马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
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[ 3]
、
1050 、 1150 , 均保温 1h, 初步确定最佳的高温 固溶温度。不同固溶温度 下的金相组织 如图 3
图 2 马氏体时效钢锻件综合锻造金相照片
所示。
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用
2009 年 12 月
图 3 不同固溶温度下的金相照片
从图 3 中可以看出, 随着固溶温度升 高, 当 温度为 800 时 (图 3( a) ) , 带状组织较未综合锻 造前 , 其带间距有一定的减小 , 但是还没有明显 消除 , 组织中还存在一定的带状组织。当温度升 高到 900 时 ( 图 3( b) ), 部分带状组织已经溶解 到奥氏体基体中, 带状组织明显减少。温度升高 到 1050 时 ( 图 3( c) ), 带状组织已基本消除 , 且 组织较为细小均匀, 然而随着温度的升高 , 晶粒 也进一步长大 , 特别是在 1150 时晶粒异常长大 ( 图 3( d) ), 这会影响后续热处理的质量, 由于固 溶时组织较为粗大 , 在时效时形成的马氏体晶粒 也相应增大, 对材料的 力学性 能造 成不利 的影 响。综合以 上分 析, 确 定最佳 固溶处 理温 度为 1050 , 因为此时不但带状组织已被基本消除而 且晶粒细小均匀 。 1 1 2 确定高温固溶时间 该种材料在固溶温度大于 800 时组织才能
properties o f h igh strength 1 8 % N i coba lt free m arag ing stee l [ J] 何毅 ~ 57 [ 5] 尹钟 大 , 李晓东 何 毅 , 杨柯 18N i马氏体 时效钢 时效机 理的 研究 [ J] 金属学报 , 1995, 31( 1): 7~ 13 超 纯净 化 18N i( 350) 马 氏体 时 效钢 Iye r K J L, et al Sc ience 2000, 5 的研 究 [ J] 金属学报 , 2001, 37( 8): 852~ 856 Sha m antha C R, N arayanan R, T ensile properties and fractu re toughness o f 18N i M aterials Sc ience and T echno logy , 2003, 19: 117~ 124 超纯净 18N i马氏体时效钢的晶粒尺 寸及其 对拉伸性能的 影响 [ J] 金属学报 , 2002, 38( 1) : 53
方向镦粗; # 沿 Y 轴方向拔长、 再镦粗 ; ∃ 沿 X 轴 方向拔长、 再镦粗; %沿 Z 轴方向拔长成型。该 锻造工艺有利于提高锻件的力学性能和减小 力 学性能的异向性 , 使锻件中的带状组织进一步变 形或破碎, 使之在三维空间内分布更均匀。由于 带状组织的压缩碎化 , 减小了其扩散的距离 , 这 能提高随后热处理中的组织均匀化。综合锻 造 后通过金相照片 ( 如图 2) 发现锻件的带状组 织 黑白相间 的带状组 织有较 为明 显的碎 化现象。 这说明综合锻造来碎化带状组织的方法是较 为 有效的。虽然综合锻造能使锻件的带状组织 明 显碎化 , 但要彻底消除带状组织、 获得理想的 均 匀化马氏体组织 , 还必须进行后续的工艺处理。
[ 4]
完全奥氏体化, 但是如果温度过高或者保温时间 过长, 组织会过度长大, 对材料的性能带 来不利 影响, 因 此 本 次 实 验选 取 的 常 规 固 溶 制 度 为 [ 5] 820 1h , 在常规固溶制度确定的条 件下还 需进一步确定其高温固溶时间, 这样才能得到完 整的热处理制度。在常规固溶制度和高 温固溶 温度不变的情况下, 本次实验选择 3 个不同的高 温固溶时间分别是 1h 、 2h 、 4h , 来确定最佳的高温 固溶时间。其各自的金相组织如图 4 所示。 从图可以看出, 图 4 ( a) 中组织还未达到 充 分均匀 , 而图 4( c) 中组织又过于粗大 , 对材料时 效后的强度均有不利的影响。锻件在 1050 2h+ 820 1h 处理时, 组织和成分最均匀 ( 图 4 ( b) ), 这也为时效过程中金 属间化合物的均 匀 弥散析出提供了最好的条件。对材料的 强度提 高起到了一定促进作用。因此本文确定 材料的 最佳的热处理制度为 1050 保温 2h。
[ 1] 何毅 , 刘 凯 , 杨柯 39( 4) : 381~ 386 [ 2] [ 3] 杨德庄 金属材料学 [M ] 哈尔滨 : 哈 尔滨工业大 学出版社 , 1979 226~ 228 H e Y, Y ang K, Q u W S, et al E ffec ts of solution trea t m en t temperatu re on g ra in g row th and mechan ica l 固溶 温度对 超纯 净 18N i( 350) [ 7] 断裂韧性及微观组织 的影响 [ J] 金 属学报 , 2003, [ 6] [ 4]
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2009 年 12 月 文章编号 : 1003 1545( 2009) 06 0062 05
马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
徐玉松, 李国一, 张 伟, 支海军, 陆敏松, 顾巍兰
212003) ( 江苏科技大学 江苏省先 进焊接技术重点实验室 , 江苏 镇江 摘
要 : 马氏体时效钢具有超高 强度和良好的综合性能。但是 , 该合金在锻造成形过程中存在 大量带状组 织 ,
马氏体时效钢经 ICP 等离子体发射光谱 仪分析 的成分如表 1 所示。 表 1 18N i马氏体时效钢化学成分 ( w ) %
C N i Co M o T i 5 Al S P 0 006 Nb 0 2 0 004 19 8 5 0 3 0 08 0 003
高合金钢在熔铸过程中易产生晶间偏析, 这 种化学成分的不均匀性是锻造过程中产 生带状 组织的一个主要原因 , 因为钢液在铸锭结晶过程 中选择性结晶、 各种溶质原子的溶解度不同、 合 金成分密度差异等因素形成了化学成分 呈不均 匀分布的枝晶组织, 这种组织在高温均匀化处理 时因合金元素的扩散而得到一定程度的缓解, 但 是由于铸锭中的空位、 位错等缺陷的密度较低 , 这些缺陷所提供的晶格畸变能并不能为 大量的 溶质原子均匀扩散提供足够的能量 , 材料中碳的 扩散速度比其他合金元素的扩散速度快得多, 碳 很容易均 匀化, 但 Co、 N i等合金元 素不易均 匀 化。因此铸锭中的大部分粗大树枝晶会 在锻造 时沿变形方向被拉长 , 并逐渐与变形方向一致 , 并在一定程度上仍保留着枝晶偏析从而 形成碳 及合金元素的贫化带彼此交替堆叠。由 于带状 组织相邻带的显微组织不同 , 它们的性能也不相 同 , 在外力作用下性能低的带容易暴露出来 , 而 且强弱带之间会产生应力集中, 因而造成了总体
这种组织严重影响了材料的使用性能 , 如使材料各向异性 , 塑性降低 , 冲击韧性及断面收缩率下降等 。本文重 点探讨了带状组织产生的内因 , 并通过热处理工艺试验探索了消除带状组织的方法 , 试验研究表明 , 合 金经过 1050 2h+ 820 1h 热处理后 , 材料的带状组织基本碎 化或消除 , 组织和 成分细小均 匀 , 有 效地改善 了材 料的力学性能。 关键词 : 马氏体时效钢 ; 锻造成型 ; 带状组织 ; 热处理 中图分类号 : TG 142 . 24 文献标识码 : A
图 5 热处理优化工艺对马氏体时效钢硬度的影响
wk.baidu.com
2 结论
( 1) 马氏体时效钢在锻造过程中出现严 重 的带状组织 , 该组织对材料的力学性能造成不利 的影响。
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2009 年 12 月
( 2) 采用径向十字镦拔 + 轴向拔长和镦粗 的锻造工艺可以使马氏体时效钢锻件中的带状 组织基本碎化 , 为高温均匀化处理彻底消除带状 组织奠定了良好的组织基础。 ( 3) 通过适当的热处理优化制度 ( 1050 2h)可使材料的带状组织基本碎化或消除、 使组织 和成分细小均匀, 有效地改善了材料的力学性能。 参考文献 :
马氏 体时效 钢是上 世纪 50 年 代末由 国际 I N CO 公司开发出来的一种超高强度钢 , 其高强 度、 高韧性和良好的加工性能引起了材料工作者 的极大关 注。由 于这种 合金具 有高强 度、 高韧 性, 并同时具有良好的冷热加工性能 , 所以不仅 很快在宇航、 航空及原子能工业等领域得到了较 [ 1] 为广泛的应用 , 而且也开始用于机械制 造、 化 学工业和工模具制造等方面, 诸如飞机起落架部 件和薄壁骨架结构、 火箭发动机和导弹壳 体、 聚 乙烯生产高压系统部件、 压铸模、 深海潜水壳体 [ 2] 及轴和紧固件 ( 螺栓 ) 等。本文研究的材料经 真空感应熔炼制备一 次锭, 并经锻造制 成电极 进行电渣重熔 , 电渣重熔锭在 1200 6h 保护 气氛中进行均匀化退火 , 并锻造成型。锻造成 型后试样的金相照片出现带状组织。带状组织 的存在使钢的组织不均匀, 影响钢材性能 , 如形 成各向异性, 降低钢的塑性、 冲击韧性和断面收 缩率 , 造成冷弯不合格、 冲击废品率高、 热处理时 钢材容易变形等。对材料造成不良影响。因此, 本文重点探讨带状组织产生的内因, 并通过热处 理工艺试验探索消除带状组织的方法,
第 24 卷第 6 期
徐玉松等 : 马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
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力学性能降低 , 并具有明显的各向异性。因此有 必要采取适当的处理来减少或消除带状组织。 1 1 控制带状组织缺陷的工艺方案探索 ( 1) 综合锻造。经 过单一方向上的 锻造后 带状组织虽然在后续的热处理后会有所减少, 但 是难以消除。因为带状组织 内合金元素的扩散 方向只是平行于锻造方向, 不能在三位空间内均 匀扩散, 这样势必会影响合金元素的 充分扩散, 其原因可能是相同条件下单一方向锻造的锻造 比较综合锻造的要小。为此 本试验采用综合锻 造 (径向十字镦拔 + 轴向拔长和镦粗 ) 来减少或 消除合金内部的带状组织。图 1 是锻件坯料的 三维示意图 , 锻造成型的工艺流程为 : ∀ 沿 Z 轴
第 24 卷第 6 期
徐玉松等 : 马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
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图 4 不同高温固溶温度金相照片
1 2 材料消除带状组织前后力学性能 通过上述的综合固溶处理 , 锻件的带状组织 被基本碎化或消除 , 但是还不能确定该种方法对 材料的力学性能有何种影响。故对试验材料进 行时效处理
1 实验内容及结果分析
马氏体时效钢是一种低碳高合金钢 , 本文中
基金项目 : 江苏省研究生创 新计划项目。
作者简介 : 徐玉松 , 男 , 1960 年生 , 安徽芜湖人 , 江苏科技大学材料科学与工程学院副教授, 主要从事金属材料、 有色金属冶 金研究。江苏省镇江市梦溪路 2 # 江苏科技大学材料科学与工程学院 , 邮编 : 212003 , Ema i: l xys7251@ 163 . com。
图 1 综合锻造的工艺流程图
( 2) 热处理优化制度。由于锻件中的带状 组织已经在综合锻造时基本碎化, 要想使之彻底 消除, 就要使其充分地溶解到基体中去 , 因此从 热处理的角度来看, 要消除带状组织就要进行高 温均匀化处理, 使碎化后的带状组织中的合金元 素充分扩散。故本文拟采用高温固溶处 理的方 法 , 进一步消除带状组织。 1 1 1 确定高温固溶温度 本文选 择 的 固 溶 温 度 为 800 、900
[ 6~ 7]
( 480 、 不同时间 ), 通过测量材
料的硬度 , 确定综合热处理优化制度对材料的力 学性能的影响 , 材料经过不同热处理制度所获得 的硬度见图 5 。 从图 5 中可以看出, 材料在消除带状组织前 后, 虽然硬度都在时效 4h 后达到最大值 , 但是经 过综合热处理优化后, 材料的硬度有所上升。这 是由于在综合固溶处理过程中 , 带状组织碎化或 消除后, 材料的组织和成分更加均匀 , 时效时析 出物也更加弥散分布, 对硬度的增加起到了一定 的促进作用。
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1050 、 1150 , 均保温 1h, 初步确定最佳的高温 固溶温度。不同固溶温度 下的金相组织 如图 3
图 2 马氏体时效钢锻件综合锻造金相照片
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图 3 不同固溶温度下的金相照片
从图 3 中可以看出, 随着固溶温度升 高, 当 温度为 800 时 (图 3( a) ) , 带状组织较未综合锻 造前 , 其带间距有一定的减小 , 但是还没有明显 消除 , 组织中还存在一定的带状组织。当温度升 高到 900 时 ( 图 3( b) ), 部分带状组织已经溶解 到奥氏体基体中, 带状组织明显减少。温度升高 到 1050 时 ( 图 3( c) ), 带状组织已基本消除 , 且 组织较为细小均匀, 然而随着温度的升高 , 晶粒 也进一步长大 , 特别是在 1150 时晶粒异常长大 ( 图 3( d) ), 这会影响后续热处理的质量, 由于固 溶时组织较为粗大 , 在时效时形成的马氏体晶粒 也相应增大, 对材料的 力学性 能造 成不利 的影 响。综合以 上分 析, 确 定最佳 固溶处 理温 度为 1050 , 因为此时不但带状组织已被基本消除而 且晶粒细小均匀 。 1 1 2 确定高温固溶时间 该种材料在固溶温度大于 800 时组织才能
properties o f h igh strength 1 8 % N i coba lt free m arag ing stee l [ J] 何毅 ~ 57 [ 5] 尹钟 大 , 李晓东 何 毅 , 杨柯 18N i马氏体 时效钢 时效机 理的 研究 [ J] 金属学报 , 1995, 31( 1): 7~ 13 超 纯净 化 18N i( 350) 马 氏体 时 效钢 Iye r K J L, et al Sc ience 2000, 5 的研 究 [ J] 金属学报 , 2001, 37( 8): 852~ 856 Sha m antha C R, N arayanan R, T ensile properties and fractu re toughness o f 18N i M aterials Sc ience and T echno logy , 2003, 19: 117~ 124 超纯净 18N i马氏体时效钢的晶粒尺 寸及其 对拉伸性能的 影响 [ J] 金属学报 , 2002, 38( 1) : 53
方向镦粗; # 沿 Y 轴方向拔长、 再镦粗 ; ∃ 沿 X 轴 方向拔长、 再镦粗; %沿 Z 轴方向拔长成型。该 锻造工艺有利于提高锻件的力学性能和减小 力 学性能的异向性 , 使锻件中的带状组织进一步变 形或破碎, 使之在三维空间内分布更均匀。由于 带状组织的压缩碎化 , 减小了其扩散的距离 , 这 能提高随后热处理中的组织均匀化。综合锻 造 后通过金相照片 ( 如图 2) 发现锻件的带状组 织 黑白相间 的带状组 织有较 为明 显的碎 化现象。 这说明综合锻造来碎化带状组织的方法是较 为 有效的。虽然综合锻造能使锻件的带状组织 明 显碎化 , 但要彻底消除带状组织、 获得理想的 均 匀化马氏体组织 , 还必须进行后续的工艺处理。
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完全奥氏体化, 但是如果温度过高或者保温时间 过长, 组织会过度长大, 对材料的性能带 来不利 影响, 因 此 本 次 实 验选 取 的 常 规 固 溶 制 度 为 [ 5] 820 1h , 在常规固溶制度确定的条 件下还 需进一步确定其高温固溶时间, 这样才能得到完 整的热处理制度。在常规固溶制度和高 温固溶 温度不变的情况下, 本次实验选择 3 个不同的高 温固溶时间分别是 1h 、 2h 、 4h , 来确定最佳的高温 固溶时间。其各自的金相组织如图 4 所示。 从图可以看出, 图 4 ( a) 中组织还未达到 充 分均匀 , 而图 4( c) 中组织又过于粗大 , 对材料时 效后的强度均有不利的影响。锻件在 1050 2h+ 820 1h 处理时, 组织和成分最均匀 ( 图 4 ( b) ), 这也为时效过程中金 属间化合物的均 匀 弥散析出提供了最好的条件。对材料的 强度提 高起到了一定促进作用。因此本文确定 材料的 最佳的热处理制度为 1050 保温 2h。
[ 1] 何毅 , 刘 凯 , 杨柯 39( 4) : 381~ 386 [ 2] [ 3] 杨德庄 金属材料学 [M ] 哈尔滨 : 哈 尔滨工业大 学出版社 , 1979 226~ 228 H e Y, Y ang K, Q u W S, et al E ffec ts of solution trea t m en t temperatu re on g ra in g row th and mechan ica l 固溶 温度对 超纯 净 18N i( 350) [ 7] 断裂韧性及微观组织 的影响 [ J] 金 属学报 , 2003, [ 6] [ 4]
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马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
徐玉松, 李国一, 张 伟, 支海军, 陆敏松, 顾巍兰
212003) ( 江苏科技大学 江苏省先 进焊接技术重点实验室 , 江苏 镇江 摘
要 : 马氏体时效钢具有超高 强度和良好的综合性能。但是 , 该合金在锻造成形过程中存在 大量带状组 织 ,
马氏体时效钢经 ICP 等离子体发射光谱 仪分析 的成分如表 1 所示。 表 1 18N i马氏体时效钢化学成分 ( w ) %
C N i Co M o T i 5 Al S P 0 006 Nb 0 2 0 004 19 8 5 0 3 0 08 0 003
高合金钢在熔铸过程中易产生晶间偏析, 这 种化学成分的不均匀性是锻造过程中产 生带状 组织的一个主要原因 , 因为钢液在铸锭结晶过程 中选择性结晶、 各种溶质原子的溶解度不同、 合 金成分密度差异等因素形成了化学成分 呈不均 匀分布的枝晶组织, 这种组织在高温均匀化处理 时因合金元素的扩散而得到一定程度的缓解, 但 是由于铸锭中的空位、 位错等缺陷的密度较低 , 这些缺陷所提供的晶格畸变能并不能为 大量的 溶质原子均匀扩散提供足够的能量 , 材料中碳的 扩散速度比其他合金元素的扩散速度快得多, 碳 很容易均 匀化, 但 Co、 N i等合金元 素不易均 匀 化。因此铸锭中的大部分粗大树枝晶会 在锻造 时沿变形方向被拉长 , 并逐渐与变形方向一致 , 并在一定程度上仍保留着枝晶偏析从而 形成碳 及合金元素的贫化带彼此交替堆叠。由 于带状 组织相邻带的显微组织不同 , 它们的性能也不相 同 , 在外力作用下性能低的带容易暴露出来 , 而 且强弱带之间会产生应力集中, 因而造成了总体
这种组织严重影响了材料的使用性能 , 如使材料各向异性 , 塑性降低 , 冲击韧性及断面收缩率下降等 。本文重 点探讨了带状组织产生的内因 , 并通过热处理工艺试验探索了消除带状组织的方法 , 试验研究表明 , 合 金经过 1050 2h+ 820 1h 热处理后 , 材料的带状组织基本碎 化或消除 , 组织和 成分细小均 匀 , 有 效地改善 了材 料的力学性能。 关键词 : 马氏体时效钢 ; 锻造成型 ; 带状组织 ; 热处理 中图分类号 : TG 142 . 24 文献标识码 : A
图 5 热处理优化工艺对马氏体时效钢硬度的影响
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( 1) 马氏体时效钢在锻造过程中出现严 重 的带状组织 , 该组织对材料的力学性能造成不利 的影响。
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( 2) 采用径向十字镦拔 + 轴向拔长和镦粗 的锻造工艺可以使马氏体时效钢锻件中的带状 组织基本碎化 , 为高温均匀化处理彻底消除带状 组织奠定了良好的组织基础。 ( 3) 通过适当的热处理优化制度 ( 1050 2h)可使材料的带状组织基本碎化或消除、 使组织 和成分细小均匀, 有效地改善了材料的力学性能。 参考文献 :
马氏 体时效 钢是上 世纪 50 年 代末由 国际 I N CO 公司开发出来的一种超高强度钢 , 其高强 度、 高韧性和良好的加工性能引起了材料工作者 的极大关 注。由 于这种 合金具 有高强 度、 高韧 性, 并同时具有良好的冷热加工性能 , 所以不仅 很快在宇航、 航空及原子能工业等领域得到了较 [ 1] 为广泛的应用 , 而且也开始用于机械制 造、 化 学工业和工模具制造等方面, 诸如飞机起落架部 件和薄壁骨架结构、 火箭发动机和导弹壳 体、 聚 乙烯生产高压系统部件、 压铸模、 深海潜水壳体 [ 2] 及轴和紧固件 ( 螺栓 ) 等。本文研究的材料经 真空感应熔炼制备一 次锭, 并经锻造制 成电极 进行电渣重熔 , 电渣重熔锭在 1200 6h 保护 气氛中进行均匀化退火 , 并锻造成型。锻造成 型后试样的金相照片出现带状组织。带状组织 的存在使钢的组织不均匀, 影响钢材性能 , 如形 成各向异性, 降低钢的塑性、 冲击韧性和断面收 缩率 , 造成冷弯不合格、 冲击废品率高、 热处理时 钢材容易变形等。对材料造成不良影响。因此, 本文重点探讨带状组织产生的内因, 并通过热处 理工艺试验探索消除带状组织的方法,
第 24 卷第 6 期
徐玉松等 : 马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
! 63!
力学性能降低 , 并具有明显的各向异性。因此有 必要采取适当的处理来减少或消除带状组织。 1 1 控制带状组织缺陷的工艺方案探索 ( 1) 综合锻造。经 过单一方向上的 锻造后 带状组织虽然在后续的热处理后会有所减少, 但 是难以消除。因为带状组织 内合金元素的扩散 方向只是平行于锻造方向, 不能在三位空间内均 匀扩散, 这样势必会影响合金元素的 充分扩散, 其原因可能是相同条件下单一方向锻造的锻造 比较综合锻造的要小。为此 本试验采用综合锻 造 (径向十字镦拔 + 轴向拔长和镦粗 ) 来减少或 消除合金内部的带状组织。图 1 是锻件坯料的 三维示意图 , 锻造成型的工艺流程为 : ∀ 沿 Z 轴
第 24 卷第 6 期
徐玉松等 : 马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
! 65!
图 4 不同高温固溶温度金相照片
1 2 材料消除带状组织前后力学性能 通过上述的综合固溶处理 , 锻件的带状组织 被基本碎化或消除 , 但是还不能确定该种方法对 材料的力学性能有何种影响。故对试验材料进 行时效处理
1 实验内容及结果分析
马氏体时效钢是一种低碳高合金钢 , 本文中
基金项目 : 江苏省研究生创 新计划项目。
作者简介 : 徐玉松 , 男 , 1960 年生 , 安徽芜湖人 , 江苏科技大学材料科学与工程学院副教授, 主要从事金属材料、 有色金属冶 金研究。江苏省镇江市梦溪路 2 # 江苏科技大学材料科学与工程学院 , 邮编 : 212003 , Ema i: l xys7251@ 163 . com。
图 1 综合锻造的工艺流程图
( 2) 热处理优化制度。由于锻件中的带状 组织已经在综合锻造时基本碎化, 要想使之彻底 消除, 就要使其充分地溶解到基体中去 , 因此从 热处理的角度来看, 要消除带状组织就要进行高 温均匀化处理, 使碎化后的带状组织中的合金元 素充分扩散。故本文拟采用高温固溶处 理的方 法 , 进一步消除带状组织。 1 1 1 确定高温固溶温度 本文选 择 的 固 溶 温 度 为 800 、900
[ 6~ 7]
( 480 、 不同时间 ), 通过测量材
料的硬度 , 确定综合热处理优化制度对材料的力 学性能的影响 , 材料经过不同热处理制度所获得 的硬度见图 5 。 从图 5 中可以看出, 材料在消除带状组织前 后, 虽然硬度都在时效 4h 后达到最大值 , 但是经 过综合热处理优化后, 材料的硬度有所上升。这 是由于在综合固溶处理过程中 , 带状组织碎化或 消除后, 材料的组织和成分更加均匀 , 时效时析 出物也更加弥散分布, 对硬度的增加起到了一定 的促进作用。