高强度不锈钢中的合金设计及强化相
2022-04-13
超高强度不锈钢良好的综合服役性能主要包括超高强度、优良的塑性及韧性，与传统低合金高强钢及二次硬化型超高强度钢相比，除具备优良的综合力学性能以外，还具有优异的耐腐蚀、抗应力腐蚀及腐蚀疲劳性能。为了提高上述服役性能，揭示其背后的影响因素及机理，国内外学者围绕超高强度不锈钢的强韧化机理、应力腐蚀开裂以及氢脆行为进行了广泛研究。
超高强度不锈钢的典型室温组织包括：细小的板条马氏体基体，适量的残余(或逆转变)奥氏体以及弥散分布的沉淀强化相。板条状马氏体由于其自身的高位错密度，具有很高的强度。亚稳残余(逆转变)奥氏体可以缓解裂纹尖端的应力集中从而提高材料韧性。时效处理过程中析出的纳米级强化相可以进一步提高钢的强度，按照析出相的合金组成可将其分为3类，即碳化物(MC、M2C)、金属间化合物(NiAl、Ni3Ti)以及元素富集相(ε相、α'相)等，在超高强度不锈钢中，沉淀相的强化潜力取决于沉淀相的本质及其尺寸、数密度、体积分数及空间分布情况等。能否获得最优性能主要取决于对沉淀相析出行为的热、动力学特性的掌控，进而指导合金成分的调控以及热处理工艺的制定。典型超高强度不锈钢的化学成分和力学性能见表1[13～21]和2[13～21]。从表中可以看出，第一代超高强度不锈钢(15-5PH、17-4PH)强度级别较低(1200～1400 MPa)，此类钢中的主要强化相为元素富集相，如ε-Cu相；第二代高强度不锈钢(PH13-8Mo、Custom465)中，C含量普遍较低(不大于0.05%，质量分数，下同)，主要强化方式为NiAl和Ni3Ti等金属间化合物强化；作为第三代高强度不锈钢的典型代表Ferrium®S53钢的诞生得益于材料基因数据和计算机技术，将C的质量分数增加到0.21%,M2C型碳化物的二次硬化作用使材料性能得到大幅度提升，不同于Ferrium®S53钢的合金设计理念，国产USS122G钢采用了两相复合强化体系，相比于Ferrium®S53钢具有更佳的强韧性匹配。
作为第一代高强度不锈钢的典型代表，15-5PH钢的合金化特点是采用15%左右的Cr来保证钢的耐腐蚀性能；5%左右的Ni含量可以起到平衡实验用钢的Cr-Ni当量，使钢在室温得到马氏体组织，同时降低钢中δ-铁素体；加入4%左右的Cu，起到了强化作用；少量的Nb可以与C形成MC相，起到了钉扎晶界、细化晶粒的作用。经过550℃时效处理后，在马氏体基体上析出大量fcc结构的富Cu相，富Cu相与马氏体基体的取向关系满足K-S关系(111)Cu//(011)M,[11ˉ0]Cu//[11ˉ1]M。Habibi-Bajguirani等[22,23]的研究显示，15-5PH钢在时效过程中存在2种不同类型的Cu的析出相，在低于500℃时效时，会首先形成bcc结构的簇状颗粒，这种簇状物会随后演变为9R结构，最后转变为fcc的沉淀析出相，对析出相萃取物的X射线微区分析结果显示，这种析出相实际上是富Cu相。在650～700℃时效时，fcc的富Cu相一开始与基体保持共格关系，随后转变为半共格的K-S关系。
表1典型高强度不锈钢的合金成分[13 ~21]
表2典型高强度不锈钢的力学性能[13 ~ 21]
Note: Rp0.2—yield strength, Rm—tensile strength, KⅠC—fracture toughness , AKU—impact energy absorbed
作为第二代高强度不锈钢的典型代表，PH13-8Mo采用低碳的合金化设计，采用13%左右的Cr来保证钢的耐蚀性，8%左右的Ni可以弥补由于低碳而引起Schaeffler图中Cr-Ni当量不平衡，降低δ-铁素体含量，可使钢得到板条马氏体组织，加入1%Al可在钢中形成强化相，起到强化基体的作用[24,25]。Schober等[26]研究了Ti元素对时效过程中析出相演变规律的影响，结果表明，在未添加Ti元素的PH13-8Mo钢中，析出相仅有NiAl相，添加Ti元素后，钢中的析出相为G相和η相。在时效处理初期未添加Ti元素的PH13-8Mo钢中析出的是有序的金属间化合物NiAl，随着时效时间的延长，NiAl相中的合金元素逐渐趋于化学计量平衡并且硬度达到最大值。在添加Ti元素的钢中，在时效处理初期钢中析出一种富含Ni、Si、Al、Ti的析出相，钢的硬度在此时达到最大值。随着时效时间的延长，钢中会形成椭球状的Ni16Si7Ti6-G相和短杆状的Ni3(Ti,Al)-η相。
在超高强度不锈钢的成分设计时，为保证钢具有良好的耐腐蚀性能，一般钢中Cr的含量应大于10%,Cr也是降低马氏体相变温度的元素。Ni可以提高不锈钢的电位和钝化倾向，增加钢的耐蚀性能，提高钢的塑性和韧性，特别是钢在低温下的韧性，Ni还会形成强化作用的η-Ni3Ti相。加入Mo主要是增加了二次硬化效应，2%左右的Mo可使钢在不同固溶处理条件下均保持较高的硬度，在时效过程中析出的富Mo析出相起到了强化作用，同时能使钢保持良好的韧性，Mo还可以提高不锈钢的耐海水腐蚀性能。Co可以抑制马氏体中位错亚结构的回复，为析出相的形成提供更多的形核位置，降低Mo在α-Fe中的溶解度，促进含Mo的析出相生成，起到了间接强化的作用[25]。另外，在钢中加入少量的Ti会明显提高钢的强度，但过量的加入则会使钢的韧性下降。Li等[27]研究了一种强度高达1900 MPa的Cr-NiCo-Mo系的马氏体沉淀硬化不锈钢，认为超高强度的获得是由于多种强化相复合强化的结果。该钢的名义成分为0.004C-13.5Cr-12.7Co-3.3Mo-4.4Ni-0.5Ti-0.2Al(原子分数，%)，钢中的析出相主要有3种，η-Ni3(Ti,Al)相、富Mo的R'相和富Cr的α'相，这些析出相分别是由时效初期富Ni-Ti-Al、富Mo和富Cr的簇状颗粒转变而来，时效过程中由于富Mo R'相和富Crα'相的隔离作用使η-Ni3(Ti,Al)相长大缓慢。
从高强度不锈钢的发展来看，随着强度级别的提升，由单一强化相强化逐渐向多相复合强化发展，相较于单一种类析出相的强化，复合强化更有利于钢强度的进一步提升。然而，合金成分和时效制度对于不同种类沉淀相的析出和长大行为的影响差异较大。考虑到不同合金成分和热处理制度在设计新钢种时可以获得不同的多种的沉淀相，采用传统的试错法实验和基于数据积累的人工神经网络模拟在合金设计过程中仍存在不足，因此亟需一种新型的基于物理冶金的模型[28]。Xu等[28～30]和Parn等[31]提出了一种基于机器学习的合金成分计算模型，此模型整合了合金成分和相应的热处理参数，实现了所需的性能在遗传框架内演变。此模型应用于设计以MC碳化物为强化相的超高强度钢，亦适用于Cu团簇、Ni3Ti、NiAl沉淀相，也可应用于设计一种由多种类强化相，包括MC碳化物、富Cu相和Ni3Ti金属间化合物共同强化合金。模型包括了对钢力学性能、耐蚀性能以及显微组织等相应参数的模拟，为合金的成分设计提供了更为可靠的路径。
