超高强度马氏体时效不锈钢在装备制造领域的应用及发展

超高强度马氏体时效不锈钢因其优异的强韧性匹配性和耐腐蚀性能而广泛应用于装备制造等工程领域。可用作飞机起落架、紧固件、轴承等重要的承重结构件。传统马氏体时效不锈钢的抗拉强度在1200~1800MPa之间，如Custom 465（Fe-12Cr-11Ni-1Mo-1.65Ti-0.03C，下同质量分数）、PH 13-8Mo（Fe-13Cr） -8Ni-2Mo-1Al-0.05C),FV520B （Fe-14Cr-5Ni-1.5Mo-1.5Cu-0.35Nb-0.07C）等。该类钢的高强度来源于第二相纳米粒子（eta-Ni3Ti相）的高密度（>1024 m-3） 、ε-Cu相、Fe2(Mo,Ti)-Laves相等)在板条马氏体上弥散分布。

但由于这些析出相颗粒与基体之间的半共格或非共格界面关系造成析出物颗粒分布不均匀，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），具体表现为淬火后的快速颈缩。屈服。同时，为了提高耐蚀性，添加高含量（12～18wt.%）的Cr元素会导致富Cr-α'相的形成，从而使钢的塑性恶化。因此，开发具有良好均匀塑性变形能力的超高强度（UTS>2.0 GPa）具有巨大的科研和工程应用价值。

近日，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马氏体时效不锈钢研究方面取得重要进展。本工作采用共格沉淀强化的设计理念，通过团簇成分设计方法设计出B2共格沉淀强化马氏体时效不锈钢。其强度超过2.0GPa，均匀伸长率为4.2～5.1%。大约是传统马氏体时效不锈钢的三倍。相关论文发表在《材料科学与技术杂志》上，题为“通过控制相干纳米颗粒的沉淀设计具有改进均匀塑性应变的超强马氏体时效不锈钢”。

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该合金在固溶状态下具有板条马氏体组织，其原始奥氏体晶粒尺寸仅为~15μm。同时，非共格的NbC颗粒（直径10～70 nm）在基体上析出，起到精细作用。晶粒的作用。在 773 K 时效后，高密度 B2 纳米颗粒均匀一致地沉积在板条马氏体上。由于B2颗粒与BCC基体之间完全相干关系，B2颗粒不易粗化。即使将时效时间延长至48 h，B2颗粒的直径也仅为3~5 nm，B2相与BCC基体之间的晶格失配也仅为~-0.28%。

图1 合金固溶态显微组织：(a) XRD； (b) OM； (c) 透射电镜-BF； (d)HRTEM。

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

图3 773 K/48h时效后合金的显微组织：(a) TEM BF； (b) 透射电镜 DF。

该合金固溶状态下的屈服强度仅为841 MPa，抗拉强度为1032 MPa，断后伸长率为5.3%。经773 K/8 h时效后，合金的屈服强度为1872 MPa，抗拉强度为2028 MPa，断后伸长率El=6.7%。由于共格结构的高稳定性，时效12 h后合金的拉伸强度也超过2.0 GPa。并且合金的均匀伸长率从固溶态UE=1.2%提高到时效态UE=4.2~5.1%，是传统MSSs合金（Custom 465和PH 13-8 Mo）的三倍合金（UE < 2%），同时在3.0 ~ 5.5% true范围内具有较高的正火应变硬化率（1.5 ~ 2.0） 拉紧。这些表明时效合金具有更好的均匀塑性变形和应变硬化能力。此外，由于同时添加了耐腐蚀元素Cr、Al、Mo，该合金具有与传统304奥氏体不锈钢和FV520B MSS合金相当的耐腐蚀性能。

图4 固溶态和时效态合金的力学性能。 (a) 773 K时合金硬度随时效时间的变化； (b) 设计合金、Custom 465 和 PH 13-8 Mo 在室温下的工程应力-应变曲线； (c) 设计合金，Custom 465 和 PH 13-8 Mo 的真实应力-应变曲线； (d) 设计合金、Custom 465 和 PH 13-8 Mo 的标准化应变硬化率

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

对合金强化机制的研究表明，合金的强度主要来源于固溶强化、马氏体基体强化和第二相颗粒强化。其中，马氏体基体强化（516MPa）和B2颗粒析出强化（1095MPa）占主导地位。变形后的位错结构表明：与传统MSSs合金因析出粒子分布不均匀等原因导致均匀塑性变形能力较低不同，由于B2共格粒子的均匀分布及其带来的强化作用，位错能时效合金在变形过程中足以打破高密度位错形成的位错单元壁的约束，并切穿B2纳米共格颗粒，形成典型的平面滑移带特征，产生较大的均匀塑性变形，从而使时效合金比固溶合金和传统 MSS 合金具有更好的应变硬化能力。

图6 设计合金变形后的显微组织。 (a) 固溶体 TEM BF； (b) 773 K/48 h时效后合金的TEM BF； (c, d) 双束条件下773 K/48 h时效合金的TEM BF； (e,f)时效状态Custom 465合金变形后的组织； (g,h)设计合金和Custom 465合金变形后位错和析出颗粒之间相互作用的示意图。

图7 固溶和时效合金各强化机制的计算强度增量

*感谢作者团队对本文的大力支持。