残余奥氏体和逆转奥氏体

残余奥氏体和逆转奥氏体东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司钢丝徐效谦内容摘要：对于高强度和超高强度钢，目前普遍认同的标准是以抗拉强度1370MPa作为中等强度和高强度的界限，而超高强度钢是指抗拉强度≥1620MPa的合金钢。本文介绍了高强度钢和超高强度钢强韧化研究的最新成果，重点推介韧化相的概念、理论和应用实例。残余奥氏体和逆转奥氏体组织是两种最有实用价值的韧化相，逆转奥氏体是由马氏体逆转变形成的，尺寸十分细小、均匀、连续地弥散于马氏体基体中，可在不降低强度的情况下，改善钢的塑性、韧性和焊接性能，其韧化效果远优于残余奥氏体。而促成奥氏体逆转变启动的工艺措施通常有：多次回火、调节处理＋低温时效，或双重时效处理。关键词：韧化相、残余奥氏体、逆转奥氏体、沉淀硬化不锈钢、超马氏体不锈钢目前，利用沉淀硬化效应已经开发了包括沉淀硬不锈钢和超马氏体不锈钢在内的一大批高强度和超高强度钢，但这类钢有一个共同特点：要么是韧性不足、冲击韧性较低；要么是塑性变形能力不足、加工成形有一定难度，只能用于制作形状相对简单的零部件；要么是有脆化倾向、氢脆敏感性或应力敏感性较强，裂纹扩展速度较快等。近年来，参照金属材料强韧性研究成果，越来越多的人注意到：适当控制钢中的韧化相，可以有效地改善高强度和超高强度钢的塑性和韧性，而奥氏体组织是最有实用价值的韧化相。1.奥氏体的种类在室温条件下，奥氏体有以下几种：稳定奥氏体（stableausteniteA）通过添加大量扩大奥氏体区合金元素，使奥氏体组织保持到室温的奥氏体不锈钢和高锰钢。过冷奥氏体（undercooledausteniteAO）在共析温度以下，处于亚稳定状态的奥氏体，一旦条件具备就会发生分解转变，最终可能转变成珠光体（P）、贝氏体（B）、马氏体（M）或混合组织。残余奥氏体（retainedausteniteAR）淬火时未能转变成马氏体，而保留到室温的奥氏体，被称为残余奥氏。在淬火过程中，随着马氏体的形成，引起体积膨胀，处于马氏体片间的奥氏体切变阻力增大，难以再转变成马氏体。此外，在马氏体中脊附近存在着孪晶，残留奥氏体承受着来自不同方向和不同晶团的压应力，奥氏体中位错密度显著升高，切变阻力增大，也难以完成马氏体转变。因此，残余奥氏体通常存在于马氏体片间和马氏体中脊附近。逆转奥氏体（reverseausteniteAn）沉淀硬化不锈钢和超马氏体不锈钢已经转变为马氏体组织后，在特定时效或回火温度范围内，会产生马氏体逆转变，形成逆转奥氏体。从定义描述中可以看出：在沉淀硬化不锈钢和超马氏体不锈钢，或高强度和超高强度钢成品中不可能存在稳定奥氏体和过冷奥氏体组织，可用作韧化相的只有残余奥氏体和逆转奥氏体组织。2.残余奥氏体1、2残余奥氏体是所有可淬火硬化钢中普遍存在的一种显微组织，是过冷奥氏体转变为马氏体过程中因体积膨胀，受空间限制，致使部分奥氏体残留下来。残余奥氏体与过冷奥氏体的共同点是：都具有面心立方的晶格结构；当继续深冷时，都会陆续转化成为马氏体。残余奥氏体与过冷奥氏体的主要区别有：（1）因为γ-Fe比α-Fe能溶解更多的C，所以残余奥氏体的碳含量高于钢的平均碳含量；（2）残余奥氏体中储存能量较高，不稳定、相对于逆转奥氏体更容易转变；（3）残余奥氏体受胁迫，第2类（在晶粒或亚晶范围内处于平衡的内应力）和第3类内应力（存在于一个原子集团范围内处于平衡的内应力）较大、位错密度较高；（4）残余奥氏体晶粒为等轴晶，被马氏体分割，形貌各异，有薄膜状、片状、颗粒状和块状等。钢中残余奥氏体优缺点参半：钢中存在适量（5～15%）残余奥氏体，能缓冲工件的淬火应力，减轻变形开裂倾向，提高钢的冲击韧性、降低钢的脆性转点；对于在交变应力或在冲击应力下工作的工件，钢中的残余奥氏体可以吸收形变能，起减振和提高疲劳寿命作用，是有实用价值的韧化相之一。缺点是由于残余奥氏体较软，钢中存在过量的量残余奥氏体势必降低钢件的淬火硬度、强度、耐磨性能和疲劳强度；残余奥氏体是不稳定相，在室温下长期存放或使用会逐渐转变为马氏体，使工件体积膨胀或内应力增加，引起工件加工变形甚至开裂。因此对尺寸精度、强度、硬度、耐磨性能要求较高的工件；形状复杂，需要机加工、精磨、抛光成形的零部件，不宜选用残余奥氏体作为韧化相。建议采用深冷处理，使残余奥氏体全部转变为马氏体。淬火后钢中残余奥氏体的数量主要取决于化学成分。一般说来，增加钢中降低MS点的元素的含量，就会增加残余奥氏体量的含量，碳素钢中碳含量和淬火温度对AR量的影响见图1。实践证明，淬火后超马氏体不锈钢显微组织中留有5～15%的细小弥散状残余奥氏体，可使钢获得最佳的强韧性配合，对于Fe-Cr-Ni-Mo和Fe-Cr-Ni-Co-Mo系钢，可用A.R.I（残余奥氏体保留指数）来预测淬火后钢中残余奥氏体含量，A.R.I从19提高到22时，钢的抗拉强度随残余奥氏体量同步增长，升到22时AR约为10%，可获得最佳强韧性，再继续提高A.R.I抗拉强度开始下降，如图2。近年来利用这个经验公式，已经研制出一批A.R.I接近22的具有高强度和高韧性的超马氏体钢。经适当热处理后，超马氏体钢的抗拉强度(Rm)最高可达到2160MPa，同时还具有良好的塑性，断面收缩率Z=50%，伸长率A=10～15%。A.R.I=Ni%＋0.8（Cr%）＋0.6（Mo%）＋0.3（Co%）1—1.28%C水淬2—0.89%C油淬3—0.89%C水淬4—0.40%C油淬5—0.40%C水淬图1碳钢淬火温度对AR量的影响2图2成分对残余奥氏体含量和Rm的影响15残余奥氏体量还与淬火温度密切相关，从图1可以看出：碳素钢的AR量随淬火温度升高呈先升后降的变化趋势，所有可淬火钢都具有类似特性，仅是峰值温度范围有所不同。延长保温时间的作用与提高淬火温度作用相同，但作用弱得多。奥氏体的稳定性对残余奥氏体量也有重要影响，等温淬火过程中冷却速度较慢或在冷却过程停留都会引起奥氏体稳定性提高，而使马氏体转变产生迟滞的现象，称为奥氏体的热稳定化（又称为陈化）。连续淬火时，残余奥氏体的转变原则只取决于最终冷却温度，而与冷却速度无关，但大型零部件的冷却速度减慢时热稳定性明显增强。关于热稳定化产生的原因，共识是与C和N原子运动有关，只有C和N总量超过0.01%的钢才会产生热稳定化，随C和N量增加稳定化效应增强；强碳化物形成元素，如Cr、Mo、V的存在也使稳定化效应增强；非碳化物形成元素，如Ni和Si对稳定化效应基本无影响。热稳定化理论解释为：在适当温度下C和N向点阵缺陷处和位错线上偏聚形成“柯氏气团”或碳、氮化合物，钉扎位错，使马氏体转变的切变阻力增大，需要附加动力（如增加过冷度）才能使马氏体转变继续下去。热稳定化现象有一个上限，常用MC表示。钢在MC点以上等温停留并不产生热稳定化，只有在MC点以下等温停留或缓慢冷却才会引起热稳定化。实际生产中可以灵活运用残余奥氏体的这些转变特性，来调节钢中的AR量，获得最佳强韧性配合。例如高速工具钢，一次淬火后AR量很高，硬度不足，采用在高于MC点的温度（560℃）下回火，一方面使马氏体内应力得以释放，另一方面使处于点阵缺陷处或位错线上的C和N得以解脱，再冷却时部分残余奥氏体继续转变为马氏体，在AR量下降的同时，钢的硬度提高。因此多次回火处理又称为“催化处理”。同理，沉淀硬度不锈钢和超马氏体不锈钢也可采用多重时效处理找到最佳强韧性配合。3.逆转奥氏体逆转奥氏体是瑞典人最初发表的有关Ni4钢的专利中给出的定义，指Cr-Ni-Mo系马氏体不锈钢在回火过程中，由马氏体直接切变生成的奥氏体，这种奥氏体在室温下，甚至更低的温度下都可以稳定存在，为了与残余奥氏体区别开来，根据其形成特点，称之为逆转奥氏体。与残余奥氏体相比，逆转奥氏体的特点是：（1）逆转奥氏体是马氏体钢在MS点之上、Ac1点之下回火或时效处理过程中，由马氏体逆转变形成的，是非扩散型转变产物。但因转变温度较高，组织中合金元素有一定的扩散能力，化学均匀性较好，内应力已得到释放；转变过程中钢的体积收缩，组织中不像残留奥氏体中存在着高密度的位错和孪晶。如在Ac1点以上回火，获得的是稳定奥氏体就不能称为逆转奥氏体了。（2）逆转奥氏体是由马氏体直接切变生成的，尺寸十分细小、均匀、连续地弥散于马氏体基体中，可在不降低强度的情况下，改善钢的塑性、韧性和焊接性能。而残留奥氏体为等轴晶，被马氏体分割，以薄膜状、片状、颗粒状和块状存在于马氏体板条间，其韧化效果远不如逆转奥氏体。（3）逆转奥氏体形成温度较高，组织中C、Ni、Mn等稳定奥氏体的元素聚集量较高，热稳性很高，有人用低温磁称法测定逆转奥氏体的稳定性，结果表明：含逆转奥氏体的试样冷却到－196℃后再回到室温时，逆转奥氏体的含量仅减少1.5%。（4）逆转奥氏体的机械稳定性一般，冷加工时，逆转奥氏体很容易转变为形变马氏体。逆转奥氏体的形成是有条件的，同样经历形核和长大的过程：当回火温度升至AS点时，马氏体开始转变为回火马氏体，基体部分应力得到释放。回火温度继续升高，C和N原子有能力从基体扩散出来，形成碳化物，聚集在原马氏体板条边缘，逆转奥氏体的晶核在板条间形成，而Ni原子因动力不足仍停留在板条中。当回火温度升至稍高于AS点时，逆转奥氏体相的核心就通过切变方式在高Ni区直接生成逆转奥氏体，并沿板条界面和原奥氏体晶界纵向长大成极细的条索状。（5）AS点表示马氏体开始转变成逆转奥氏体的温度，与之对应的Af点表示马氏体转变成逆转奥氏体的终止温度。AS点均高于MS，因钢种不同两者差距有很大差别，Fe-Ni30合金的AS比MS高420℃左右，数值最大。沉淀硬化不锈钢和超马氏体不锈钢的差距均在350℃～400℃之间。另有一类合金，如Cu-Al-Ni、Au-Cd、Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al等被称之为热弹性形变合金，AS与MS的差均距在100℃以内，MAn转变是双向的，经多次反复，也不影响转变速率，该类合金俗称为记忆合金，基本特征是：在相变的全过程中，新相和母相始终保持共格关系，相变是完全可逆的2。3.1低温用钢（9Ni）中逆转奥氏体的形态及其对钢的低温冲击韧性的影响3北京科技大学冶金工程院杨跃辉等，选用低温用钢9Ni，研究逆转奥氏体形成过程、显微组织形貌、分布和取向，以及其对钢的低温冲击韧性的影响，对我们认识和理解的逆转奥氏体韧化机理很有帮助，现简要介绍如下：9Ni钢是一种在深冷环境下使用的低温用钢（简称LNG用钢），在世界范围内被广泛用于制作液化天然气（Liquidnaturegas）储罐，对钢的低温韧性要求极为严格。目前，普遍认为回火过程中形成的逆转奥氏体对钢的低温韧性有重要影响。试验用钢的化学成分为0.036%C、0.1%Si、0.70%Mn、0.0068%P、0.005%S、9.02%Ni、0.096%Mo，钢的Ac1=650℃、Ac3=730℃。试样从15mm厚热轧钢板上截取，首先进行800℃×1h水淬火处理。淬火后的试样分成两批，一批直接进行570℃×1h回火，水冷处理，简称QT状态，作为性能对比试样；另一批试样分别在两相区选定650℃×1h水冷、670℃×1h水冷和700℃×1h水冷进行调节处理，然后再在570℃×1h进行回火处理。采用扫描电镜(SEM)测得9Ni钢金相图片如图3。a—570℃×1h水冷；b—650℃×1h水冷；c—670℃×1h水冷；d—700℃×1h水冷。（暗区为板条状马氏体，明亮区为逆转奥氏体与淬火马氏体的混合物）图3不同状态9Ni钢的扫描电镜(SEM)图片)从图3可以看出：淬火-回火后的9Ni钢的基体组织为板条马氏体，但在基体上分布着数量不等的明亮区，经分析这些明亮区由逆转奥氏体和水冷过程中生成的二次马氏体两部分组成，在扫描电镜下难以将它们准确分开。二次马氏体试样，浸蚀后只能部分地保留下来，其遗留物分布不均匀，存在位置也比较散乱。而逆转奥氏体的分布比较规则，主要分布在原奥氏体晶界，板条束界和板条之间。图3a是QT状态钢，明亮区An呈断续块状，多分布于马氏体板条束界上，很少位于板条之间；衍射检测结果表明逆转奥氏体含量约为4.