18ni(300)马氏体时效钢的特点及应用

18Ni(300)马氏体时效钢的特点及应用
摘要
从18Ni马氏体时效钢的化学成分对该材料的的物理性能、、抗拉强度、拉伸性能、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、焊接性、磁滞特性、时效机理、时效组织以及力学性能的特点进行的分析。

同时18Ni马氏体时效钢具有优良的特性，用途很广，本文对它的应用进行简单的总结。

关键词：18Ni马氏体时效钢，机械性能，磁滞特性、时效机理、力学性能
FEATURES AND APPLICATION OF
18Ni(300)MARAGING STEEL
Abstract
By the chemical composition of 18Ni maraging steel, the physical properties, tensile strength, tensile properties, fracture toughness, fatigue strength, corrosion resistance, eldability, hysteresis characteristics, mechanism of aging, aging and mechanical properties are analysd. At the same time, 18Ni maraging steel has excellent properties and uses widely. It，s applications are summarized briefly in this article
Key word：18Nimaraging steel,Mechanical properties,Hysteresis properties,Aging Mechanism,mechanical property
马氏体时效钢自问世以来，以其高强度、高韧性和良好的工艺性能在航天航空等领域得到了广泛的研究和应用，与AISI4340高强钢和17-7PH不锈钢相比，它具有更高的强度和优良的韧性，制造加工容易，焊接性能优良等诸多的优点胜于其他超高强钢。

在当今开发的所有材料中，它是强韧性最高的钢种。

1.成分和组织
18Ni马氏体时效钢的化学成分是在Fe—18Ni合金中添加Co、Mo、Ti、Al等元素一种钢，如表1。

表1: 18Ni马氏体时效钢的化学成分
Table1: Chemical composition of18Nimaraging steel
屈服强度主要是通过Ti元素的添加量来进行调整。

在18Ni马氏体时效钢中,C 、Si、Mn 等元素被视为杂质元素, P、S含量同样也极低, 故钢的纯度很高。

18Ni马氏体时效钢不仅有优良的机械性能, 而且淬火性能好, 在固溶处理（820℃）空冷后, 其组织为超低碳Ni高主的单相马氏体, 将它再进行时效处理(490-510℃, 空冷)后, 在马氏体区域的金属间化合物沉淀析出、细化、弥散, 使钢得以强化, 材料的强度、塑性及韧性匹配优良。

关于时效处理过程组织变化的研究颇多, 有人认为是沉淀物细化(-100A)的说法比较合理, 但至今仍无定论。

尽管如此, 但对Ni3Mo、Fe2Mo、Ni3Ti等金属间化合物沉淀强化仍是普遍的说法［1］。

2.组织和机械性能
2.1制造方法：
马氏体时效钢的熔炼方法有真空感应熔炼（VIM）, 真空电弧重熔(VAR), 以及电渣重熔(ESR)一次或两次组合的方法。

各种熔炼方法与断裂韧性(KIC)的关系如图1所示。

从图中可以清楚地看到, 采用真空双重熔炼可使钢的韧性得到大幅度的改善, 而且还能抑制在熔炼时混入的各种杂质元素和非金属杂质的残存量。

因此, 对于象飞机那样要求零部件具有高强度、高韧
性和高可靠性的材料来说, 就可以采用VIM十VAR组合的真空双重熔炼方法［1］。

图1：18Ni马氏体时效钢的KIC
Fig1: KIC of the 18Nimaraging steel
马氏体时效钢容易进行热加工, 其加工性同SUS304钢冷加工性也非常优良, 进行拉拨加工、冷轧、弯曲和深拉伸等都非常容易。

在冷加工过程中90%以上可安排软化退火。

加工硬化指数同一般钢材相比仅为0.02-0.03, 约比一般钢材低一位数。

18Ni钢冷加工度对机械性能的影响如图2所示。

随着冷加工度的提高, 强度也随之增加, 伸长率却因冷加工而稍有降低, 韧性也有所卞降。

因此,马氏体时效钢以冷加工作为强化手段,需要灵活有效地应用, 才能使材料达到超高强与高塑韧性相匹配的要求［1］。

18Ni钢,Ni 的含量较高, 固溶处理时在奥氏体化后, 于通常的冷却速度空气或水下, 奥氏体转变为马氏体、(18Ni Ms=290℃),一般情况下, 马氏体转变不会受到冷却速度的影响。

18Ni 马氏体时效钢所以能进行热处理的简单理由是它具有A=M可逆转变。

一般出售马氏体时效钢都已经进行固溶处理。

图2：冷加工对18Ni-200钢抗拉强度的影响
Fig2:Impact of Cold Processing for 18Ni-200 Steel Tensile strength
用户一般都是进行机械加工后,再施以时效处理。

因它在时效处理中尺寸变化非常小（18Ni 一170的收缩率仅为0.07%), 所以, 在整个加工工艺流程中可省去精加工, 这是马氏体时效钢的最大优点。

2.2 物理性能：
对18Ni马氏体时效钢按标准热处理规范处理后其物理性能列表2［1］。

表2：18Ni马氏体时效的物理性能
Table2: Physical Properties of 18Nimaraging steel
2.3抗拉强度：
18Ni马氏体时效钢的抗拉强度如表3。

虽然在固溶处理后硬度(HRC)为27--34，抗拉强度高达960--1120MN/m2，伸长率和断面收缩率也相当高，易进行冷加工，但同时出现韧性差、切削性能不好等若干问题。

在时效处理后其屈服强度与抗拉强度相差很小，大体为50--100MN/m2，由于加工硬化率小，均匀伸长率不大，但Ψ值仍然很大，故其延伸性仍很好，还能够得到很大的断面收缩率。

表4为应力集中系数为3.5时18Ni个钢的缺漏强度。

由表可以知道，18Ni马氏体时效钢的缺口敏感性非常小，具有很高的缺口强度。

可以认为马氏体时效钢具有缓解裂纹行核地点或裂纹形成后裂纹尖端应力集中的很高能力［1］。

表3：18Ni马氏体时效钢的缺口强度
Table3: Intensity gap of 18Nimaraging steel
2.4 拉伸性能的影响：
固溶处理温度对固溶态18Ni马氏体时效性能的影响如图4所示，由图可见，在固溶状态下，18Ni马氏体时效钢的强度随固溶态状态下，18Ni马氏体时效钢的强度随固溶温度的升高变化较小，同时，延伸率δ和面缩率φ也并未随着固溶温度的升高而减小，即分别保持在16%和70%以上。

试样经1083K固溶处理后平均晶粒尺寸为5.2μm，强度保持较高值［2］。

当试样经α/γ循环相变处理后，晶粒进一步细化到4.4μm时，强度进一步升高，延伸率和面缩率也分别达到最高值（δ=18%，φ=77%）。

可见当晶粒尺寸非常细小时，在固溶状态下马氏体时效钢才表现出一定的细晶强韧化作用。

图3：固溶处理浓度对固溶态18Ni马氏体时效钢拉伸性能的影响
Fig:Effect of solution treatment temperature on tensile
prpertien of unaged 18Ni maraging steel
2.5 断裂韧性：
18Ni马氏体时效钢与其他高强钢。

KIC与σ0.2的比较如图5所示。

图4：超高强钢KIc与σ0.2得关系
Fig4: Impact of different limitationmethods for KIc and σ0.2
由图可以判断出，马氏体时效钢与其他超高强度钢在σ0.2相同条件下比较，其KIc值最高，表征断裂抗力也很大。

18Ni马氏体时效钢的断裂韧性与熔炼方法、杂质含量有关。

此外也与时效处理条件有关，因此在加工制造过程中有必要不断地修正，找出最佳的工艺方法［3］。

2.6 疲劳强度：
影响18Ni马氏体时效钢疲劳强度的因素相当多，它可能由载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷），应力状态以及环境、材料表面状况等影响。

18Ni-200钢的S-N曲线如图10所示。

18Ni-200钢在不同温度下旋转弯曲强度如图11所示，以图中可以看到，随着温度的上升，疲劳强度也随之提高［1］。

图5：18Ni-200钢的疲劳强度
Fig5：Fatigue strength of 18Ni-200 steel
图6：18Ni-200钢的疲劳性能的温度依存性
Fig6: Temperature dependence of
18Ni-200steel’s fatigue performance
2.7 耐腐蚀性：
18Ni马氏体时效钢在大气中（工业气氛）的腐蚀速度为0.0125mm~0.025mm/年，仅为一般低合金钢1/2,而且它对腐蚀性溶液的抗力比低合金钢更加优良，所以，马氏体时效钢在腐蚀环境下使用时，可以只对必要的表面防护加以考虑。

滞后断裂：将抗拉强度为1400MN/m2以上的超高强度钢放置在含水蒸汽的大气中或放置于水中加载，在某一时间后就会出现几乎不发生塑性变形的突然断裂，我们把这种现象称之为滞后断裂。

滞后断裂受强度，应力集中系数和热处理调条件等的影响，其根本原因在于钢中有氢元素入侵，因此这种现象也叫做氢脆。

各种高强钢的KISCC与抗拉强度的关系如图6所示。

由图可见，即使在同一强度水平，，马氏体时效钢随滞后断裂的敏感性也是最迟缓的。

当马氏体时效钢的实效条件发生变时,滞后断裂敏感性也随之变化，因此，达到最佳效果［1］。

表7：高强钢抗拉强度与KISCC的关系
Fig7:Relations of high strength
Steel tensile strength and KISCC
当对滞后断裂的脆化环境作考虑时，则应对钢表面处理的效果进行研究和讨论，如图7所示，对18Ni马氏体时效钢表面镀Ni与不镀Ni进行比较后可知，马氏体时效钢镀Ni后氢脆现象会大幅度减少。

因此，马氏体时效钢表面处理适宜条件的选择也是非常重要的。

图8：马氏体时效钢表面镀Ni,在68个下气压的氢气中的滞后断裂
Fig8: Plating the Ni in araging steel’sSurface,
Delayed fracture in 68 months pressure’s hydrogen
2.8 焊接性：
马氏体时效钢的焊接性与原有的马氏体系超高强度钢的焊接性有所不同，马氏体时效钢焊接部需要预热或后热，不必担心会出现焊接裂纹，它具有优越的焊接性加之受热影响部分的硬化小，焊后时效温度低，故略变小，是一种加工且焊接性良好的材料。

马氏体时效钢中含有与氧、氮易结合的Ti、Al元素，焊接方法主要采用TIG、MIG、电子束、惰性气体密封激光焊等。

18Ni钢焊缝部位的抗拉强度。

接缝率达95%以上［1］。

2.6 磁滞特性：
采用双时效处理工艺研究了热轧18Ni马氏体时效钢的磁滞性能。

结果表明，820℃℃·1hA.C+(590~610℃)·3hA.C+510℃·3hA.C和820℃·1hA.C+(690~710℃)·3hA.C+510℃·3hA.C处理具有较好的磁滞性能［4］，逆转变奥氏体的含量是控制磁滞性能的关键，在含有20%~30%的逆转变奥氏体时，具有较高的磁滞性能。

在对大量数据进行二元线性回归的基础上得出了18Ni(350)马氏体时效钢磁滞性能的分段公式：
当0.3≤Bm/Bμ≤1.0时Hm/Hμ=0.45+0.52 Bm/Bμ
当1≤Bm/Bμ≤1.2时Hm/Hμ=0.290+0.74 Bm/Bμ
当0.7≤Bm/Bμ≤1.2时Pro/Pμ= -0.69+1.69 Bm/Bμ
2.9 时效机理：
采用小角X射线散射、Mǎssbauer谱、透射电镜等方法研究了18Ni马氏体时效过程。

结果表明，18Ni合金在固溶处理后500℃等温时效过程中，首先发生调幅分解，然后在调幅组织的Ni·Mo·Ti富集区以原位行核方式析出含Fe的NI3(Mo、Ti)型金属间化合物，随时效时间延长，Ni3Mo和Ni3Ti粒子聚集长大并部分溶解，同时析出球形Fe2Mo金属间化合物，并形成逆转变奥氏体［5］。

其化学成分（wt-%）为：Ni 18.09 Co 12.16 Mo 4.54 Ti 1.27,C 0.004,Fe 余量，经真空感应熔炼、真空自耗电弧重熔，材料在氩气保护下经820℃，1h固溶处理够水冷作为时效用试样。

2.10 时效组织和机械性能：
Fig9: Relations of 18Ni-200 Steel aging
temperature and mechanical properties
18Ni马氏体时效个那个的实效温度与机械性能的关系如图3所示。

当时效温度偏低，沉淀不完全，即为亚时效，当时效温度偏高析出物粗化［6］。

，达不到提高强度的目的，即为过时效。

其最佳时效温度为490--510℃［7］。

在固溶状态下及固溶处理后施以最佳时效温度18Ni钢的机械性能见表3.
表4：18Ni马氏体时效钢的机械性能
Table4: Mechanical properties of 18Nimaraging steel
2.11 力学性能：
图2是18Ni合金铸件450℃的实效硬化曲线。

由图可见，时效初期，硬度随时效时间的增加迅速提高，1h后变化趋于平缓，3.5h后的硬度已超过HRC50。

图3表示经450℃时效处理后，抗拉强度与时间的关系曲线。

从图可知，马氏体时效钢铸件的抗拉强度随时效时间的增加而升高，2.5h强度达到1200MP，但仍明显低于常规马氏体时效钢铸件，这与马氏体时效钢铸件的组织缺陷有着密切的关系［8］。

时效时间对马氏体时效钢铸件模量的影响不大，弹性模量值分布在160—180Gpa之间。

图10：18Ni合金铸件时效硬化曲线
Fig10: 18Ni alloy casting age-hardening curve
图11：18Ni合金铸件抗拉强度
Fig11: 18Ni alloy casting tensile strength
3.应用
马氏体时效钢的冷、热加工性均非常优良，在市场上出售的马氏体时效钢形状繁多，，铸锻件就更不用说了，其它主要有厚板、薄板、线材、圆钢等。

它的用途也极其广泛，可应用于H1宇宙航空［9-10］、海洋开发、原子能工业有关的零部件，到一般工业中用的结构材料和冶金工具以及弹簧材料等［11］。

具体地讲它可以做火箭发动机壳体，高压容器，飞机的起落架，浓缩轴用的离心分离高强度螺栓，挤压杆，铸铝件金属模［12］，无极变速机（CVT）用多层钢带，发动机阀簧及其他板簧等。

此处仅介两到三个实际应用的例子。

3.1 火箭上的应用：
为了降低火箭的发射成本，要求火箭发动机壳体重量轻，因此需要采用在超高强度下具有高韧性特点的材料［1］。

科学家们便对马氏体时效钢应用于航天工业进行了研究，试验证明，它作为M型火箭的壳体材料已经取得成功，并确立了马氏体时效钢在火箭的应用上的可靠性。

火箭容器形状复杂，容器上焊缝很长。

采用马氏体时效钢TIG焊接方法制造长1731mm，外径820mm，壁厚6mm，重量约400kg的容器。

时效处理后，进行耐压试验，内压为2500MN/m2应力分布如图12所示，由图可见，由内压而产生的破坏应力与母材的单向抗拉强度几乎一致。

所以可以确认它是优良的高压容器材料
图12：火箭容器内压试验（内压为25002500MN/m2时应力分布）
Fig12:Trial of rockets container Pressure
(stress distribution of container for 2500MN/m2)
3.2 铸铝件用金属模
马氏体时效钢与原有的工具钢相比，明显的优点是成型加工后的热处理变形非常小，可省去精加工工序，耐热裂性优良［1］，即使产生热裂也可以用堆焊进行简单的修补。

拓宽了作为热作工具钢的用途。

3.3 CVT用多层带
1970年荷兰的VDT公司发明了使用金属带的无极变速机［1］。

1987年在日本CVT也付诸实用。

这种金属带的结构和特征此处不阐述，主要谈金属所层带采用的马氏体时效钢。

这种金属带是2组多层带。

共由10条薄型带组成。

每条薄带的大致尺寸是t0.2*w10*φ200，带间隙为0.01mm。

多层带随着带轮的旋转，受到曲率半径变化的反复弯曲、拉伸，所以要求带具有高疲劳强度。

用18Ni-240钢制造的多层钢带表面有或无氮化处理的疲劳试验。

试验表明，钢带表面氮化后可大大提高疲劳强度，在循环周次为107时，其仍有1400MN/m2根据实际运行时的动能最大应力。

结论是钢带采用马氏体时效钢的疲劳强度绰绰有余，其可靠性、耐久性能够得到保证。

1.结论
1.本文对马氏体时效钢性能特点等作了简单的论述，通过对材料的物理性能、抗拉性能、拉伸性能、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、焊接性知道了18Ni马氏体时效钢具有较好的组织和机械性能；
2.通过对的磁滞性能的研究知道了18Ni马氏体时效钢在820℃?1hA.C+(590~610℃)?3hA.C+510℃?3hA.C和820℃?1hA.C+(690~710℃)?3hA.C+510℃?3hA.C热处理，具有较好的磁滞性能；
3.在时效机理研究中，18Ni合金在500℃等温时效过程可以分为3个阶段，即发生调幅分解，析出Ni3（Mo、Ti）型金属间化合物，析出Fe2Mo和形成逆转变奥氏体，同时18Ni合金在固溶处理冷却过程中已有相分解发生，在500℃时效时调幅分解继续进行，元素通过上坡扩散形成Fe-Co富集区和Ni-Mo-Ti富集区，500℃时效30min时在Ni-Mo-Ti富集区以原位方式析出含Fe的Ni3（Mo、Ti）型金属间化合物，呈棒状，随着时效时间的延长，析出相逐渐长大。

4.在力学性能的研究中，知道了，马氏体时效钢铸件由于内部铸造缺陷和较多夹杂物的存在，在一定程度上消弱了材料强韧性，使其低于常规两次熔炼后锻造的马氏体时效钢。

因此，如何调整材料成分、改进铸造工艺、减少夹杂物的含量，以获得性能优异的马氏体时效铸钢件是今后要进一步加以研究的问题
5.马氏体时效钢的优良特性多，用途广，但目前它的使用量较小，其主要原因是这种钢的价格非常昂贵。

今后随着科学技术的飞跃发展，对机器的轻量化和高档化会有新的要求，因此，马氏体时效钢的用途将会进一步扩大。

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