马氏体不锈钢轴淬火硬度（一种超过2GPa的超高强度马氏体时效不锈钢）

超高强度马氏体时效不锈钢因为具有优异的强韧性匹配及耐蚀性在装备制造等工程领域得到广泛应用，可作为飞机起落架、紧固件、轴承等重要承力结构件。传统的马氏体时效不锈钢的抗拉强度介于1200 ~ 1800 MPa之间，如Custom 465 (Fe-12Cr-11Ni-1Mo-1.65Ti-0.03C，质量分数下同)，PH 13-8 Mo (Fe-13Cr-8Ni-2Mo-1Al-0.05C),FV520B (Fe-14Cr-5Ni-1.5Mo-1.5Cu-0.35Nb-0.07C)等。该类钢的高强度源自于高密度(> 1024 m-3)的第二相纳米粒子(η-Ni3Ti相， ε-Cu相，Fe2(Mo,Ti)-Laves相等)在板条马氏体上弥散分布。

然而，由于这些析出相粒子与基体之间呈现半共格或非共格的界面关系引起的析出相粒子的不均匀分布，导致马氏体时效不锈钢表现出较低的应变硬化能力(均匀塑性变形能力)，具体表现为屈服之后的快速颈缩。同时为了提高耐蚀性，高含量(12 ~18 wt.%)的Cr元素的添加会导致富Cr-α'相的形成，从而恶化钢的塑性。因此发展具有良好的均匀塑性变形能力的超高强度(UTS> 2.0 GPa)具有巨大的科研与工程应用价值。

近期，大连理工大学材料科学与工程学院材料设计团队在超高强度马氏体时效不锈钢研究方面取得重要进展。该工作采用共格析出强化的设计理念，通过团簇式成分设计方法设计了一种B2共格析出强化的马氏体时效不锈钢，其强度超过2.0 GPa，同时均匀延伸率为4.2 ~ 5.1 %，大约为传统马氏体时效不锈钢的三倍。相关论文以题为“Designing ultrastrong maraging stainless steels with improved uniform plastic strain via controlled precipitation of coherent nanoparticles”发表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221003856

该合金固溶态下为板条马氏体组织，其原始奥氏体晶粒大小仅为~ 15 μm，同时非共格的NbC粒子(直径10 ~ 70 nm)在基体上析出，起到细化晶粒的作用。经过773 K时效之后，高密度的B2纳米粒子在板条马氏体上均匀共格析出。由于B2粒子与BCC基体之间的完全共格关系，使得B2粒子不易发生粗化。即使时效时间的延长到48 h，B2粒子的直径仅为3 ~ 5 nm，此时B2相与BCC基体的点阵错配度仅为~ -0.28 %。

图1 固溶态下合金的微观组织图：(a) XRD；(b) OM；(c) TEM-BF；(d) HRTEM。

图2 773 K/ 8h时效后合金的微观组织：(a,b) TEM BF；(c) HRTEM。

图3 773 K/ 48h时效后合金的微观组织：(a) TEM BF；(b) TEM DF。

该合金固溶态下屈服强度仅为 841 MPa，抗拉强度为1032 MPa，断后延伸率为5.3 %。经过773 K / 8 h时效之后，合金的屈服强度为1872 MPa，抗拉强度为2028 MPa，断后延伸率为El = 6.7 %。由于共格组织的稳定性高，时效12 h之后，合金的抗拉强度同样超过2.0GPa。并且合金的均匀伸长率由固溶态的UE = 1.2 %增加到时效态的UE = 4.2 ~ 5.1 %，是传统MSSs合金的(Custom 465和PH 13-8 Mo)合金的三倍(UE < 2 %)，同时并且在3.0 ~ 5.5%真应变范围内的具有更高的归一化后的应变硬化速率(1.5 ~2.0)。这些均表明时效态合金具有更好的均匀塑性变形和应变硬化能力。此外，由于耐蚀性元素Cr、Al、Mo的同时添加，使得该合金具有和传统的304奥氏体不锈钢和FV520B MSS合金相当的耐蚀性。

图4 固溶和时效态合金的力学性能。(a) 773 K下合金的硬度随时效时间的变化；(b) 设计合金、Custom 465和PH 13-8 Mo的室温下工程应力-应变曲线；(c) 设计合金、Custom 465和PH 13-8 Mo的真应力-应变曲线；(d) 设计合金、Custom 465和PH 13-8 Mo的归一化应变硬化速率

图5 设计合金、304奥氏体不锈钢和FV520B MSS合金的电化学极化曲线

对合金的强化机理研究表明：该合金的强度主要来自固溶强化、马氏体基体强化以及第二相粒子强化。其中马氏体基体强化(516 MPa)以及B2粒子析出带来的强化(1095MPa)占据主导。对变形后的位错结构表明：与传统的MSSs合金由于析出粒子的不均匀分布等原因造成的较低的均匀塑性变形能力不同，由于B2共格粒子的均匀分布及其带来的强化效果，时效态的合金在变形过程中位错能够打破了由高密度位错形成的位错胞壁的束缚，并且切过B2纳米共格粒子，形成典型的平面滑移带特征，产生大的均匀塑性变形，从而使该时效态合金比固溶态和传统的MSSs合金具有更好的应变硬化能力。

图6设计合金变形后的微观组织。(a) 固溶态 TEM BF；(b) 773 K / 48 h时效后合金TEM BF；(c, d) 773 K / 48 h时效态合金双束条件下TEM BF；(e, f) 时效态 Custom 465合金变形后的组织；(g, h) 设计合金与Custom 465合金变形后位错与析出粒子的交互作用示意图。

图7固溶态和时效态合金计算各强化机制的强度增量

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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