马氏体时效钢 综述

马氏体时效钢是高合金超高强度钢的一个典型钢种，是以无碳 (或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超 高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散 析出来强化。这使其具有一些独特的性能：高强韧性，低硬化指数， 良好成形性，简单的热处理工艺，时效时几乎不变形，以及很好的焊 接性能。因而马氏体时效钢已在需要此种特性的部门获得广泛的应 用。
而马氏体时效不锈钢是在马氏体时效钢基础发展起来的超高强
度不锈钢，它具有马氏体时效钢的全部优点，并建有一定的耐腐蚀性 能，成为正在发展中的新一代高强度不锈钢。
国内各种马氏体时效不锈钢的主要化学成分（元素质量分数）%
钢种

C Cr
Nb Mo Si Mn 其它
Ni
<0.03 14 6 0.4- 2 =<0.5 =<0.5 0.1-0.4Al
中国从 20 世纪 60 年代中期就开始研制马氏体时效钢。最初以仿 制 18Ni(250)和 18Ni(300)为主。到 70 年代中期又开始研究强度级别
更高的钢种和无钴或节镍钴马氏体时效钢，还开发出用于高速旋转体 的超高纯、高强高韧的马氏体时效钢(cM 一 1 钢)，研制出高弹性的 马氏体时效钢(TM210 等)和低镍无钴马氏体时效钢(12Ni 一 3Mn3Mo —TiAlV)。
低合金超高强度钢 是由调质结构钢发展起来的，含碳量一般在 0.3～0.5％，合金元 素总含量小于 5％,其作用是保证钢的淬透性，提高马氏体的抗回火稳 定性和抑制奥氏体晶粒长大，细化钢的显微组织。常用元素有镍、铬、 硅、锰、钼、钒等。通常在淬火和低温回火状态下使用，显微组织为 回火板条马氏体，具有较高的强度和韧性。如采用等温淬火工艺，可 获得下贝氏体组织或下贝氏体与马氏体的混合组织，也可改善韧性。
铝是铁素体形成元素，在马氏体时效不锈钢主要作用是时效强化作 用。同时能在钢的表面形成一层致密的氧化膜，提高不锈钢抗氧化能 力，但是铝一般是作为脱氧剂加入到钢中的，以束缚残余的氧和氮。
稀土元素加入马氏体时效不锈钢中能提高钢的抗腐蚀性能。 上述合金元素对钢的作用不是简单的叠加也不是相互抵消，他们之 间有时会发生，新的物理化学作用，往往会引起强化力学性能作用。 各种合金元素对马氏体时效不锈钢组织结构和性能的影响如下表所 示。
热加工
马氏体时效钢在高温下具有良好的热塑性与热加工性能，铸锭热 加工一般在 870-1120℃进行在高于 1120℃时有可能产生过量氧化。 对于钛、钼含量较高的钢种，钢锭凝固时容易发生这些元素的微观偏 析，热加工后形成各向异性的带状显微结构。减轻或消除微观偏析的 有效措施，是选择合适的钢锭尺寸和热加工时进行充分的高温均质化 处理。为了防止由于 Ti(c，N)等化合物沿奥氏体晶界析出引起的高 温缓冷脆性，热加工后应尽量避免工件在 1100～750C 温度区间内缓 冷或停留。为了获得细晶粒和较佳力学性能，终锻应在较低温度下 (950～850C)，以较大的变形量(大于 25％)完成。
马氏体时效钢
前言：以无碳(或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合
物沉淀硬化的超高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属 间化合物的弥散析出来强化。这使其具有一些独特的性能：高强韧性， 低硬化指数，良好成形性，简单的热处理工艺，时效时几乎不变形， 以及很好的焊接性能。因而马氏体时效钢已在需要此种特性的部门获 得广泛的应用。 超高强度钢简介
00Gr12Nj9Cu2TiNb
0.3
Re
12Cr5Ni2MnMoCu <0.03 12 5
2Mn
13Cr-25Co-5Mo <0.03 13
5
2Co
马氏体时效不锈钢的合金化特点
马氏体时效不锈钢中的合金化元素主要有三类，一类是与抗腐蚀性 能有关的元素如 Gr；一类是形成沉淀硬化相的强化元素，如 Mo,Cu,Ti 等；一类是平衡组织以保证钢中不出现或控制δ-铁素体元素，如 Ni,Co 等。
马氏体时效钢工艺流程 冶炼 → 热加工 → 冷加工 → 焊接 → 热处理 → 表面处理 生产工艺
主要生产工艺有冶炼、热加工、冷加工、焊接、热处理和表面处 理。 冶炼
超高强度钢最重要的指标是断裂韧性，夹杂物含量对断裂韧性有 很大的影响，碳硫磷氧氮是对韧性有害的元素，为了减少杂质含量， 在原料选取上，必须精选原材料，避免有害元素的过多带入，把住原 材料的污染关。其次，在冶炼方法上一般采用真空感应炉熔炼加真空 自耗炉重熔的双真空冶炼工艺。对于强度级别在 1500MPa 以下的钢 种，可以采用非真空冶炼，或非真空冶炼加电渣重熔的工艺。但对高 强度级别和用途重要的钢种，必须采用双真空冶炼工艺，这样可以明 显改善塑性。在真空自耗重熔时，应严格控制电流和熔池温度，以免 钢锭产生严重的枝状偏析。
不同热变形方法下的马氏体时效钢的力学性能变化
热变形方 时
的 18Ni(350)。研究工作者们还对马氏体时效钢的加工工艺、各种性 能和强韧化机理进行了大量工作，同时还探索了屈服强度高达 2800 和 3500MPa 的所谓 400 级和 500 级马氏体时效钢。不过这两个级别 的钢种由于韧性太低，而且生产工艺过于复杂，没有得到实际应用。 在此期间，马氏体时效钢在工模具领域也有了一定市场。与此同时， 前苏联和联邦德国等国也开始了马氏体时效钢的研究。到了 70 年代， 日本因开发浓缩铀离心机，对马氏体时效钢进行了系统、深入的研究。 进入 80 年代以来，由于钴价不断上涨，无钴马氏体时效钢的开发取 得了很大进展，如美国的 T 一 250(18Ni 一 3Mo 一 10.4Ti—0.1A1)、 日本的 14Ni 一 3Cr 一 3Mo 一 10.5Ti 合金、韩国的 w 一 250(18Ni 一 40.5w 一 10.4Ti—0.1A1)和前苏联的 H161~6M6(16Ni 一 6V 一 6Mo) 均相继问世。这些钢不仅使生产成本降低了 20％～30％，而且性能 也十分接近相应强度水平的含钴马氏体时效钢。
超高强度钢是在普通结构钢基础上发展起来的一种超高强度高 韧性合金结构钢。在现代工业中占有重要地位。超高强度钢的主要特 点是具有很高的强度硬度和足够的韧性。用于制造承受高应力的重要
部件。一般认为屈服强度 σ0.2>=1350MPa 的钢为超高强度钢。
按照合金化程度及显微组织，超高强度钢可分为低合金、中合金 和高合金超高强度钢三类。在高合金超高强度钢中又有马氏体时效钢 和沉淀硬化不锈钢等。
钴在马氏体时效不锈钢中的作用主要是扩大γ相区作用，还能升高 Ms 点。
铜是一种较弱的奥氏体形成元素。在马氏体时效不锈钢加入铜能提 高钢在盐酸和硫酸中的抗腐蚀能力，也可以提高耐应力腐蚀能力。但 铜含量过多引起热加工时的铜脆。
钛在马氏体时效不锈钢常常使用，作为一种强化元素常加入镍在 3%以上的钢中，以便能形成金属间化合物 NiTi。适量的钛具有时效 强化作用。
具有工业应用价值的马氏体时效钢，是 20 世纪 60 年代初由国际镍公 司(INCO)首先开发出来的。1961～1962 年间该公司 B0.F0.Decker 等 人，在铁镍马氏体合金中加入不同含量的钴、钼、钛，通过时效硬化 得到屈服强度分别达到 1400、1700、1900MPa 的 18Ni(200)、18Ni(250) 和 18Ni(300)钢，并首先将 18Ni(200)和 18Ni(250)应用于火箭发动机 壳体。这类钢种的出现，立即引起了各国冶金工作者的高度重视。60 年代的中、后期是马氏体时效钢研究和开发的黄金时代。这期间，国 际镍公司和钒合金钢公司(VasCo)又研制出了屈服强度达到 2400MPa
Ni
○
□○○
Si ○
○□
Ti □
□
○○
□
W
△
○
○
□
注：□——强作用；○——中等作用；△——弱作用
马氏体时效钢性能特点为： ——室温下具有超高强度 ——简单热处理，保证最小的热处理变形 ——与处于同一强度水平的淬火钢相比具有优异的疲劳韧
性
——低碳含量，从而消除脱碳问题 ——截面尺寸是硬化过程中一个重要的影响因素 ——易于加工 ——好的焊接性能 ——具有高强度与高韧性 ——易切削加工，低的加工变形量 ——热处理过程中收缩均匀稳定 ——易渗氮 ——具有好的抗腐蚀与裂纹扩展能力 ——抛光光洁度高 由于具有以上优点，因而马氏体时效钢已在需要此种特性的部门 获得广泛的应用。 马氏体时效钢发展简史
各种合金元素对对马氏体时效不锈钢组织结构性能影响
合 金 对组织结构
对性能的影响
元素 影响
形成 形成 防止 增加 提高 提高 增强 细化
铁 素 奥 氏 晶 间 耐 腐 抗 氧 高 温 时 效 晶粒
体 体 腐蚀 蚀性 化性 强度 硬化
Al □
□
□
Cr ○ ○
□□
Co
□
Nb ○
□
□□○
Cu
□
Mo ○
□
○
00Cr14Ni6Mo2AlNb
0.7
00Cr15Ni6Nb <0.03 15 6 0.5-
=<0.5 =<0.5
0.8
10Cr-7Ni-Co-5.5Mo 0.004 10.0 7.0
5.5
10Co
12Cr-8Ni-Be
<0.03 11.7 8.0 <0.03 12 9 0.2-
0.18Be 2Cu 微 量
为改善马氏体时效钢的耐腐蚀性能，在 20 世纪 60 年代后期又开 发了马氏体时效不锈钢，它具有马氏体时效钢的全部优势，又具备马 氏体时效钢所不具备的耐蚀性，同时还对沉淀硬化型不锈钢的某些性 能进行了改进，因此用马氏体时效不锈钢逐步代替沉淀硬化型不锈钢 是超高强度不锈钢一个重要的发展方向，是超高强度不锈钢最有潜力 的钢种。 中国的发展
镍是奥氏体相形成元素，扩大奥氏体稳定区。在马氏体时效不锈钢 中镍的质量分数一般为 4%-20%，但是镍同样会降低 Ms 温度，并且比 铬作用还要强烈。若镍含量过高 Ms 降低，冷却时会导致残余奥氏体 产生，从而得不到全马氏体组织，时效后强度降低，因此镍含量一般 为 5.6%-10%，最高达 12%。镍一方面固溶与基体中使基体有良好的韧 性，一方面形成金属间化合物而强化。镍和铬含量要保持在恰当的范 围内一伙的最佳的强度与韧性的配合。一般来说，镍和铬总量不少于 17%，以保证韧性，但为了保证强度也不能大于 21%。