固溶处理对00Cr12Ni10MoTi钢强度-韧性平衡的影响：室温与77 K下力学行为的对比分析

《Materials Advances》：Influence of solution treatment on the strength-toughness balance of 00Cr12Ni10MoTi steel: Comparative analysis of room-temperature and 77 K mechanical behavior

低温溶液处理促进00Cr12Ni10MoTi不锈钢残余奥氏体（RA≈16%）和纳米级Ni3Ti析出物形成，细化马氏体结构，实现室温（1025.50 MPa）和低温（1276.00 MPa）高强度与高韧性（165.00 J/75.20 J）协同，机理为高角度晶界（HAGBs）三维网络阻裂及低温相变增韧。

　　

高家斌|周玉成|陈冲|周莉|周旺|徐柳杰

河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳471023，中国

摘要

为了获得00Cr12Ni10MoTi钢的强度-韧性平衡，在500°C时效处理之前设计了不同的固溶处理温度（750–900°C）。分析了热处理过程中的微观结构演变，并研究了其在室温和77K下的力学行为及强化-韧性机制。结果表明，较低温度（750°C）的固溶处理能够提高奥氏体含量（约16%）和更精细的马氏体层次结构（D块尺寸为5.23μm），并在马氏体基体中形成许多纳米级的Ni?Ti沉淀物。力学测试结果显示，经过较低温度固溶处理的钢材在室温和低温（77K）下均表现出较高的强度和韧性组合。室温下的屈服强度达到1025.50 MPa，低温下的屈服强度达到1276.00 MPa。冲击韧性在室温下约为165.00 J，在低温下约为75.20 J。研究表明，较低温度固溶处理的00Cr12Ni10MoTi钢的低温韧性保持得益于两种相互关联的机制：（1）高角度晶界（HAGBs）形成三维障碍网络，通过晶界钉扎效应有效偏转和分叉裂纹；（2）亚稳态残余奥氏体（RA）在77K下通过应力诱导的马氏体转变（TRIP效应）和内在延展性贡献实现韧性增强。通过分析强度贡献，发现钢材的超高强度主要来源于位错、晶界、沉淀物和摩擦应力等多种强化效应的综合作用。低温下屈服强度的提高主要是由于摩擦应力的温度依赖性。

引言

低温马氏体时效不锈钢（CMSS）属于一类特殊钢材，其性能可通过热处理进行调整，使其成为一种可硬化的不锈钢。与传统低温钢材相比，CMSS具有更高的强度、更好的室温韧性和耐腐蚀性。因此，CMSS已成为高强度不锈钢系列中用于低温应用的最有前景的钢材类型[1,2]。它广泛应用于苛刻的海洋和航空航天领域，以及低温容器、管道、阀门和储罐的制造——例如用于液氮和液氢的储罐[[3], [4], [5]]。00Cr12Ni10MoTi不锈钢因其高强度和韧性以及优异的机械性能（在室温和低温环境下均保持稳定）而在众多CMSS材料中脱颖而出[[6], [7], [8]]。这种材料通常适用于低温结构应用，使用温度可低至-196°C（77K）。

然而，这些钢材在时效处理过程中析出的金属间化合物虽然提高了强度，但也引入了脆性相，从而降低了低温韧性，限制了其应用范围。最有效的韧性增强方法通常包括细化晶粒尺寸[9]和优化残余奥氏体（RA）与逆转变奥氏体的含量[[10], [11], [12]]。细化晶粒通常用于小截面部件，而后者（奥氏体优化）则是处理大尺寸部件的科学基础。

先前的研究[[13], [14], [15]]表明，降低固溶处理温度可以有效增加CMSS中的残余奥氏体含量，从而提高室温和低温条件下的韧性。例如，C. R. Anoopty的研究表明，对12Cr10Ni马氏体时效不锈钢进行低温固溶处理不仅增加了残余奥氏体的量，还细化了原有的奥氏体晶粒，使得室温下的冲击韧性达到140 J，低温下的冲击韧性达到50 J[13]。然而，可获得的残余奥氏体量有限，这限制了韧性的进一步提高。相比之下，张等人提出了一种双固溶处理工艺（高温预固溶后进行低温正常固溶），该工艺在冷却过程中保留了更多的残余奥氏体，进一步提高了低温韧性，但以牺牲强度为代价，未能实现最佳的强度-韧性平衡[16]。为了解决这一问题并充分利用材料的潜力，本研究在双固溶处理工艺的基础上，重点分析了固溶温度对00Cr12Ni10MoTi不锈钢力学性能和微观结构的影响，在室温和77K下均实现了理想的强度和韧性组合。该材料的室温强度超过1000 MPa，低温强度达到1250 MPa，同时保持室温冲击韧性超过150 J，低温韧性达到70 J。

测试材料与制备方法

本研究选用的材料是40公斤的00Cr12Ni10MoTi马氏体时效硬化不锈钢锭，采用真空感应熔炼（VIM）后电渣重熔（ESR）工艺制备。均质化处理后，将其热锻成截面面积为100 mm × 100 mm的方形棒材。将锻造后的方形棒材切割成尺寸为12 mm × 12 mm × 75 mm的试样。

奥氏体晶粒演变

锻造后的微观结构显示出显著的晶粒尺寸不均匀性和混合晶粒现象（图2(a)）。通过后续的热处理工艺优化微观结构，有望实现材料强度和韧性的协同提升[19]。在750°C的固溶处理过程中，锻造后保留的许多粗大变形晶粒经历了回复和再结晶，逐渐转变为更细小的晶粒。

多尺度协同低温韧性增强

为了进一步阐明固溶温度对00Cr12Ni10MoTi钢低温韧性的影响机制，对冲击断裂截面进行了EBSD分析，如图10所示。随着固溶温度的降低，马氏体片层结构变得更加精细，从而形成了更高比例的高角度晶界（HAGBs）。如图11所示，这种网络显著

结论

通过多尺度表征和对比分析，研究了固溶温度对00Cr12Ni10MoTi马氏体时效不锈钢力学性能和微观结构的影响，得出以下主要结论：

(1)

经过双固溶处理（DST）工艺的00Cr12Ni10MoTi马氏体时效钢在750°C固溶处理条件下表现出优异的室温和低温（77K）力学性能。

CRediT作者贡献声明

高家斌：撰写 – 原稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构思。周玉成：数据可视化、验证、资源协调、项目管理、正式分析、数据整理。陈冲：验证、监督、资源协调、项目管理。周莉：撰写 – 审稿与编辑。周旺：撰写 – 审稿与编辑。徐柳杰：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了河南省重点研发项目（编号231111230400）和龙门实验室重大科技项目（编号231100220400）的支持。