马氏体不锈钢中逆变奥氏体的相变机制研究

Reversed austenite has been effectively utilized in low carbon martensitic stainless steel, martensitic precipitation-harden stainless steel, 9Ni steel,and so on.It improves the impact toughness, especially the cryogenic toughness. However, the transformation mechanism of the reversed austenite is still insufficiently understood.In the previous work, it was found that the reversed austenite formation depends on the tempering temperature. In this project, further study will be done to confirm this mechanism in 0Cr13Ni4Mo low carbon martensitic stainless steel. High-tempeature X-ray diffraction (XRD) will be used to study the kinetics. Atomic force microscopy (AFM)and transmission electron microscopy (TEM)equipped with energy-dispersive spectroscopy(EDS)will be utilized to observe the characters of the surface structure, the microstructure and crystallographic orientation relationship between the martensite and the reversed austenite. The partition of the alloying elements will be investigated by using three-dimensional atom probe (3DAP).Based on the results above, the mechanism of the reversed austenite transformaiton will be clarified, which will definitely provied the industry for the optimization of heat treatment.

逆变奥氏体显著提高了低碳马氏体不锈钢、沉淀硬化马氏体不锈钢及9Ni等钢的塑韧性，尤其是低温韧性，是这些材料中的关键相。但其相变机制并未得到统一定论。申请者研究发现逆变奥氏体呈现出与温度相关的相变机制。本项目拟进一步研究并证实该相变机制。以0Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢为例，采用高温X射线衍射仪研究回火过程中逆变奥氏体的相变动力学；利用原子力显微镜、透射电镜并结合能谱分析研究表面结构特征、逆变奥氏体的亚结构、成分特征以及与马氏体的相界面特征、晶体学位向关系；利用三维原子探针研究逆变奥氏体在纳米尺度空间的原子分布并定量分析。从动力学、相界面特征、成分特征以及晶体学关系角度分析逆变奥氏体的相变特征，揭示逆变奥氏体的相变机制，丰富对逆变奥氏体相变的认识，为材料热处理工艺的制定提供理论指导。

逆变奥氏体显著提高了0Cr13Ni4Mo、 9Ni等马氏体不锈钢的塑韧性，尤其是低温韧性，但有关其相变机制并未得到统一定论。本项目以0Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢为研究对象，利用高温X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）及三维原子探针（3DAP）等手段研究了回火过程中逆变奥氏体的形成动力学、显微组织结构及成分特征等。结果表明，回火温度低于680℃时，逆变奥氏体形成需要一定的孕育时间，且随着回火温度的降低而增加，其形成是受Ni元素控制的扩散型机制。逆变奥氏体与碳化物、马氏体之间存在cube-cube以及K-S晶体学位向关系；当温度高于680℃时，逆变奥氏体含量与保温时间无关，是非扩散机制。基于上述相变机制，我们提出新的热处理工艺：淬火（quenching）-回火（tempering）-分配（partitioning）。该工艺过程是将淬火马氏体钢加热到680℃以上的温度区间，然后冷却至580℃左右的温度区间保温一定的时间，在该温度区间，部分奥氏体中发生Ni的富集从而可以稳定至室温。经过该热处理工艺，室温下可以得到淬火马氏体、回火马氏体以及少量的逆变奥氏体，使材料在保持高韧性的同时，由于有淬火马氏体的存在也保持了一定的高强度，从而提高材料的综合力学性能。另外，利用透射电镜原位加热台研究了0Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢淬火马氏体的精细结构和组织演变过程，研究发现马氏体中有一种新相-ω相，并且高温下ω相逐步消溶，而另一纳米级HCP结构相逐步析出，关于此现象仍需进一步深入研究。以上研究结果不仅丰富人们对马氏体、逆变奥氏体相变的认识，还为材料热处理工艺的制定提供理论指导。