·1038· 北京科技大学学报 第34卷 中富集奥氏体形成元素（如Mn和N),铁素体中富 针波谱分析显示C主要成分（质量分数）为61.06% 集铁素体形成元素（如Cr和Mo),结合图2(a)可确 Fe,23.41%Cr,8.92%Mn,5.99%Mo,0.62%Si,C 定A为铁素体，B为奥氏体，而C为孔洞.粉末中没 相中Cr和Mo含量明显高于实验钢中Cr和Mo的 有观察到有Cr,N析出. 平均含量，因此C相是富Cr和Mo的析出相，综合 2.3热等静压态组织与性能 化学成分及图1可断定C为金属间σ相.结合图3 图3是实验钢热等静压态（未经固溶处理）X (a)可知，A为铁素体相，B为奥氏体相，D不能收集 射线衍射图谱和电子探针微观组织.从图3(a)可 到谱峰，因此D为残余孔洞.σ相主要在aFe相周 知，实验钢热等静压态的微观组织主要由y+一Fe 围形成，这是因为σ相是一种富铬的金属间相，而 组成，没有σ、Cr,N和M2aC6相衍射峰出现，这可能 铬原子在铁素体中的扩散速度又大于在奥氏体中的 是三者含量很少的缘故.通过X射线衍射图谱中奥 扩散速度，在实验钢从1150℃缓慢冷却过程中，铬 氏体主峰与铁素体主峰的峰高对比，估算出实验钢 原子首先在铁素体区富集，加强了形成趋势，其反应 热等静压态中奥氏体的质量分数约为93.5%，铁素 式为a+Cr→σ.电子探针微观组织与热力学相 体约为6.5% 图计算略有区别.图1显示的是实验钢从FCC中直 从图3(b)可知，实验钢组织主要由深黑色多边 接析出σ相，即其反应式为Y→σ，因此热力学相图 形A+灰色部分B+白色C+黑点D组成.电子探 计算只能作为参考B-刀 1000 b (Fe,C)(111) 800 Fe,C200) ( 600 (Fe.C)220 400 (Fe,C)311 Fe(140) 200 (Fe.C222 Fe200) 0 39.2649.2659.2669.2679.2689.2699.26 20) JEOL COMP 20.0KV 图3实验钢热等静压态的X射线衔射图谱()和电子探针微观组织(b) Fig.3 XRD pattern (a)and EPMA microstructure (b)of the testing steel after HIP 根据舍夫勒组织转变图的镍当量公式w(Ni)= 能，见表2.对比表2和热等静压态性能可知：(1) w(Ni)+e(Co)+0.1o(Mn)-0.01e2(Mn)+ 经固溶处理后，实验钢的强度略微下降.这是因为 18w(N)+300(C)可知，N是强烈的稳定奥氏体元 实验钢内仍有少量残余孔洞.在热等静压过程中， 素，1%N与18%Ni(质量分数)相当，因此尽管实 孔洞受压应力：而经固溶处理后，残余孔洞受热膨 验钢中无Ni,但通过增加0.33%的N,可实现组织 胀，使实验钢强度降低.(2)塑性和韧性明显提高. 大部分为奥氏体. 这是因为σ相属于脆性相，固溶处理后，相重溶于 研究表明：每加入质量分数0.1%的N,通过固 基体，从而使塑性和韧性明显提高.与传统316L相 溶强化作用，可提高不锈钢强度（抗拉强度和屈服 比，实验钢抗弯强度、屈服强度得到明显提高，延伸 强度)60~100MPa,且在奥氏体不锈钢内1%氮与 率两者相近，冲击功低于316L,这可能与实验钢中 含20%（质量分数）铬的耐蚀性相同图，因此实验钢 仍有少量残留孔洞相关. 中0.33%N可提高其强度198~330MPa. 测试结果表明，实验钢热等静压态的抗拉强度 表2实验钢固溶处理态力学性能 R.为850MPa,屈服强度Ra.2为505MPa,延伸率A Table 2 Mechanical properties of the tested steel after solution treatment 为44.5%，断面收缩率Z为47.5%，冲击值Ak2为 试样 R/MPa R 0.2/MPa A/% Z1%Ak2/小 44J.数据显示实验钢热等静压态具有良好的强度、 实验钢 815 470 50.055.5 68 塑性及韧性. 316L 555 225 54.0 70.0 195 2.4固溶处理态组织与性能分析 对实验钢进行1100℃油冷1h并测试其力学性 图4是实验钢热等静压态和固溶处理态的拉北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 中富集奥氏体形成元素( 如 Mn 和 N) ，铁素体中富 集铁素体形成元素( 如 Cr 和 Mo) ，结合图 2( a) 可确 定 A 为铁素体，B 为奥氏体，而 C 为孔洞． 粉末中没 有观察到有 Cr2N 析出． 2. 3 热等静压态组织与性能 图 3 是实验钢热等静压态( 未经固溶处理) X 射线衍射图谱和电子探针微观组织． 从图 3( a) 可 知，实验钢热等静压态的微观组织主要由 γ + α--Fe 组成，没有 σ、Cr2N 和 M23 C6相衍射峰出现，这可能 是三者含量很少的缘故． 通过 X 射线衍射图谱中奥 氏体主峰与铁素体主峰的峰高对比，估算出实验钢 热等静压态中奥氏体的质量分数约为 93. 5% ，铁素 体约为 6. 5% ． 从图 3( b) 可知，实验钢组织主要由深黑色多边 形 A + 灰色部分 B + 白色 C + 黑点 D 组成． 电子探 针波谱分析显示 C 主要成分( 质量分数) 为 61. 06% Fe，23. 41% Cr，8. 92% Mn，5. 99% Mo，0. 62% Si，C 相中 Cr 和 Mo 含量明显高于实验钢中 Cr 和 Mo 的 平均含量，因此 C 相是富 Cr 和 Mo 的析出相，综合 化学成分及图 1 可断定 C 为金属间 σ 相． 结合图 3 ( a) 可知，A 为铁素体相，B 为奥氏体相，D 不能收集 到谱峰，因此 D 为残余孔洞． σ 相主要在 α--Fe 相周 围形成，这是因为 σ 相是一种富铬的金属间相，而 铬原子在铁素体中的扩散速度又大于在奥氏体中的 扩散速度，在实验钢从 1 150 ℃ 缓慢冷却过程中，铬 原子首先在铁素体区富集，加强了形成趋势，其反应 式为 α + Cr → σ． 电子探针微观组织与热力学相 图计算略有区别． 图 1 显示的是实验钢从 FCC 中直 接析出 σ 相，即其反应式为 γ→σ，因此热力学相图 计算只能作为参考［3--7］． 图 3 实验钢热等静压态的 X 射线衍射图谱( a) 和电子探针微观组织( b) Fig． 3 XRD pattern ( a) and EPMA microstructure ( b) of the testing steel after HIP 根据舍夫勒组织转变图的镍当量公式 w( Nieq ) = w( Ni) + w ( Co ) + 0. 1w ( Mn) － 0. 01w2 ( Mn) + 18w( N) + 30w( C) 可知，N 是强烈的稳定奥氏体元 素，1% N 与 18% Ni( 质量分数) 相当，因此尽管实 验钢中无 Ni，但通过增加 0. 33% 的 N，可实现组织 大部分为奥氏体． 研究表明: 每加入质量分数 0. 1% 的 N，通过固 溶强化作用，可提高不锈钢强度( 抗拉强度和屈服 强度) 60 ～ 100 MPa，且在奥氏体不锈钢内 1% 氮与 含 20% ( 质量分数) 铬的耐蚀性相同［8］，因此实验钢 中 0. 33% N 可提高其强度 198 ～ 330 MPa． 测试结果表明，实验钢热等静压态的抗拉强度 Rm为 850 MPa，屈服强度 Rp0. 2 为 505 MPa，延伸率 A 为 44. 5% ，断面收缩率 Z 为 47. 5% ，冲击值 AKU2为 44 J． 数据显示实验钢热等静压态具有良好的强度、 塑性及韧性． 2. 4 固溶处理态组织与性能分析 对实验钢进行 1100 ℃油冷 1 h 并测试其力学性 能，见表 2． 对比表 2 和热等静压态性能可知: ( 1) 经固溶处理后，实验钢的强度略微下降． 这是因为 实验钢内仍有少量残余孔洞． 在热等静压过程中， 孔洞受压应力; 而经固溶处理后，残余孔洞受热膨 胀，使实验钢强度降低． ( 2) 塑性和韧性明显提高． 这是因为 σ 相属于脆性相，固溶处理后，σ 相重溶于 基体，从而使塑性和韧性明显提高． 与传统 316L 相 比，实验钢抗弯强度、屈服强度得到明显提高，延伸 率两者相近，冲击功低于 316L，这可能与实验钢中 仍有少量残留孔洞相关． 表 2 实验钢固溶处理态力学性能 Table 2 Mechanical properties of the tested steel after solution treatment 试样 Rm /MPa Rp0. 2 /MPa A /% Z/% AKU2 /J 实验钢 815 470 50. 0 55. 5 68 316L 555 225 54. 0 70. 0 195 图 4 是实验钢热等静压态和固溶处理态的拉 ·1038·