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学校代码：

11517

学号：

201050616229

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

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题目热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

学生姓名沈艳杰

专业班级机械设计制造及其自动化1221班

学号201050616229

系（部）机械工程学院

指导教师（职称）刘希东（讲师）

完成时间2014年2月25日

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

邓德伟，陈蕊，田鑫，王冬颖

摘要:

利用光学金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜及显微硬度计等现代检测技术研究了不同热处理工艺对17-4PH沉淀硬化马氏体不锈钢显微组织及力学性能的影响。

结果表明:

在固溶处理后进行480℃时效处理时，材料强度和硬度得到提高，但是塑性有所下降。

而当时效温度升高到620℃，材料的强度和硬度降低而塑性增强。

在480℃时效处理前进行780℃调整处理后，可以使合金得到良好的综合力学性能。

因此在本试验条件下，17-4PH钢最佳热处理工艺为在1050℃固溶处理后，先进行780℃调整处理，再进行480℃时效处理。

关键词:

17-4PH钢;调整处理;固溶处理;时效处理;热处理

1介绍

17-4PH钢是沉淀硬化马氏体不锈钢，与同类钢相比，具有一些与众不同的特性:

化学成分保证了它在固溶处理后冷却至室温时组织为低碳马氏体;17-4PH钢含碳量较低，因此耐腐蚀性和可焊性均优于其它马氏体型不锈钢，而接近于某些奥氏体不锈钢;热处理后，17-4PH钢析出微细金属间化合物和少量碳化物，从而达到较高的强度;与半奥氏体沉淀硬化不锈相比，其热处理工艺简单。

由上述特点可知，通过对17-4PH钢进行相应的热处理，可获得高强度和一定耐蚀性相结合的高强不锈钢，兼有Cr-Ni奥氏体不锈钢耐蚀性较好和马氏体钢度高的优点，因此17-4PH钢可作为超高强度耐蚀材料在核工业、航空和航天工业中应用［1-5］。

沉淀硬化不锈钢具有复杂的显微组织、优良的综合性能，这些特点除了与材料化学成分相关外，还取决于热处理工艺。

目前已报道的研究工作主要是采用固溶处理后进行时效处理的热处理方式，来提高钢的力学性能，并通过改变时效处理的温度（460～650℃）来得到理想的硬度、强度与塑性的组合。

但由于固溶处理后的奥氏体含有大量合金元素（如Cr、C、N等），增强奥氏体稳定性，降低了马氏体转变温度（Ms），冷却时不易转变为马氏体，因此仅

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

仅通过固溶及时效处理不能完成马氏体的充分转变，因而使得17-4PH钢的性能潜力未能被充分发掘［6-10］。

本试验在固溶处理和时效处理之间增加调整处理。

通过在固溶处理之后进行调整处理来调节奥氏体固溶体的实际化学成分，从而控制马氏体转变温度Ms点，使马氏体转变温度高于室温某一温度，实现马氏体相变的最佳效果，从而得到良好的综合力学性能。

本文通过对有、无调整处理的试验结果进行比对，着重研究了调整处理对17-4PH钢显微组织和力学性能的影响。

2试验材料与方法

试验所用材料为60mm×200mm的17-4PH沉淀硬化马氏体不锈钢锻件。

其化学成分如表1所示。

表117-4PH沉淀硬化马氏体不锈钢的化学成分（质量分数，Table1Chemicalcompositionof17-4PHprecipitation-hardeningstainlesssteel（wt%）

将钢棒线切割成15mm×15mm×15mm的小试样，在配有热电偶高温炉中对试样进行热处理，具体工艺如表2所示。

表217-4PH钢的热处理工艺

Table2Heattreatmentprocessof17-4PHsteel

利用MVC1000B型显微硬度计对试样进行硬度测试（载荷为500g，加载时间为15s）;利用XRD6000型的X射线衍射仪进行分析（XRD）;利用Nikon

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

MA100型的金相显微镜进行光学显微分析;利用EVO-18型的扫描电子显微镜进行SEM分析及EDS能谱分析。

3结果与讨论

3.1热处理对材料显微组织的影响图1为17-4PH钢进行不同热处理后的XRD检测图。

从图1可以看出:

未进行热处理的试样主要由马氏体和极少量未溶解的碳化物（Cr7C3）组成［11］。

经过固溶处理后，未溶解的碳化物发生溶解，得到全部的板条状马氏体。

而溶处理后再进行时效处理，第二相析出物出现，主要为Cr7C3及Cu（fcc）。

在进行时效处理后Cu（fcc）的出现是硬度及强度提高的主要原因。

并且随着时效温度的升高，第二相析出粗化，硬度降低，同时在进行高温时效时，会有逆变奥氏体产生，逆变奥氏体的产生会降低马氏体的硬及强度，但钢的塑性有所提高，因此可以通过合理的热处理方式来达到理想匹配的硬度、强度与塑韧性的综合力学性能［12］。

图2为对17-4PH钢经过不同热处理工艺后的金相观察图。

从图2中可以看出:

与图2（a）中显示的未经热处理的组织相比，17-4PH钢在行固溶处理之后，由于组织成分较均匀，晶界沉淀相少，所以晶界不易被腐蚀，原来在未经热处理晶界处的白亮小区域消失，其组织主要为粗大马氏体，如图2（b）所示;对17-4PH钢固溶处理后进行480℃的时效处理，组织中有明显的板条状马氏体出现，如图2（c）所示。

根据图1知，在基体中有第二相析出物出现，但因为第二相析出物颗粒极细小，所以在光学显微镜下无观察到，金相较固溶处理之后没有明显变化。

在固溶处理和480℃时效处理中间进行一步调整处理，17-4PH钢的组织发生了明显变化，晶粒轮廓清晰，马氏体组织均匀细小，层片状氏体位向关系清晰，明显与未进行调整后时效的粗大的板条状马氏体不同，晶界变得比时效前更清晰，上面分布着大量的白色析出相，晶界相互连结成网状，如图2（d）中箭头所指，将主要由马氏体和残留奥氏体组成的晶粒包束于其中，如图2（d）所示。

对17-4PH钢进行固溶+620℃时效处理后，出现过时效板条马氏体，马氏图3是17-4PH钢组织的扫描电镜照片。

未进行热处理17-4PH钢组织中主要由细小的马氏体板条组成，如图3（a）所示，在进行固溶处理之后，组织中出现粗大的马氏体板条，由于在进行溶处理后组织

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

分比较均匀因此晶界不清晰，如图3（b）所示。

在固溶处理后进行480℃时效处理，如图3（c）所示，17-4PH钢中原奥氏体晶界变清晰，并在板条中有析出物出现。

经能谱分析，析出物主要为富Nb见图4。

在进行1050℃WC+780℃WC+480℃AC处理后，组织非常均匀，如图3（d）所示，对该组织进行能谱分析时，发现在马氏体板条局部区域存在较高的Cu，因此判断体板条间存在明显的明暗对比，并且在晶界及板条间有小白亮区出现，如图2（e）所示。

图117-4PH钢分别在未经热处理（untreated），

固溶处理状态（ST）及时效处理状态（AT）下的XRD图

Fig．1XRDpatternsof17-4PHsteelinuntreated

condition（untreated），solutiontreatmentcondition（ST）

andagingtreatmentcondition（AT）

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

图2经不同热处理后17-4PH钢的光学显微镜形貌

（a）未热处理;（b）1050℃水冷（WC）;（c）1050℃，WC+480℃空冷（AC）;（d）1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC;（e）1050℃，WC+620℃，AC

Fig．2Microstructureof17-4PHsteelafterdifferentheattreatments

（a）untreated;（b）1050℃water-cooling（WC）;（c）1050℃，WC+480℃aircooling（AC）;

（d）1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC;（e）1050℃，WC+620℃，AC

图3经不同热处理后17-4PH钢的扫描电镜微观形貌

（a）未热处理;（b）1050℃，WC;（c）1050℃，WC+480℃，AC;（d）1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC;（e）1050℃，WC+620℃，AC

Fig．3SEMimagesof17-4PHsteelafterdifferentheattreatments

（a）untreated;（b）1050℃，WC;（c）1050℃，WC+480℃，AC;（d）1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC;（e）1050℃，WC+620℃，AC

其有细小的Cu析出物存在，如图5所示［13］。

在固溶处理后进行620℃时效处理，组织中可以观察到明显的原奥氏体晶界，晶界内的少量马氏体发生逆转变形成奥氏体组织，如图3（e）所示，虽然在扫描电镜下没有观察到第二相析出物，但由能谱分析可知马氏体组织中局部区域Cu含量很高，如图6所示，因此推断组织中有富Cu析出相存在。

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

图4经1050℃，WC+480℃，AC处理后17-4PH钢扫描电镜微观形貌（a）及对应EDS能谱（b）

Fig．4SEMimage（a）of17-4PHsteelafter1050℃，WC+480℃，ACandEDS

pattern（b）

图5经1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC处理后17-4PH钢扫描电镜微观形貌（a）及对应EDS能谱（b）

Fig．5SEMimage（a）of17-4PHsteelafter1050℃，WC+780℃，WC+480℃，ACandEDSpattern（b）

图6经1050℃，WC+620℃，AC处理后17-4PH钢扫描电镜微观形貌（a）及对应EDS能谱（b）Fig．6SEMimage（a）of17-4PHsteelafter1050℃WC+620

℃，ACandEDSpattern（b）

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

3.2热处理对材料硬度的影响图7为17-4PH钢进行不同热处理后的显微硬度检测曲线从图7中可以看出:

在进行固溶处理后，基体硬度有所提高，并趋于均匀，这主要是由于微观组织的均匀化;在固溶处理后进行620℃时效处理，硬度有所增加，但远低于进行480℃时效处理的硬度，这主要是因为固溶处理后进行时效处理会有第二相析出物出现，但随着时效温度的增加，析出相不断长大，弥散强化效果减弱，并且在进行较高温度的时效处理之后会有逆变奥氏体产生［12］，这就是620℃时效处理硬度降低的原因。

但逆变奥氏体在降低硬度的同时，会增加材料的塑性，对得到良好的综合力学性能有一定的作用。

而在进行固溶处理和480℃时效处理之间进行调整处理，得到的基体的硬度值介于二者之间。

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

图7经不同热处理后17-4PH钢的显微硬度曲线

（a）未热处理;（b）1050℃，WC;（c）1050℃，WC+480℃，AC;

（d）1050℃，WC+620℃，AC;

（e）1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC

Fig．7Microhardnesscurveof17-4PHsteelafterdifferentheattreatments

（a）untreated;（b）1050℃，WC;（c）1050℃，WC+480℃，AC;

（d）1050℃，WC+620℃，AC;

（e）1050℃，WC+780℃，WC+480℃，AC

3.3热处理对材料力学性能的影响图8（a）为17-4PH钢进行不同热处理后的抗拉强度对比图，从图8（a）中可以看出:

进行热处理后，材料的屈强比变大，材料抗变形能力增加固溶处理后，材料强度有所增加，但增加幅度并不明显;在固溶处理后进行480℃时效处理时，材料抗拉强度最大，强度值为1280MPa;当时效温度升高为620℃时，材料屈强比最大，但材料强度远低于480℃时效处理时的强度;而当在固溶处理及480℃时效处理之间进行调整处理时，材料抗拉强度介于两种时效处理之间。

图8（b）为17-4PH钢进行不同热处理后的拉伸塑性统计图，由于断面收缩率代表局部塑性变形能力而断后伸长率代表整体塑性变形能力，因此在试验中采用断后伸长率来表示塑性变化，由图8（b）可以看出:

在进行不同热处理后，在提高了17-4PH钢强度的同时，其塑性均有不同程度的下降，其中在固溶处理后行480℃时效处理后的塑性最低，断后伸长率为10.4%;当时效温度增加至620℃时，性最高;而当在固溶处理及480℃时效处理之间增加调整处理时，其塑性介于480℃时效处理及620℃时效处理。

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

图8经不同热处理后17-4PH钢的强度（a）及塑性（b）Fig．8Tensilestrength（a）andductility（b）of17-4PHsteelafterdifferentheattreatments

对17-4PH钢进行调整处理，保证了其在提高强度的同时仍具有较好的塑性，克服了620℃时效处理后虽有较好的塑性但却不能保证较高的强度及硬度的缺点，同时消除了480℃时效处理后可以提高强度及硬度但严重降低塑性的缺点，是一种能使17-4PH钢具有较好强韧配比的热处理工艺。

4结论

1）在进行固溶处理之后，17-4PH钢组织成分较均匀，强度和硬度较未进行热处理均有所增加，但塑性下降。

2）固溶处理后进行时效处理，当时效温度为480℃时，基体中有第二相析出物出现硬度及强度提高、塑性降低，当时效温度升高到620℃时，第二相析出物发生粗并且有变奥氏体产生，硬度及强度下降、塑性升高。

3）在固溶处理及480℃时效处理之间行调整处理，基体主要由细小马氏体组成，其晶界网状结构，并且在基体上有富铜第二相形成其硬度、强度及塑性介于480℃时效处理及620℃时效处理之间，具有较好的综合性能，此17-4PH钢最佳热处理工艺为固溶处理后先调整处理，然后时效处理。

热处理对17-4PH马氏体不锈钢显微组织及性能的影响

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Effectofheattreatmentonmechanicalpropertiesandmicrostructureof17-4PHmartensitestainlesssteel

Effectofheattreatmentonmechanicalpropertiesandmicrostructureof17-4PHmartensitestainlessSteel

DengDewei,ChenRui,TianXin,WangDongying

Abstract:

Moderntestingtechnologyofusingopticalmicroscope,Xraydiffraction,scanningelectronmicroscopeandmicrohardnesstester,tostudytheeffectofdifferentheattreatmentprocessofprecipitation,microstructureandmechanicalpropertiesofhardenedmartensiticstainlesssteel17-4PH.Theresultsshowthat:

480℃agingtreatmentinthesolidsolution,thematerialstrengthandhardnessisincreased,buttheplasticitydecreases.Whentheagingtemperatureto620℃,materialstrengthandhardnessdecreaseandtheplasticityenhancement.At780℃treatmentat480℃beforeagingtreatment,thealloyhasgoodcomprehensivemechanicalproperties.Therefore,undertheconditionsofthisexperiment,theoptimumheattreatmentprocessfor17-4PHsteelinaftersolidsolutiontreatmentat1050℃,780℃advancedadjustmentprocess,andthena480℃agingtreatment.

Keywords:

17-4PHsteel;treatment;solidsolutiontreatment;agingtreatment;heattreatment

1Introduction

17-4PHsteelisaprecipitationhardenedmartensiticstainlesssteel,comparedwiththesamekindofsteel,withsomeoutoftheordinarycharacteristics:

chemicalcompositiontoensureitisinsolidsolutiontreatmentaftercoolingtoroomtemperaturetolowcarbonmartensite;17-4PHsteelwithlowcarboncontent,sothe

Effectofheattreatmentonmechanicalpropertiesandmicrostructureof17-4PHmartensitestainlesssteel

corrosionresistanceandsolderabilitywassuperiort