杜曉建， 張劍橋

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

高強(qiáng)度不銹鋼是不銹鋼的重要組成部分，雖產(chǎn)量不高，但品種規(guī)格多、質(zhì)量要求高，在國(guó)防軍工和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用日益廣泛，屬高科技含量、高附加值產(chǎn)品。該鋼類尚無(wú)公認(rèn)的定義，通常把屈服強(qiáng)度大于600 MPa的不銹鋼稱為高強(qiáng)度不銹鋼；把屈服強(qiáng)度大于1380 MPa的高強(qiáng)度不銹鋼稱為超高強(qiáng)度不銹鋼。

近些年的發(fā)展中，該類鋼無(wú)論從其合金成分設(shè)計(jì)、冶煉工藝及強(qiáng)度級(jí)別均上升了一個(gè)新的水平；現(xiàn)如今，長(zhǎng)壽命、抗疲勞、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)減重等設(shè)計(jì)理念使該類鋼的優(yōu)勢(shì)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域得到充分展現(xiàn)，并成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注和深入研究的熱點(diǎn)。

因而，總結(jié)高強(qiáng)度不銹鋼的強(qiáng)化機(jī)理，對(duì)高強(qiáng)度不銹鋼的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

1 強(qiáng)化機(jī)理

高強(qiáng)度不銹鋼之所以能取得高強(qiáng)度是強(qiáng)化機(jī)理產(chǎn)生作用的結(jié)果，但是對(duì)于一個(gè)鋼種而言，強(qiáng)化機(jī)理并不唯一，總是幾個(gè)強(qiáng)化機(jī)理耦合的作用。從細(xì)分上可以看到是以下幾個(gè)方面[1-3]。

1.1 固溶強(qiáng)化

固溶強(qiáng)化是指過(guò)飽和的間隙原子在正常晶格中造成晶格的畸變，形成一個(gè)強(qiáng)烈的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。C在α相中的過(guò)飽和固溶體是最常見(jiàn)的固溶強(qiáng)化事例。另外，N、Nb、Si元素的固溶強(qiáng)化作用，得到了深入研究。

對(duì)于沒(méi)有相變的奧氏體及鐵素體不銹鋼，固溶強(qiáng)化是一種有效的手段。

1.2 相變強(qiáng)化

相變強(qiáng)化是指由強(qiáng)度較弱的相轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度高的馬氏體相，在晶體內(nèi)形成晶格缺陷密度很高的亞結(jié)構(gòu)，這些缺陷都將阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

在高溫淬火時(shí)，由于無(wú)擴(kuò)散相變，會(huì)使不銹鋼從奧氏體（Y）相生成淬火馬氏體（M）相。所以固溶于Y相中的合金元素仍然被固溶在M相中。13Cr馬氏體（M）不銹鋼屬于此類，但此類鋼強(qiáng)度雖好，韌性卻很差，耐蝕性也不好，為此開(kāi)發(fā)了不銹馬氏體時(shí)效鋼，基體為低碳馬氏體組織，經(jīng)時(shí)效處理后，具有更高強(qiáng)度。Y相在室溫是穩(wěn)定的，調(diào)整合金成分將MS點(diǎn)設(shè)定到室溫以下，其后經(jīng)低溫處理，生成M相，這種沉淀硬化型不銹鋼也可以利用相變強(qiáng)化。

1.3 應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化

應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化是指不銹鋼經(jīng)加工以后，進(jìn)行低溫回火，強(qiáng)度增加的過(guò)程。其本質(zhì)是C和其他合金原子向位錯(cuò)及其他晶體缺陷處擴(kuò)散偏聚，釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，從而造成馬氏體時(shí)效強(qiáng)化。

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)變時(shí)效硬化量隨應(yīng)變量增加而變大。應(yīng)變時(shí)效硬化決定于時(shí)效溫度和時(shí)間。也可將穩(wěn)定奧氏體鋼進(jìn)行冷加工，其后經(jīng)低溫退火，由于應(yīng)變時(shí)效硬化也會(huì)使強(qiáng)度提高。材料的穩(wěn)定度、化學(xué)成分、冷加工溫度、冷加工量和退火溫度決定了奧氏體鋼的應(yīng)變時(shí)效硬化量。由于應(yīng)變時(shí)效，隨著硬度提高，彈性特性會(huì)明顯改善。

1.4 沉淀強(qiáng)化

沉淀強(qiáng)化是不銹鋼經(jīng)固溶處理和時(shí)效處理后，在原有相的基礎(chǔ)上沉淀析出第二相而使鋼強(qiáng)化。沉淀硬化型不銹鋼有馬氏體系、半奧氏體系、奧氏體系。但無(wú)論哪類沉淀硬化型不銹鋼均含有析出硬化元素。經(jīng)時(shí)效處理會(huì)析出與基體共格的金屬間化合物，共格應(yīng)變會(huì)使材料強(qiáng)度提高。時(shí)效硬化很容易獲得較高的硬度，很有實(shí)用價(jià)值。

1.5 細(xì)晶強(qiáng)化

細(xì)晶強(qiáng)化是指通過(guò)細(xì)化晶粒，使不銹鋼強(qiáng)度提高的方法。它基于Hall-Perch公式、Nalyer修正公式等，有效晶粒尺寸和M板條寬度的細(xì)化，既增加鋼鐵強(qiáng)度又提高韌性。

1.6 加工硬化

加工硬化是指亞穩(wěn)定的奧氏體在經(jīng)過(guò)加工以后，誘發(fā)生成馬氏體相，提高強(qiáng)度的工藝方法。

馬氏體相生成量取決于奧氏體相的穩(wěn)定度（化學(xué)組成）和加工條件（加工量、加工溫度、加工速度），穩(wěn)定度越低，加工量越大，加工溫度越低，馬氏體相生成量就越大，強(qiáng)度提高越多。

2 高強(qiáng)度不銹鋼的類型

2.1 奧氏體不銹鋼

典型的奧氏體型高強(qiáng)度不銹鋼是12Cr17NI7（SUS301）鋼種，是一種非穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性及焊接性能，在冷變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯加工硬化。主要用途是彈片、發(fā)條及彈簧等精密產(chǎn)品。

普通301奧氏體不銹鋼含碳量在0.06%左右，70%以上的變形量也只能使其表面維氏硬度（HV）達(dá)到530左右，繼續(xù)增加變形量則會(huì)損壞軋機(jī)背襯軸承和工作輥。而作為加工硬化趨勢(shì)強(qiáng)的301B含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）都在0.1%以上，較普通301奧氏體不銹鋼有更高的強(qiáng)度和硬度。

強(qiáng)化機(jī)理是變形過(guò)程中發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變和位錯(cuò)塞積。

2.2 馬氏體不銹鋼

典型的馬氏體型高強(qiáng)度不銹鋼是SUS440C鋼種。具有很高的強(qiáng)度和硬度，適合作為刀具。而440C鋼主要應(yīng)用在高溫軸承類零件上，適用于航空、航天等領(lǐng)域。

440C不銹鋼為高碳高鉻馬氏體型不銹鋼，在國(guó)內(nèi)與9Cr18Mo鋼相對(duì)應(yīng)，它是在9Crl8Mo鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。由于440C不銹鋼的碳和鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都比較高，熱處理后碳化物數(shù)量多。

強(qiáng)化機(jī)理是固溶強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化和二次硬化共同作用的結(jié)果。

2.3 奧氏體沉淀硬化不銹鋼

典型的奧氏體型高強(qiáng)度不銹鋼是SUS631（0Cr17Ni7Al）鋼種。半奧氏體PH不銹鋼是以?shī)W氏體狀態(tài)供貨，交貨前需要進(jìn)行固溶處理。處理后的金相組織基本為奧氏體，尚含有約5%～20%的鐵素體。因奧氏體屬于面心立方晶格結(jié)構(gòu)，塑性好，容易進(jìn)行冷加工成形和焊接。主要用途有彈簧絲、承力的結(jié)構(gòu)件。

SUS631（0Cr17Ni7Al）鋼中的強(qiáng)化元素是 Al。Al在固溶后的時(shí)效過(guò)程中基體產(chǎn)生脫溶析出，析出相為δ鐵素體和Ni3Al，基體為馬氏體。

強(qiáng)化機(jī)理是固溶強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化、沉淀硬化或冷作硬化共同作用的結(jié)果。

2.4 馬氏體沉淀硬化不銹鋼

典型的馬氏體型高強(qiáng)度不銹鋼是SUS630（0Cr17Ni4Cu4Nb）鋼種。因含碳量較低，耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于馬氏體型不銹鋼，接近于某些奧氏體不銹鋼。主要用途有結(jié)構(gòu)件、葉片、模具等。

0Cr17Ni4Cu4Nb中的強(qiáng)化元素主要是Cu、Nb。Cu是17-4PH鋼沉淀硬化的主要元素。當(dāng)銅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）超過(guò)0.75%時(shí)產(chǎn)生沉淀硬化作用，組織中會(huì)有富銅相析出。Nb也是一種形成沉淀硬化相的元素。在時(shí)效溫度下析出強(qiáng)化相，強(qiáng)化不銹鋼而不損害耐蝕性的沉淀強(qiáng)化相是NbCrN，這個(gè)沉淀相產(chǎn)生于1050℃固溶處理，它有非常好的提高強(qiáng)度、改善耐蝕性的作用。

強(qiáng)化機(jī)理是固溶強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化和沉淀硬化共同作用的結(jié)果。

3 高強(qiáng)度不銹鋼的發(fā)展

根據(jù)高強(qiáng)度不銹鋼的抗拉強(qiáng)度，可以將高強(qiáng)度不銹鋼分為幾個(gè)階段，第一階段為900～1400 MPa，第二階段為1000～1700 MPa，第三階段為1800～2000 MPa。市場(chǎng)上應(yīng)用最廣當(dāng)然是第一階段的鋼種，但廣大的科研工作者，都在為第三階段的鋼種材料研發(fā)而努力。

根據(jù)組織類別看，馬氏體沉淀硬化不銹鋼能達(dá)到的抗拉強(qiáng)度最高，是未來(lái)的高強(qiáng)度不銹鋼發(fā)展方向。但是馬氏體沉淀應(yīng)變不銹鋼的制造過(guò)程困難較大，而奧氏體不銹鋼SUS301、馬氏體不銹鋼SUS420的化學(xué)成分簡(jiǎn)練，制造過(guò)程相對(duì)成熟，是市場(chǎng)中銷量最大的鋼種。從下頁(yè)表1中數(shù)據(jù)看，高強(qiáng)度不銹鋼的延伸率均偏低，而04Cr13NI5Mo和FV520（B）的延伸率達(dá)到20%以上，同時(shí)焊接性能優(yōu)良，是作為大型結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)材料。

針對(duì)馬氏體沉淀硬化不銹鋼的發(fā)展，從化學(xué)成分上看，可以分為四類，一是最早開(kāi)發(fā)的PH17-4、PH15-5，采用Cu、Nb作為強(qiáng)化元素；二是PH13-8Mo，采用Al作為強(qiáng)化元素；三是美國(guó)卡彭特技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的系列產(chǎn)品，Custom455、Custom465、Custom475，采用Ti作為強(qiáng)化元素；四是FerriumS53為代表的最高強(qiáng)度不銹鋼，以Co作為強(qiáng)化元素。

4 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼的高強(qiáng)化已經(jīng)成為了行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。充分利用強(qiáng)化機(jī)理，開(kāi)發(fā)不同領(lǐng)域的高強(qiáng)度不銹鋼是未來(lái)工作的重點(diǎn)。