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马氏体时效硬化不锈钢以其优异的综合性能广泛应用于航空、航天及海洋等领域,但其强度在进一步提高的同时其塑韧性明显下降而导致强韧性不匹配。因此,本文所用钴-铜合金化马氏体时效硬化不锈钢是在典型15-5PH不锈钢基础上进行合金成分再设计,通过控制碳在超低水平0.03%;添加战略合金元素钴在9.7%水平,并保持微合金成分不变,依靠纳米级ε-Cu相的时效强化,再辅以其它微量元素的沉淀增强,从而通过超低碳板条马氏体、逆变奥氏体和沉淀析出相结合的多相微结构组织达到改善强韧性匹配的目的。本文利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪对钴-铜合金化马氏体时效硬化不锈钢进行微观组织分析,通过拉伸和硬度试验测定其力学性能,围绕钴-铜合金化与时效制度(425oC~600oC,1h~8h)优化对马氏体与逆变奥氏体转变和ε-Cu纳米相析出行为的影响规律和强韧化机理进行研究,以期为实际应用提供理论指导和依据。通过试验研究得到以下结论:钴-铜合金化马氏体时效硬化不锈钢具有位错亚结构的板条马氏体、逆变奥氏体和纳米富铜相的复相组织结构。钴-铜合金化使得高温铁素体和有害脆性SIGMA相消失,Co元素主要固溶于基体组织中,通过固溶强化作用提高材料强度。钴元素使得原始奥氏体晶粒和马氏体板条尺寸更细小,并且在相同时效条件下残余奥氏体与逆变奥氏体含量更高;基体中铜的固溶度更高,能够细化ε-Cu相;此外,马氏体时效硬化不锈钢的强硬度高,而延伸率提高,说明钴-铜合金化能够通过细晶强化、时效强化和奥氏体韧化共同作用改善材料的强韧性。时效制度优化研究表明,随时效温度升高,试验钢显微硬度逐渐下降,抗拉强度与屈服强度先提高后降低,延伸率不断升高,屈强比则先升高后降低。基体中马氏体板条宽化,逆变奥氏体体积分数增加,马氏体与逆变奥氏体符合K-S关系,即[11—0]γ∥[111]M,(111)γ∥(011)M;球形富铜相析出量及尺寸显著增加,并且有短棒状的粗化形态出现。随时效时间延长,试验钢的硬度和强度均迅速升高后降低,变化趋势一致;而延伸率先不变后增加。富铜相短时时效析出并不明显,随时效时间延长,有大量小尺寸的富铜相于基体中弥散析出,尺寸达到17nm。研究表明,钴-铜合金化马氏体时效硬化不锈钢最佳时效处理制度为475℃时效5h,试验钢具有良好的复相组织,此时板条马氏体尺寸约为0.1~0.5μm,内部缠结位错密度极高;马氏体边界处平行分布着薄膜状的逆变奥氏体,逆变奥氏体含量为1.4%,与马氏体的层状结构通过位错强化与奥氏体韧化作用有效提高塑韧性,也不至于损失过多强度;富铜相尺寸约为4 nm,均匀分布于马氏体基体钉扎位错,保证时效强化效果;复相组织结构通过位错强化与奥氏体韧化作用有效提高塑韧性,此时显微硬度为426.4 HV、抗拉强度为1255 MPa、屈服强度为1122 MPa、延伸率达到15.5%。