赵宇恒1，殷迪1，关辛海1，张明旭1，董福元1,2，
北方民族大学材料科学与工程学院，银川 750021；2 粉体材料与特种陶瓷重点实验室，银川 750021）
选取半奥氏体沉淀硬化钢AM355钢为研究对象，研究了不同时效处理参数下试样的力学性能变化。研究结果表明：时效处理温度在500°C，时效2h时，硬度达到峰值，但此时塑韧性较差;时效处理时间在2h-4h范围，大量细小的析出相产生沉淀强化效果，一定量的逆转变奥氏体提高了塑韧性，得到了最优的强度与塑韧性配合，时效时间超过4h时，强度不断降低，塑性得到明显改善。
关键词：半奥氏体沉淀硬化钢；时效处理；力学性能
中图分类号： TG142.1 文献标识码：A
0 引言
半奥氏体沉淀硬化不锈钢是一种高合金化含Cr、Ni、Mo的钢，具有较高强度、较好延展性和中等耐蚀性[1-3]的最佳组合。半奥氏体状态是由于这些钢在室温冷却时仍保持其奥氏体组织，而在零度以下处理时则形成马氏体组织。在中间温度退火过程中，马氏体的形成和细小金属间化合物的析出为其最终的力学性能[2-4]。经沉淀硬化热处理后，其抗拉强度可达1500 MPa以上。时效处理可以形成金属间化合物析出相，是提高可析出淬火合金硬度和强度的有效方法[4-6]。虽然已有研究证明了时效处理对提高半奥氏体沉淀硬化不锈钢力学性能的重要性[3-6]，但对半奥氏体沉淀硬化不锈钢时效参数(时效温度和时效时间)的系统研究并不多见。本文旨在探讨时效时间对半奥氏体沉淀硬化不锈钢力学性能(硬度、强度、塑性)性能的影响。本文运用硬度测试和室温单轴拉伸实验等手段，研究时效参数对半奥氏体沉淀硬化不锈钢力学性能的影响。
1 实验
采用真空感应熔炼(VIM)和真空电渣重熔(ESR)双真空熔炼工艺制备了半奥氏体沉淀硬化不锈钢；随后，钢锭经均匀化处理后热锻成Φ80 mm棒子。材料的主要化学成分为：C0.15%，Cr15.04%,Ni4.23%,Mo3.12%。样品在1000°C+2 h 固溶处理后水中淬火到室温，低温处理(-78℃+8 h)，选取400℃、450℃、500℃、550℃4种时效温度，时效时间设为1 h和2h。在500℃分别时效1h，2h，4h，8h。
对时效后的样品，先利用电火花技术切取样品，将尺寸为10×10×5 mm3的样品机械抛光到镜面，然后用10% HClO4和90% C2H6O(体积分数，下同)溶液电抛光以消除表面残余应力。拉伸试验使用WE-300万能试验机在室温下进行，应变速率设定为1×10-3 s-1 ，试件标距部分尺寸为2×4×20 mm。
2 结果与分析
如图1所示，未时效试样AM355的硬度大约为43HRC。时效后，硬度明显增强，且随着时效温度的增加和时效时间的延长，硬度不断增大。硬度在时效时间温度为500℃，时效时间为1h或2h时出现峰值49 HRC。根据硬度变化趋势(如图1所示)，整个时效过程可以分为三个阶段。第一个阶段是在0 ~ 400℃范围内或者500℃时效小于1h是，硬度不断增加，称之为欠时效阶段。在第二阶段，时效的效果明显，硬度达到峰值。对应的数字为45-49HRC。第三阶段出现在550 ~ 700℃范围内，硬度开始不断下降，称之为过时效阶段。
图1时效过程中AM355钢硬度值的硬度值
图2a，b分别为为AM355经时效处理后的工程应力应变曲线和真应力-真应变曲线。如图所示，在初始阶段后表现出连续的屈服行为弹性区，随后的连续应变硬化以及达到抗拉强度后的颈缩至最终断裂。时效后试样的力学性能如表 2 所示。
图2 AM355钢时效后工程应力-工程应变（a）和真应力-真应变曲线(b)，
强度（c）和延伸率(d)随时效时间的变化规律
图2c为AM355的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)随时效时间的变化，由图可知，在500°C×2h的时效条件下，钢的屈服强度和抗拉强度达到峰值分别约为1280MPa、1618MPa，说明时效时间在2h下，析出的强化相数量较多，且作用明显，随着时效时间的增加马氏体逐步逆转变为奥氏体，降低材料的强度，其结果与上述组织和硬度分析结果相一致。
如图2d所示，随着时效时间的增加AM355的延伸率逐渐增加，而时效1h、2h的延伸率低于时效4h、6h、8h的延伸率，说明随着时效时间的增加，马氏体时效硬化不锈钢的塑形增加，本实验旨在获得强度和硬度综合配比，单纯的塑形不能满足要求。前面组织分析结果中，随着时效时间的增加，逆转变奥氏体沿着板条马氏体界面逐渐长大，少量的逆转变奥氏体会增加材料的强度和韧性，但是过多会降低材料的强度。
3 结论
本文详细研究了AM355钢在不同时间时效处理后的力学性能。主要结论如下:
（1）在500℃时效2 h后，硬度达到峰值，合金的抗拉强度和屈服强度分别达到1280MPa和1618 MPa，少量的逆转变奥氏体可以改善材料的韧性。
（2）时效超过4h时，AM355钢中出现逆转变奥氏体，导致强度的降低和塑性的增加。
参考文献
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通信作者：董福元，fydong@alum.imr.ac.cn
基金项目：北方民族大学宁夏回族自治区级大学生创新创业训练计划项目（S2020-11407-002）宁夏自然科学基金（2020AAC03249）国家自然科学基金（51901002）