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熱處理工藝對不銹鋼組織與力學(xué)性能的影響

發(fā)表時間：2025-05-08 14:06作者：中國熱處理行業(yè)協(xié)會
對半機匣作為航空發(fā)動機壓氣機的重要組成部分，工作環(huán)境十分惡劣，不僅要在高溫環(huán)境下工作，還要承受一般腐蝕介質(zhì)侵蝕、空蝕等多種工況。因此要求對半機匣不僅具有較高的強度和韌性，還要有良好的耐腐蝕性。同時為了便于加工，材料硬度也必須在要求的范圍內(nèi)。目前對半機匣的力學(xué)性能指標是：抗拉強度σb≥750 MPa、屈服強度σ0.2≥550 MPa、伸長率A≥15%、面縮率Z≥35%、沖擊功AKV≥50J，布氏硬度(HBW)：221~294。對半機匣使用06Cr16Ni5Mo合金精密鑄造而成。
06Cr16Ni5Mo是超低碳馬氏體不銹鋼，該合金具有很好的塑形，耐腐蝕能力。研究表明，不同熱處理工藝對于06Cr16Ni5Mo合金的組合和性能有很大的影響，工業(yè)上常采用的熱處理工藝是淬火+回火處理。

本文通過對06Cr16Ni5Mo合金試樣在不同淬火和回火溫度下熱處理試驗，對不同熱處理條件下合金相的析出、轉(zhuǎn)變對性能影響進行研究，確定合金及機匣最佳熱處理工藝，以滿足機匣的性能控制要求，保證機匣工作的安全性、可靠性。

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試驗材料與方法

采用06Cr16Ni5Mo合金作為研究對象，其化學(xué)成分見表1，熱處理工藝參數(shù)見表2。通過熔模精密鑄造技術(shù)在真空感應(yīng)爐中澆注出試棒(準15 mm×70 mm)，根據(jù)表2試驗方案和工藝參數(shù)將06Cr16-Ni5Mo試棒在高壓氣淬真空爐中，采用階梯加熱，升溫速率小于15℃/min， 進行不同淬火溫度的熱處理。淬火后將試棒加工為直徑為6mm，標距長度為30 mm的標準拉伸試樣和10 mm×10 mm×55 mm標準V型沖擊試樣。分別采用《金屬室溫拉伸試驗方法》(HB5143)和《金屬室溫沖擊試驗方法》(HB5144)進行室溫條件下的拉伸試驗(設(shè)備型號：Landmark)和沖擊試驗(設(shè)備型號：NI750C)。試驗完成后，對試樣的斷裂處采用GX-71型光學(xué)顯微鏡和Sigma300型掃描電鏡進行金相組織的觀察。



根據(jù)測試結(jié)果選取性能最佳試樣的淬火溫度作為最優(yōu)方案。以最佳的淬火溫度對試樣進行淬火熱處理，而后展開不同回火溫度的熱處理試驗，按上述相同辦法進行試樣的拉伸和沖擊試驗，以及對試樣進行組織分析。

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試驗結(jié)果及討論

2.1 淬火溫度對06Cr16Ni5Mo合金組織和力學(xué)性能的影響
     圖1和2為06Cr16Ni5Mo合金分別經(jīng)過950 、1000、1070、1100 ℃淬火后的金相組織及SEM圖像。由圖1和2可知，經(jīng)過淬火處理后合金的組織主要為板條狀淬火馬氏體+δ-鐵素體+殘余奧氏體。通過掃描電鏡可以觀察到，最寬的板條界可達2.1μm，較窄的大約是0.021μm。隨著淬火溫度的增加，馬氏體的板條逐漸粗大。在1070℃淬火溫度時達到頂峰，1100℃淬火溫度下馬氏體的板條尺寸基本不變。殘余奧氏體則是在950℃最少， 在1000℃時達到峰值。


     殘余奧氏體會使得材料的屈服強度和抗拉強度有所下降，但是對提升材料的韌性和塑性有著明顯的作用。
     表3是06Cr16Ni5Mo合金在不同溫度淬火后的力學(xué)性能，圖3是不同淬火溫度下合金力學(xué)性能的變化趨勢對比。由表可知，在950~1100℃淬火溫度下，隨著淬火溫度的升高，拉伸強度先增加后降低，屈服強度先降低后升高， 塑性和韌性先降低后升高，硬度逐漸增加。隨著淬火溫度的升高，抗拉強度先升高后降低，在淬火溫度為1070℃時達到最大值1090MPa，之后逐漸降低，在1100℃抗拉強度降至1060MPa。屈服強度先降低后升高，在淬火溫度為1070℃時達到最小值595MPa，之后逐漸升高，1100℃時達到最大值630 MPa。伸長率則先降低后升高，在淬火溫度為1000℃時達到最小值10%，之后逐漸升高，1100 ℃時達到最大值13%。面縮率先降低后升高，在淬火溫度為1070 ℃時達到最小值39%，之后逐漸升高，1100 ℃時達到最大值58%。沖擊功則先降低后升高，在淬火溫度為1070℃時達到最小值68J，之后逐漸升高，1100℃時達到最大值74J；布氏硬度隨著淬火溫度的升高而升高，淬火溫度為1100℃時達到最大值321HBW 。


    由此可得，在淬火溫度為1070℃時，合金的抗拉強度達到最大，塑韌性也較高，硬度值較大。綜合考慮試樣的組織和力學(xué)性能的試驗結(jié)果，可得06Cr16Ni5Mo合金最佳的淬火溫度為1070℃，保溫時間為40min，空冷，此時合金的綜合力學(xué)性能最佳。
2.2 回火溫度對06Cr16Ni5Mo合金組織和力學(xué)性能的影響
   根據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)果，將06Cr16Ni5Mo合金試樣均進行1070 ℃/40 min的淬火處理，然后進行不同溫度的回火處理。圖4~5是06Cr16Ni5Mo合金經(jīng)過1070℃/40 min淬火， 然后分別進行550、580、650、700 ℃回火后的金相組織及掃描電鏡圖像。試樣在回火后的組織主要是回火馬氏體+δ-鐵素體+殘余奧氏體。淬火馬氏體隨著回火過程的進行，最終會變成細小的回火馬氏體。而當回火溫度增加到700℃時，又出現(xiàn)新的淬火馬氏體。經(jīng)過回火處理后，一部分馬氏體會再次轉(zhuǎn)化為奧氏體， 且在冷卻過程中被保留在基體當中，隨著回火溫度的增加，試樣中的奧氏體在短時間內(nèi)大量增多，650℃時達到峰值。隨著回火溫度的進一步增高， 逆變奧氏體的熱穩(wěn)定逐漸下降，易在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌拇慊瘃R氏體，使材料強度有所提升。



    表4是06Cr16Ni5Mo合金在相同澆注工藝下淬火+回火后的力學(xué)性能，可知不同溫度淬火+回火后的力學(xué)性能，隨著回火溫度的升高，強度和硬度先降低后升高，塑性先降低后升高再降低，韌性先升高后降低再升高。


     具體來看，隨著淬火溫度的升高，抗拉強度先降低后升高，回火溫度為550℃時抗拉強度為1003MPa，650℃時抗拉強度達到最小值870MPa，之后逐漸升高，在700℃時抗拉強度升至893MPa；屈服強度先降低后升高， 回火溫度為550℃時屈服強度為918MPa，650℃時屈服強度達到最小值618 MPa，之后逐漸升高，在700 ℃時屈服強度升至720 MPa；伸長率隨著回火溫度的升高逐漸降低，回火溫度為700℃時伸長率最小為13%， 550和580℃時合金的伸長率基本相近約18%，650℃時合金的伸長率為16%；面縮率先降低再升高再降低，回火溫度為580℃時面縮率最小為64%，650和700℃時合金的面縮率基本相近約70%；沖擊功先升高后降低再升高，回火溫度為550℃時沖擊功最小為81.3J，700℃時合金的沖擊功達到最大為129.5 J；布氏硬度則隨著回火溫度的升高先降低后升高， 回火溫度為550℃時布氏硬度達到最大值304HBW，650 ℃時布氏硬度達到最小值269HBW，700℃時布氏硬度升高至290 HBW。


     由此可得，回火溫度在580~650℃時，合金的抗拉強度、塑性、韌性和硬度才能滿足技術(shù)條件要求。綜合以上分析可得，06Cr16Ni5Mo合金最佳的回火溫度為580~650℃，保溫時間為40min，此時合金的綜合力學(xué)性能最佳。
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結(jié)論

(1)通過對06Cr16Ni5Mo合金不同淬火溫度對合金組織和性能的影響規(guī)律研究可得，淬火后的組織主要是板條狀淬火馬氏體。隨著淬火溫度的升高，
合金的淬火馬氏體板條逐漸粗化。在950~1100 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著淬火溫度的升高，拉伸強度先增加后降低，而屈服強度先降低后升高，塑性和韌性先降低后升高，硬度逐漸增加。合金在淬火溫度1070 ℃，抗拉強度達到最大，塑韌性也較高，硬度值較大。
(2)通過對06Cr16Ni5Mo合金不同回火溫度對合金組織和性能的影響規(guī)律研究可得， 回火后的組織主要是板條狀回火馬氏體。隨著回火溫度的升高，回火馬氏體板條逐漸變細小之后開始粗化。在回火溫度550~700 ℃范圍內(nèi)，隨著回火溫度的升高，強度和硬度先降低后升高，塑性先降低后升高再降低，韌性先升高后降低再升高。在回火溫度為580~650℃范圍合金綜合力學(xué)性能最佳，且硬度能滿足技術(shù)條件要求。
(3)對半機匣06Cr16Ni5Mo合金最佳的熱處理制度為：淬火1 070 ℃/40 min，空冷，回火580~650 ℃/40 min，空冷。



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