“美玉微瑕”的奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢凭借其优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很大温度范围内的优良韧性等一系列优点，广泛地应用于核能、化工、食品、制药和生物医学等各领域中。但是，由于奥氏体不锈钢含碳量低，因此需要在保证其良好综合性能的同时需要采取一些强化措施来提高其表面强度。
低温气体渗碳技术
低温气体渗碳是近十几年发展起来的新型奥氏体不锈钢表面强化技术。由于其优异的性能引起了国内外广泛研究兴趣，但试验材料均处于理想状态，并未考虑塑性变形对低温气体渗碳的影响，而实际生产过程中，奥氏体不锈钢在零部件的加工制造过程中要经过冷轧、冷拔、冷弯、平整及矫正等冷加工工艺，这将导致材料发生塑性变形。
因此，今天我们将带大家来了解塑性预应变将会对304奥氏体不锈钢低温气体渗碳效果造成怎样的影响。
试样
1. 试验材料
商用热轧304奥氏体不锈钢，1080℃固溶处理。
2. 化学成分（wt.%）
0.035C、18.64Cr、8.01Ni、1.10Mn、0.436Si、余Fe
3. 试样制备
切割拉伸（拉伸试样尺寸如图1所示。）→机械研磨→电解抛光→清洗→去离子水冲洗→吹干。
图1 室温拉伸试样尺寸
从拉伸试样中间平行段线切割10×12.5×6mm的试样，置于渗碳炉中进行低温气体渗碳。渗碳工艺分为表面活化和渗碳两个阶段。
试验方法
1. 显微组织形貌观察；
2. 硬度测量；
3. 残余应力测量；
4. XRD分析。
结果与讨论
01
预应变后的显微结构以及物相
由图2可知，未变形的组织为单一的奥氏体组织，晶界清晰，组织的均匀性良好。而随着预应变量的增加，奥氏体组织中出现了明显的孪晶、滑移带和板条状的马氏体。
图2 304不同预应变后304不锈钢的显微组织
由图3可知，在塑性变形过程中，随着变形量的增加，304奥氏体不锈钢中出现了奥氏体γ向α´马氏体的转变。
图3 不同预应变后304不锈钢的XRD谱
从图4中可以看出，304不锈钢中α´马氏体的体积分数随着塑性预应变的增加而增大，当预应变小于15%时，α´马氏体的体积分数缓慢增加，预应变在15%～25%时，α´马氏体的体积分数迅速增加。这表明304不锈钢在塑性变形过程中，形变诱导了马氏体相变，导致产生铁磁性。
图4 预应变与α´马氏体体积分数的关系
02
渗碳层的形貌及硬度
从图5可以看出，渗碳后，304不锈钢表面均形成了一层明显的渗碳层，渗碳层厚度均匀，呈亮白色，与心部的奥氏体组织有明显的区别；渗碳层厚度并没有随着预应变的增大而增加，这表明在马氏体增多的情况下，碳原子的扩散并没有得到明显加强。
此外，渗碳层中的马氏体消失，转变为了扩张奥氏体(γC)，与原有扩张奥氏体相没有区别。
对预应变后的304奥氏体不锈钢分别进行40，70，150min的渗碳处理，试样的XRD谱如图6所示。由图6可知：渗碳初期由于碳原子的溶解，奥氏体和α´马氏体的衍射峰强度都降低；随着渗碳时间的延长，γ的(111)峰强度增加，α'的(110)峰强度减弱。
图5 渗碳层金相显微形貌
图6 预应变后304不锈钢在470℃下渗碳不同时间后的XRD谱
图7 渗碳前后304不锈钢表层的XRD谱
从图7中可以看出，渗碳不锈钢表层的γC衍射峰变宽，且均向小角度方向偏移，这主要是由于碳原子的大量渗入导致表层奥氏体面心立方晶格常数及晶面间距增大。另外，还可以看到α´（110）峰消失，这与渗碳层的显微形貌结果相一致，渗碳层中马氏体转变为扩张奥氏体(γC)。
图8 渗碳AISI304试样的硬度和残余应力
由图8可见，渗碳不锈钢表面的超饱和奥氏体相表现出了超高的硬度（约为900HV）和压缩残余应力（约为-1500MPa）。亮白色的渗碳层具有高硬度特征，表面硬度的增大可以大幅提高表面的耐磨性能和耐摩擦性能。
很显然，渗碳不锈钢的表面硬度和残余应力与预变形的程度无关。这也就是说，预应变304不锈钢经低温气体渗碳后的强化机理主要还是因为间隙碳原子的固溶强化，即碳浓度增加到一定程度时，过饱和固溶于表层奥氏体中的碳原子会导致晶格畸变，同时形成大量孪晶、堆垛层错等晶体缺陷，导致位错密度的增加，对表面起到了冷作硬化的效果。因此，预应变对304奥氏体不锈钢低温气体渗碳的表面强化效果没有影响。
结论
（1）室温下，经塑性拉伸变形后的304奥氏体不锈钢组织中出现了α´马氏体；预应变小于15%时，钢中α´马氏体的体积分数缓慢增长，预应变超过15%后，α´马氏体的体积分数迅速增加。
（2）预应变不会影响304奥氏体不锈钢低温气体渗碳层的厚度，且渗碳层中的马氏体会转变为扩张型奥氏体。
（3）预应变对304奥氏体不锈钢造成的形变和相变不会影响低温气体渗碳的效果，这说明低温气体渗碳表面强化方法可以应用到实际已发生塑性变形的奥氏体不锈钢零部件上。
选自：《机械工程材料》 Vol.41 2017.5
作者：付明辉，硕士研究生，南京工业大学机械与动力工程学院
