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馬氏體時效鋼是上世紀(jì)50年代末由國際INCO公司開發(fā)出來的一種超高強(qiáng)度鋼，其高強(qiáng)度、高韌性和良好的加工性能引起了材料工作者的極大關(guān)注。由于這種合金具有高強(qiáng)度、高韌性，并同時具有良好的冷熱加工性能，所以不僅很快在宇航、航空及原子能工業(yè)等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，而且也開始用于機(jī)械制造、化學(xué)工業(yè)和工模具制造等方面，諸如飛機(jī)起落架部件和薄壁骨架結(jié)構(gòu)、火箭發(fā)動機(jī)和導(dǎo)彈殼體、聚乙烯生產(chǎn)高壓系統(tǒng)部件、壓鑄模、深海潛水殼體及軸和緊固件（螺栓）等。本文研究的材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉制備一次錠，并經(jīng)鍛造制成電極進(jìn)行電渣重熔，電渣重熔錠在1200℃ ×6ｈ保護(hù)氣氛中進(jìn)行均勻化退火，并鍛造成型。鍛造成型后試樣的金相照片出現(xiàn)帶狀組織。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，影響鋼材性能，如形成各向異性，降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率，造成冷彎不合格、沖擊廢品率高、熱處理時鋼材容易變形等。對材料造成不良影響。因此，本文重點(diǎn)探討帶狀組織產(chǎn)生的內(nèi)因，并通過熱處理工藝試驗(yàn)探索消除帶狀組織的方法。

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

馬氏體時效鋼是一種低碳高合金鋼，本文中馬氏體時效鋼經(jīng)ICP等離子體發(fā)射光譜儀分析的成分如表1所示。

 高合金鋼在熔鑄過程中易產(chǎn)生晶間偏析，這種化學(xué)成分的不均勻性是鍛造過程中產(chǎn)生帶狀組織的一個主要原因，因?yàn)殇撘涸阼T錠結(jié)晶過程中選擇性結(jié)晶、各種溶質(zhì)原子的溶解度不同、合金成分密度差異等因素形成了化學(xué)成分呈不均勻分布的枝晶組織，這種組織在高溫均勻化處理時因合金元素的擴(kuò)散而得到一定程度的緩解，但是由于鑄錠中的空位、位錯等缺陷的密度較低，這些缺陷所提供的晶格畸變能并不能為大量的溶質(zhì)原子均勻擴(kuò)散提供足夠的能量，材料中碳的擴(kuò)散速度比其他合金元素的擴(kuò)散速度快得多，碳很容易均勻化，但Co、Ni等合金元素不易均勻化。因此鑄錠中的大部分粗大樹枝晶會在鍛造時沿變形方向被拉長，并逐漸與變形方向一致，并在一定程度上仍保留著枝晶偏析從而形成碳及合金元素的貧化帶彼此交替堆疊。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，它們的性能也不相同，在外力作用下性能低的帶容易暴露出來，而且強(qiáng)弱帶之間會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成了總體力學(xué)性能降低，并具有明顯的各向異性。因此有必要采取適當(dāng)?shù)奶幚韥頊p少或消除帶狀組織。

1.1 控制帶狀組織缺陷的工藝方案探索 

（1） 綜合鍛造。經(jīng)過單一方向上的鍛造后帶狀組織雖然在后續(xù)的熱處理后會有所減少，但是難以消除。因?yàn)閹罱M織內(nèi)合金元素的擴(kuò)散方向只是平行于鍛造方向，不能在三位空間內(nèi)均勻擴(kuò)散，這樣勢必會影響合金元素的充分?jǐn)U散，其原因可能是相同條件下單一方向鍛造的鍛造比較綜合鍛造的要小。為此本試驗(yàn)采用綜合鍛造（徑向十字鐓拔＋軸向拔長和鐓粗）來減少或消除合金內(nèi)部的帶狀組織。圖1是鍛件坯料的三維示意圖，鍛造成型的工藝流程為：①沿Ｚ軸方向鐓粗；②沿Ｙ軸方向拔長、再鐓粗；③沿Ｘ軸方向拔長、再鐓粗；④沿Ｚ軸方向拔長成型。該鍛造工藝有利于提高鍛件的力學(xué)性能和減小力學(xué)性能的異向性，使鍛件中的帶狀組織進(jìn)一步變形或破碎，使之在三維空間內(nèi)分布更均勻。由于帶狀組織的壓縮碎化，減小了其擴(kuò)散的距離，這能提高隨后熱處理中的組織均勻化。綜合鍛造后通過金相照片（如圖2）發(fā)現(xiàn)鍛件的帶狀組織黑白相間的帶狀組織有較為明顯的碎化現(xiàn)象。

 這說明綜合鍛造來碎化帶狀組織的方法是較為有效的。雖然綜合鍛造能使鍛件的帶狀組織明顯碎化，但要徹底消除帶狀組織、獲得理想的均勻化馬氏體組織?還必須進(jìn)行后續(xù)的工藝處理?！?/span>

（2） 熱處理優(yōu)化制度。由于鍛件中的帶狀組織已經(jīng)在綜合鍛造時基本碎化，要想使之徹底消除，就要使其充分地溶解到基體中去，因此從熱處理的角度來看，要消除帶狀組織就要進(jìn)行高溫均勻化處理，使碎化后的帶狀組織中的合金元素充分?jǐn)U散。故本文擬采用高溫固溶處理的方法，進(jìn)一步消除帶狀組織。

1.1.1 確定高溫固溶溫度   

本文選擇的固溶溫度為800℃、900℃、1050℃、1150℃，均保溫1h，初步確定最佳的高溫固溶溫度。不同固溶溫度下的金相組織如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著固溶溫度升高，當(dāng)溫度為800℃時（圖3（ａ）），帶狀組織較未綜合鍛造前，其帶間距有一定的減小，但是還沒有明顯消除，組織中還存在一定的帶狀組織。當(dāng)溫度升高到900℃時（圖3（ｂ）），部分帶狀組織已經(jīng)溶解到奧氏體基體中，帶狀組織明顯減少。溫度升高到1050℃時（圖3（ｃ）），帶狀組織已基本消除，且組織較為細(xì)小均勻，然而隨著溫度的升高，晶粒也進(jìn)一步長大，特別是在1150℃時晶粒異常長大（圖3（ｄ）），這會影響后續(xù)熱處理的質(zhì)量，由于固溶時組織較為粗大，在時效時形成的馬氏體晶粒也相應(yīng)增大，對材料的力學(xué)性能造成不利的影響。綜合以上分析，確定最佳固溶處理溫度為1050℃，因?yàn)榇藭r不但帶狀組織已被基本消除而且晶粒細(xì)小均勻。

1.1.2 確定高溫固溶時間    

該種材料在固溶溫度大于800℃時組織才能完全奧氏體化，但是如果溫度過高或者保溫時間過長，組織會過度長大，對材料的性能帶來不利影響，因此本次實(shí)驗(yàn)選取的常規(guī)固溶制度為820℃×1ｈ，在常規(guī)固溶制度確定的條件下還需進(jìn)一步確定其高溫固溶時間，這樣才能得到完整的熱處理制度。在常規(guī)固溶制度和高溫固溶溫度不變的情況下，本次實(shí)驗(yàn)選擇3個不同的高溫固溶時間分別是1ｈ、2ｈ、4ｈ，來確定最佳的高溫固溶時間。其各自的金相組織如圖4所示。

從圖可以看出，圖4（ａ）中組織還未達(dá)到充分均勻，而圖4（ｃ）中組織又過于粗大，對材料時效后的強(qiáng)度均有不利的影響。鍛件在1050℃ ×2ｈ＋820℃ ×1ｈ處理時，組織和成分最均勻（圖4（ｂ）），這也為時效過程中金屬間化合物的均勻彌散析出提供了最好的條件。對材料的強(qiáng)度提高起到了一定促進(jìn)作用。因此本文確定材料的最佳的熱處理制度為1050℃保溫2ｈ。

1.2 材料消除帶狀組織前后力學(xué)性能 

通過上述的綜合固溶處理，鍛件的帶狀組織被基本碎化或消除，但是還不能確定該種方法對材料的力學(xué)性能有何種影響。故對試驗(yàn)材料進(jìn)行時效處理（480℃、不同時間），通過測量材料的硬度，確定綜合熱處理優(yōu)化制度對材料的力學(xué)性能的影響，材料經(jīng)過不同熱處理制度所獲得的硬度見圖5。

從圖5中可以看出，材料在消除帶狀組織前后，雖然硬度都在時效4ｈ后達(dá)到最大值，但是經(jīng)過綜合熱處理優(yōu)化后，材料的硬度有所上升。這是由于在綜合固溶處理過程中，帶狀組織碎化或消除后，材料的組織和成分更加均勻，時效時析出物也更加彌散分布，對硬度的增加起到了一定的促進(jìn)作用。

2結(jié)論

（1）馬氏體時效鋼在鍛造過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的帶狀組織，該組織對材料的力學(xué)性能造成不利的影響。

（2）采用徑向十字鐓拔＋軸向拔長和鐓粗的鍛造工藝可以使馬氏體時效鋼鍛件中的帶狀組織基本碎化，為高溫均勻化處理徹底消除帶狀組織奠定了良好的組織基礎(chǔ)。

（3）通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韮?yōu)化制度（1050℃ ×2ｈ）可使材料的帶狀組織基本碎化或消除、使組織和成分細(xì)小均勻，有效地改善了材料的力學(xué)性能。