無Co馬氏體時(shí)效不銹鋼成分設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、高強(qiáng)度超高強(qiáng)度不銹鋼由于具有良好的強(qiáng)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(yīng)用，其中高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效不銹鋼常用于制作機(jī)翼大梁、潛艇動力耐蝕零件及壓縮機(jī)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(jìn)行低溫時(shí)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(qiáng)化相，達(dá)到強(qiáng)化目的。其中以碳化物為主進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)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(shí)現(xiàn)材料的某些特殊性能，然多個(gè)組元添加的成分復(fù)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(shí)效不銹鋼為研究對象，根據(jù)“團(tuán)簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)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(shí)

3、效不銹鋼多元化的成分規(guī)律，建立多元化的馬氏體時(shí)效不銹鋼團(tuán)簇成分式;然后根據(jù)團(tuán)簇成分式設(shè)計(jì)合金成分，并對其進(jìn)行系列性能測試，最后實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度馬氏體時(shí)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(hù)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(jìn)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(shí)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(shí)效3h。分別對不同狀態(tài)下的合金進(jìn)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(shí)對合金棒進(jìn)行顯微硬度、靜態(tài)拉伸、電化學(xué)腐蝕測試;最后利用隨機(jī)森林算法對所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)成的樣本空間進(jìn)行學(xué)習(xí)再計(jì)算和預(yù)測合金的顯微硬度。所得結(jié)論如下:
　　(1)利用“團(tuán)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(tuán)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(gè)Fe原子包圍形成的立方八面體團(tuán)簇，Cr為連接原子，此時(shí)恰對應(yīng)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(tuán)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(qiáng)化的馬氏體時(shí)效不銹鋼中，團(tuán)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(qiáng)化的馬氏體時(shí)效不銹鋼中，為彌補(bǔ)Ni3M析出所消耗的Ni量，其團(tuán)簇成分式為[(Ni，Cu)16Fe192](Cr32Ni16-x-y-z-m-nTixMoyVzNbmAln)。
　　(2)在以碳化物為主要強(qiáng)化的馬氏體時(shí)效不銹鋼中，固溶和時(shí)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(shí)效處理后具有高的硬度和拉伸強(qiáng)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(qiáng)化相的馬氏體時(shí)效不銹鋼中，時(shí)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(xué)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(tuán)簇式電子數(shù)VEC與宏觀力學(xué)性能（顯微硬度H(v)）表現(xiàn)為單一線性關(guān)系，可預(yù)測合金固溶與時(shí)效處理后的硬度差別;同時(shí)根據(jù)此