热处理对9Ni钢/S30408不锈钢复合板性能影响及作用机制的分析

《Materials & Design》：Analysis of the influence and mechanism of heat treatment on the performance of 9Ni Steel/S30408 SS composite plates

两相复合板制备及热处理工艺优化研究。采用两步热轧工艺制备9Ni钢/S30408不锈钢复合板，系统对比淬火-回火（QT）与淬火-中间退火-回火（QLT）工艺对复合板力学性能及微观结构的影响。实验表明，QLT工艺使复合板剪切强度提升至465.98MPa，抗拉强度达654.9MPa，延伸率53.41%，断裂应变49.53%，显著优于QT工艺。微观分析显示，QLT通过形成willow-leaf形逆奥氏体、细化晶粒、增加晶界取向差及Cr23C6析出，协同优化基体与界面性能，有效平衡强度与塑性。复合板界面结合强度与基体变形协调性提升，为LNG储罐等低温设备材料开发提供新路径。

　　这项研究聚焦于9Ni钢与S30408不锈钢（S30408 SS）复合板的制造和性能优化。由于9Ni钢具有良好的低温韧性、高强度和低热膨胀系数，其在液化天然气（LNG）储罐等低温设备中广泛应用。然而，其成本较高且抗腐蚀性能有限，而S30408 SS虽然具备优良的抗腐蚀能力、成形性和焊接性，但其屈服强度相对较低，这使得开发兼具高性能和成本效益的9Ni钢/S30408 SS复合板成为关键。通过采用两道次热轧工艺制造复合板，并系统分析淬火-回火（QT）和淬火-临界淬火-回火（QLT）等热处理工艺对复合板的机械性能和微观结构的影响，研究人员发现QLT处理能够显著提升复合板的性能表现，特别是在强度和延展性方面。

研究结果显示，经过QLT处理的样品表现出最佳的机械性能：剪切强度达到465.98 MPa（超过QT处理的413.99 MPa），抗拉强度提升至654.9 MPa（比QT处理提升了7.8%），而延展率和断裂应变均比未处理状态提升了两倍，分别达到53.41%和49.53%。这些性能的提升表明，QLT处理不仅改善了复合板的强度，还显著增强了其塑性。微观结构分析进一步揭示了QLT处理在提升复合板性能中的关键作用，如促进了均匀再结晶、增加了晶内取向差异以及减少了内部应力。这些变化使得QLT处理的复合板实现了优异的强度-延展性平衡，特别是在延展性方面表现突出。

在9Ni钢层中，QLT处理产生了独特的细长、柳叶形的反向奥氏体，并且在S30408 SS晶界处促进了更密集的Cr??C?析出。这些微观结构的变化表明，QLT处理通过协调基体细化和界面优化，实现了复合板强度和塑性的协同增强。相比之下，QT处理虽然也能改善复合板的性能，但其对界面强度和延展性的提升效果不如QLT处理。这说明QLT处理在维持较高界面结合强度和延迟分层方面具有更显著的优势。

在实验过程中，研究人员使用了多种方法来分析复合板的性能和微观结构，包括剪切和拉伸测试、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）以及X射线衍射（XRD）。通过这些手段，他们能够观察到不同处理方式下复合板界面的微观结构变化。例如，SEM图像显示，QLT处理后，界面处的元素扩散距离更长，减少了界面空洞的形成，从而提升了界面剪切强度。而EBSD分析则揭示了QLT处理显著增加了9Ni钢层和S30408 SS层的高角度晶界比例，表明该处理方式能够有效减少晶内应力，促进晶界迁移，并改善材料的力学性能。

在分析不同处理方式对复合板基体成分的影响时，研究人员发现QLT处理能够促进反向奥氏体的形成和分布。反向奥氏体作为一种稳定的奥氏体相，能够吸收和缓解内部应力，从而提高材料的韧性。通过XRD技术，研究人员计算了反向奥氏体的体积分数，并发现QLT处理后反向奥氏体的含量比QT处理更高，同时碳含量也有所增加，这表明QLT处理更有效地促进了合金元素向奥氏体的迁移，增强了其稳定性。此外，QLT处理后的反向奥氏体在微观结构上呈现出更密集和连续的分布，不仅有助于提升材料的塑性，还能增强其在低温环境下的韧性。

对于S30408 SS层，QLT处理同样带来了显著的微观结构变化。热处理过程中，S30408 SS的晶粒尺寸增大，同时形成了更多的孪晶结构和更密集的Cr??C?析出。这些变化不仅提升了S30408 SS的强度，还增强了其抗裂纹扩展能力。研究发现，QLT处理后的Cr??C?析出体尺寸更小，分布更密集，从而有效提高了S30408 SS的综合性能。这些析出体在裂纹传播过程中起到阻隔作用，增加了裂纹扩展路径，提高了材料的韧性。

从热处理的形成机制来看，QT和QLT处理的差异主要体现在处理步骤和温度控制上。QT处理包括淬火和回火两个阶段，而QLT处理则在淬火后加入了一个临界淬火步骤。临界淬火能够进一步促进元素的扩散和再分配，从而增强反向奥氏体的稳定性，并在S30408 SS晶界处形成更密集的Cr??C?析出。这种结构上的优化使得QLT处理的复合板在整体性能上优于QT处理的样品。

综上所述，该研究通过系统分析QT和QLT两种热处理方式对9Ni钢/S30408 SS复合板性能和微观结构的影响，揭示了QLT处理在提升复合板综合性能方面的优势。QLT处理不仅改善了9Ni钢层的反向奥氏体分布和晶界结构，还优化了S30408 SS层的晶粒大小和析出物分布，从而实现了材料强度和韧性的协同增强。这些发现为9Ni钢/S30408 SS复合板的热处理工艺优化提供了重要的理论依据和实验支持。