(qiáng)度以及優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性匹配，以提高運(yùn)輸工具的燃油效率和零部件的結(jié)構(gòu)安全性仍是鋼材的主要研究目標(biāo)。

     為了保持良好的塑韌性，同時(shí)進(jìn)一步提高強(qiáng)度，一般會(huì)采用調(diào)控合金元素或調(diào)整熱處理工藝的方法來(lái)改變微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)于低碳馬氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，調(diào)整熱處理工藝是提高材料性能的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。如有學(xué)者研究了淬火和回火溫度對(duì)低碳馬氏體不銹鋼軸承鋼微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，得到了獲得高強(qiáng)度的工藝參數(shù)。對(duì)于高合金鋼來(lái)說(shuō)，由于殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)高，影響到使用時(shí)候的尺寸穩(wěn)定性，且強(qiáng)度較低，為此，消除殘余奧氏體，淬火后深冷處理是一種有效的處理方法，深冷處理還能促進(jìn)馬氏體基體在后續(xù)回火過(guò)程中析出細(xì)小碳化物。例如LI等發(fā)現(xiàn)深冷處理增加了低碳高合金鋼回火過(guò)程中原子的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力，從而促進(jìn)了細(xì)小碳化物在回火過(guò)程中的形成。此外，YANG等研究了低溫處理對(duì)Ferrium S53超高強(qiáng)度不銹鋼力學(xué)性能和顯微組織的影響，結(jié)果表明與只進(jìn)行了一次深冷處理的二次時(shí)效試樣相比，二次深冷處理的二次時(shí)效試樣在強(qiáng)度和沖擊韌性方面有更優(yōu)越的表現(xiàn)。然而通過(guò)文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，有關(guān)深冷處理方法對(duì)低碳Cr-Co-Ni-Mo高合金不銹鋼組織性能的影響還未見(jiàn)報(bào)道，為了挖掘該鋼的性能潛力，有必要開(kāi)展相關(guān)研究。為此，本文研究重復(fù)深冷回火處理以及深冷時(shí)間對(duì)回火后試驗(yàn)鋼組織和性能的影響，以期開(kāi)發(fā)出具有優(yōu)異強(qiáng)塑性匹配的工藝方法。

1、 實(shí)驗(yàn)材料與方法

      試驗(yàn)用低碳馬氏體不銹鋼成分為Fe-14.0Cr-13.1Co-4.8Mo-2.4Ni-0.5V-0.15C，原始材料為熱軋退火態(tài)。    

      為研究不同的冷處理工藝對(duì)低碳馬氏體不銹鋼組織性能的影響，首先對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行淬火處理(1100°C×1h，油冷)，冷卻至室溫后再進(jìn)行不同工藝的冷處理和回火處理。熱處理參數(shù)及材料代號(hào)見(jiàn)表1。

      EBSD主要用于觀察試驗(yàn)鋼中的晶粒尺寸及相分布，設(shè)備型號(hào)為FEI Quanta 650F。對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械打磨直至其表面光滑且無(wú)明顯劃痕，后將試樣置于體積分?jǐn)?shù)10%高氯酸和體積分?jǐn)?shù)90%乙醇的混合溶液中進(jìn)行電解拋光，拋光溫度為0°C，電壓為15V，拋光時(shí)間為5min。EBSD數(shù)據(jù)通過(guò)Aztec軟件獲得并利用HKL Channel 5軟件進(jìn)行處理。

     金相組織觀察采用S-4800型掃描電鏡（SEM）和F20場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM），利用FEI Quanta650FEG 熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行電子背散射衍射（EBSD）表征。金相試樣從熱處理后的試驗(yàn)鋼沿橫截面切取，經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨和拋光后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氯化銅鹽酸水溶液進(jìn)行腐蝕。TEM試樣采用直徑為3mm 薄片，先經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨減薄后，再使用95%無(wú)水乙醇與5%高氯酸配制溶液，在20V電壓和-25°C下進(jìn)行雙噴減薄。EBSD測(cè)試采用TEM試樣，掃描步長(zhǎng)為0.08μm。利用Image Pro Plus軟件對(duì)碳化物尺寸等組織參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。XRD測(cè)試采用D8 ADVANCEX射線衍射儀(Co靶，λ=0.17902nm) ，工作電壓為40kV，工作電流為150mA，掃描范圍為40°~115°，掃描速率為0.2(°)/min。利用JADE6.5軟件分析XRD圖譜特征峰，位錯(cuò)密度采用修正的Williamson-Hall法進(jìn)行計(jì)算，殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)采用對(duì)比法進(jìn)行計(jì)算。

     準(zhǔn)靜態(tài)室溫拉伸試驗(yàn)采用INSTRON 5985電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變率為1.0×10−3s-1，試樣采用標(biāo)距為25mm，直徑為Φ5mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣。拉伸過(guò)程中采用引伸計(jì)測(cè)量變形量。為了保證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，每種狀態(tài)下的材料重復(fù)測(cè)試3次。

2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織      

     圖1為不同工藝熱處理后的金相組織SEM照片。從圖中可以看出，不同深冷回火條件下的組織均以板條狀回火馬氏體為主，與QCT相比，經(jīng)QCTCT-1和QCTCT-2處理后板條有所細(xì)化。

       圖2給出了不同工藝熱處理后試樣的TEM照片，顯示了回火馬氏體板條寬度和位錯(cuò)形貌，從圖中可以看出，QCT中的板條寬度較為粗大，QCTCT-1中板條寬度明顯減小，QCTCT-2中的板條寬度則進(jìn)一步減小，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得QCT、QCTCT-1和QCTCT-2試樣的馬氏體板條平均寬度為156、136和138nm。從圖中還可以看出，相較于QCT工藝，QCTCT-1和QCTCT-2處理后板條組織中位錯(cuò)密度較高。

     圖3為不同工藝處理后試驗(yàn)鋼的TEM 暗場(chǎng)像，可以看出基體上均彌散分布著細(xì)小條狀和球狀納米級(jí)碳化物。隨著深冷次數(shù)以及深冷時(shí)間的增加，析出相分布的均勻性增加，平均尺寸增大、體積分?jǐn)?shù)增多，數(shù)量增加，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算數(shù)據(jù)表明，析出相尺寸和體積分?jǐn)?shù)由7.3nm、0.023%增加至12.05nm、0.032%。而當(dāng)深冷時(shí)間由2h增加至4h時(shí)，析出相的平均尺寸和體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大為17.39nm和0.070%。

     圖4為不同熱處理工藝后的EBSD相分布圖和TEM 插圖。從EBSD相圖中可以清晰看出，所有試樣基體中塊狀殘余奧氏體的分布情況，QCT和QCTCT-1中的殘余奧氏體的尺寸和分布情況基本相同，但QCTCT-2工藝處理后的試樣中殘余奧氏體的平均尺寸、數(shù)量明顯減小。TEM插圖顯示了各狀態(tài)下的試樣基體中更細(xì)小的薄膜狀馬氏體的微觀形貌，QCTCT-2工藝處理后的試樣中薄膜狀馬氏體長(zhǎng)度更短、數(shù)量更少。

      圖5為經(jīng)不同工藝處理后馬氏體不銹鋼試樣的XRD衍射圖譜，可以看出XRD 圖譜由馬氏體和奧氏體衍射峰組成，QCT和QCTCT-1處理后試樣的奧氏體衍射峰強(qiáng)度接近，但都明顯高于QCTCT-2處理后的奧氏體衍射峰強(qiáng)度，同時(shí)QCT 和QCTCT-1處理后的試樣的馬氏體衍射峰強(qiáng)度要低于QCTCT-2試樣。

     通過(guò)計(jì)算XRD圖譜中馬氏體和奧氏體的衍射峰積分面積，得到QCT、QCTCT-1和QCTCT-2試樣的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別是11.61%、12.60%、4.5%，與圖4的EBSD相圖所顯示的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)基本一致。與QCT處理后的試樣相比，QCTCT-1處理后的試樣殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)上升0.99%，QCTCT-2處理后的試樣殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)下降7.11%。這表明不同冷處理工藝對(duì)殘留奧氏體的相變有不同的影響。對(duì)于冷處理次數(shù)而言，一般認(rèn)為二次冷處理效果優(yōu)于一次深冷，因?yàn)榈诙紊罾溥^(guò)程中殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時(shí)析出細(xì)小碳化物和細(xì)化組織。但如果冷處理時(shí)間較短，第一次冷處理后的回火過(guò)程中易發(fā)生奧氏體的逆轉(zhuǎn)變，引起殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)不降反增，所以重復(fù)深冷需要控制冷處理的保溫時(shí)間。由于奧氏體的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)冷處理的保溫時(shí)間有利于殘余奧氏體的充分轉(zhuǎn)變和形成細(xì)小的碳化物粒子。

      此外，對(duì)各工藝的XRD峰寬進(jìn)行分析計(jì)算，得到QCT、QCTCT-1和QCTCT-2試樣的位錯(cuò)密度，其值分別為6.32×1011/cm2、6.55×1011/cm2和7.01×1011/cm2，計(jì)算結(jié)果與圖2的TEM 照片所顯示的位錯(cuò)密度情況基本一致。

2.2 力學(xué)性能   

     常溫下拉伸試驗(yàn)具有代表性的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。試樣在不同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。試樣經(jīng)過(guò)QCT工藝后其屈服強(qiáng)度為1353MPa，抗拉強(qiáng)度為1721MPa， 延伸率為11.6%；QCTCT-1工藝處理后試樣的強(qiáng)度和塑性都有所提升，其中屈服強(qiáng)度為1444MPa，抗拉強(qiáng)度為1901MPa，延伸率為12.8%，分別提升91MPa，180MPa和1%；QCTCT-2工藝處理后的試樣強(qiáng)度進(jìn)一步提升，塑性變化不大，其屈服強(qiáng)度為1573MPa，抗拉強(qiáng)度為1979MPa，延伸率為12.7%，強(qiáng)度分別提升129MPa和78MPa。

      與QCT工藝相比，試樣經(jīng)過(guò)QCTCT-1工藝和QCTCT-2工藝處理后的屈服強(qiáng)度分別提高了6.7%（ 91MPa）和16.3%(230MPa)， 抗拉強(qiáng)度分別提高了10.5%（180MPa）和15.0%（258MPa）。值得注意的是，盡管試樣的屈服強(qiáng)度發(fā)生顯著提高，但是其延伸率并未發(fā)生較大變化，這使得試樣保持了良好強(qiáng)塑性匹配。

2.3 組織性能關(guān)系分析   

      圖1及圖2顯示，隨著熱處理工藝從QCT演變?yōu)镼CTCT-1，再至QCTCT-2，回火馬氏體的板條晶粒逐漸細(xì)化。這種細(xì)化是由于二次深冷過(guò)程中殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，增加馬氏體板條數(shù)量，因而板條細(xì)化。另外，殘余奧氏體通過(guò)切變相變的時(shí)候，基體位錯(cuò)密度會(huì)增加，而這些增加的位錯(cuò)，在二次回火的時(shí)候受到一次回火析出的碳化物阻礙，回復(fù)難度增大而保留下來(lái)。因此，由圖2以及XRD計(jì)算結(jié)果顯示組織中位錯(cuò)密度相應(yīng)增大。位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的增加都對(duì)強(qiáng)度的提升有貢獻(xiàn)。    

     圖3揭示了熱處理工藝對(duì)碳化物的尺寸、形態(tài)及分布的影響. 結(jié)果表明，隨著工藝從QCT到QCTCT-1，再至QCTCT-2的逐步優(yōu)化，碳化物的析出數(shù)量增多，其形態(tài)從條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睿叽绶植稼呌诰鶆颉Ｌ蓟镒鳛橛操|(zhì)相分布于基體中，可以有效阻礙塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因而碳化物增多，增加了析出強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

    除此之外，相對(duì)于QCTCT-1， QCTCT-2 工藝得到的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)由12.6%顯著降低至4.5%。由于奧氏體具有面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)，其塑性和韌性較高，但強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低，這種殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)的減少也有助于提升材料的整體強(qiáng)度。    

     綜上，相較于淬火后一次深冷一次回火，淬火后二次深冷和回火處理，促進(jìn)了回火馬氏體板條細(xì)化，提高了位錯(cuò)密度，納米碳化物的分布更加均勻，且尺寸增大，數(shù)量增多。細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化，析出強(qiáng)化的復(fù)合作用使得強(qiáng)度提升。其中QCTCT-2強(qiáng)度相對(duì)于QCTCT-1處理的試樣進(jìn)一步提升，則是由于細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化，析出強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)進(jìn)一步增加以及殘余奧氏體減少帶來(lái)的復(fù)合強(qiáng)化作用的結(jié)果。     

     QCTCT-1和QCTCT-2處理后能保持良好的塑性主要是由于晶粒細(xì)化，以及均勻析出的納米碳化物存在減小了塑性變形過(guò)程中的應(yīng)力集中所致。

3、 結(jié)論 

     ①相較于淬火后一次深冷一次回火，淬火后二次深冷和回火處理，促進(jìn)了回火馬氏體板條細(xì)化，提高了位錯(cuò)密度，納米碳化物的分布更加均勻，且尺寸增大，數(shù)量增多。細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化，析出強(qiáng)化的復(fù)合作用使得強(qiáng)度提升，而晶粒細(xì)化以及均勻析出的納米碳化物存在減小了塑性變形過(guò)程中的應(yīng)力集中，維持了良好的塑性。

     ②增加淬火后二次深冷和回火處理過(guò)程中的二次深冷時(shí)間，進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，提高了位錯(cuò)密度以及增加了納米碳化物分布的均勻性和數(shù)量，同時(shí)大大降低了殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)，因此獲得了超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配， 其中屈服強(qiáng)度達(dá)1573MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)1979MPa，延伸率為12.7%。