马氏体沉淀硬化不锈钢组织性能研究及析出相模拟预测

摘要

马氏体沉淀硬化不锈钢，具有较高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能，可以满足航空航天领域内一些零部件对耐热、耐蚀性能和超高强度的需要。本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对15-5 PH马氏体沉淀硬化不锈钢化学成分、热处理工艺、微观组织及力学性能之间的关系进行了系统研究；并在此基础上，对新型含Co马氏体时效硬化不锈钢的平衡相组织及时效富铜相的沉淀、长大规律进行了模拟预测。 Thermo-Calc计算结果表明：950℃～1288℃为单一奥氏体区；时效处理后基体中会有富铜相、富含Nb、C的析出相、碳化物和逆变奥氏体产生；富铜相尺寸会随时效温度的升高而长大，温度高于540℃时长大迅速；逆变奥氏体在450℃开始形成。 力学性能研究结果表明：15-5 PH马氏体沉淀硬化不锈钢的最佳热处理工艺为：1040℃固溶30 min空冷+480℃时效保温2 h空冷；该条件马氏体沉淀硬化不锈钢的抗拉强度和屈服强度分别达到1420 MPa和1310 MPa，伸长率为10.5%，硬度为43.5 HRC，冲击功为10 J。 金相和透射电镜（TEM）分析结果表明：时效处理后基体为具有高密度位错、宽度约为0.2μm的板条马氏体；时效处理后板条马氏体边界处有薄膜状的、可以改善材料塑性的逆变奥氏体产生；主要析出相类型为富铜相。将实验测得富铜相尺寸与计算结果进行比较，计算误差低于15%，证实了计算的可靠性。 为同步提高马氏体沉淀硬化不锈钢的强韧性，本文在15-5 PH马氏体沉淀硬化不锈钢基础上，降低碳含量到超低碳水平，添加不同Co含量（3%、6%、9%），得到了新型马氏体时效硬化不锈钢。并对其完成了热力学和动力学计算，研究加Co前后对相应的平衡组织及时效析出相的影响规律。计算结果表明：Co元素主要固溶于基体，起到固溶强化作用；此外，Co可以降低富铜相尺寸。

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