以2Cr13馬氏體不銹鋼為研究對象，利用金相顯微技術(shù)、硬度測試和常溫拉伸等方式研究了不同鎳含量對2Cr13馬氏體不銹鋼微觀組織和綜合性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，2Cr13馬氏體不銹鋼在單相奧氏體區(qū)軋制后空冷即可獲得全馬氏體組織，當(dāng)w_[Ni]為0.1%時(shí)，馬氏體板條較為粗大。隨著w_[Ni]增加到0.3%，熱處理后的硬度提高10HRC，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率從614MPa、748MPa、30%分別增加到670MPa、797MPa、33%。通過提高回火溫度和保溫時(shí)間可以進(jìn)行2Cr13馬氏體不銹鋼力學(xué)性能的調(diào)整，以滿足不同的訂單要求。

     試驗(yàn)材料是310mm×310mm斷面坯料，鑄坯采用電爐冶煉，爐容量為90t，獲得的鑄坯重量為1.16t，經(jīng)環(huán)形爐1240℃加熱、穿孔、連軋（終軋溫度為850℃）、定徑、分切、矯直，成品為244.48mm（外徑）×11.99mm（壁厚）的馬氏體組織鋼管，其化學(xué)成分見表1。

      針對上述熱軋鋼管，先在1200℃進(jìn)行淬火加熱，出爐后空冷即可獲得馬氏體組織。然后進(jìn)行回火溫度的研究，回火工藝采用步進(jìn)式加熱爐，加熱爐分為預(yù)熱段、加熱段、保溫段三段式。對淬火鋼管進(jìn)行785~800℃的高溫回火，回火保溫時(shí)間均為75min，回火爐溫度見表2。高溫回火后經(jīng)熱矯直、幾何尺寸檢查、超聲波探傷達(dá)到需要的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，鋼管力學(xué)性能要求：屈服強(qiáng)度557~650MPa，抗拉強(qiáng)度≥ 655MPa，伸長率≥23%，洛氏硬度14~23HRC。

      由于鎳含量的變化導(dǎo)致該棒材熱處理后的力學(xué)性能波動較大，不滿足訂單要求，故針對鎳含量的變化對2Cr13馬氏體不銹鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響做了一系列研究。首先，采用JMatPro熱力學(xué)分析軟件對2Cr13馬氏體不銹鋼的平衡相圖進(jìn)行計(jì)算。然后，對軋制的無縫鋼管進(jìn)行熱處理，進(jìn)行顯微組織觀察、硬度測試和單向拉伸性能測試，性能檢測均取3個(gè)試樣取其平均值。金相制備經(jīng)磨拋后采用科勒試劑進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為40s，金相組織觀察與拍照在Zeiss光學(xué)顯微鏡上完成。同時(shí)，對兩種鎳含量的鋼管進(jìn)行回火工藝研究，方案1的無縫鋼管回火溫度785℃保溫70min后空冷。方案2 的無縫鋼管將回火溫度升高為800℃，保溫時(shí)間仍為70min。最后，對不同熱處理工藝下的試樣進(jìn)行取樣觀察、硬度測試和拉伸性能測試，力學(xué)性能均取3個(gè)試樣，測量取平均值。硬度測量采用洛氏硬度計(jì)，每個(gè)樣品上取三個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行硬度測量。室溫拉伸試驗(yàn)在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，拉伸速度為3mm/min。

3.1 鎳含量對淬火后組織和性能的影響

　　圖1所示為采用JMatPro 軟件進(jìn)行計(jì)算得到的2Cr13馬氏體不銹鋼的平衡相圖，可見單相奧氏體相區(qū)的溫度范圍為955~1212℃，高于此溫度范圍會有鐵素體形成，而低于此溫度范圍會有M₂₃C₆產(chǎn)生。

     因此，該材料在1200℃出爐進(jìn)行軋管時(shí)處于單相奧氏體相區(qū)，具有較好的塑性變形能力，變形后經(jīng)淬火可獲得馬氏體組織，保證鋼管力學(xué)性能。于是，本文選擇的淬火加熱溫度為1200℃。     

     圖2所示為兩種鎳含量的2Cr13馬氏體不銹鋼在1200℃出爐軋管后空冷的金相組織，由圖可見該材料從單相奧氏體相區(qū)空冷即可獲得全部的馬氏體組織，但是組織中還存在大量軋制流線，從圖2(a) 和2(b) 所示的低倍組織看不出鎳含量導(dǎo)致的差別。而圖2(c) 和2(d) 所示的高倍組織中可以看出板條馬氏體的形態(tài)，含鎳量為0.1% 的2Cr13 馬氏體不銹鋼中馬氏體板條粗大，且含鎳量為0.3%的2Cr13馬氏體不銹鋼中晶粒尺寸更小。鎳含量從0.1% 增加到0.3%時(shí)，回火后晶粒尺寸從17.3μm降低到9.8μm，這應(yīng)該是由于鎳的添加導(dǎo)致晶粒細(xì)化的原因。鎳含量為0.1% 的2Cr13平均硬度值為47HRC，而鎳含量0.3%的2Cr13平均硬度值為50HRC，硬度值的略微提高是來自于鎳的細(xì)化晶粒以及提高淬透性的作用。

3.2 鎳含量對回火后組織和性能的影響

   　圖3所示為兩種鎳含量的2Cr13馬氏體不銹鋼回火后的金相組織，其中圖3(a) 和3(b) 所示為經(jīng)相同的回火工藝（785℃、70min、空冷）處理后的金相組織，兩圖中均保留了部分板條馬氏體的形態(tài)，析出一定數(shù)量的碳化物，更接近回火屈氏體組織。根據(jù)前面的平衡相圖也可以驗(yàn)證，在該溫度范圍內(nèi)回火會產(chǎn)生M23C6 型碳化物。大部分晶粒還保留馬氏體板條束的取向特征，并且圖3(b) 中的晶粒明顯更加細(xì)小，約為10.4μm，這與上文中兩種材料淬火后的晶粒尺寸大小是一致的。洛氏硬度結(jié)果表明，含鎳量為0.3%的2Cr13 馬氏體不銹鋼的硬度值較高，為31HRC，而含鎳量為0.1%的2Cr13馬氏體不銹鋼的硬度值僅為21HRC，由此可見微量Ni 的強(qiáng)化作用在經(jīng)回火處理后更為明顯。為滿足訂單要求，將含鎳量為0.3%的2Cr13回火處理工藝調(diào)整為800℃、70 min、空冷，獲得的顯微組織中馬氏體形態(tài)基本消失，顆粒狀碳化物增加，表現(xiàn)為明顯的高溫回火索氏體組織形貌，見圖2(c) 所示。同時(shí)，經(jīng)該回火工藝處理后其硬度值降低為23HRC，這是因?yàn)樵诮?jīng)調(diào)整后的回火工藝處理時(shí)，較高的回火溫度有利于合金的擴(kuò)散，導(dǎo)致馬氏體過飽和程度進(jìn)一步降低，合金以碳化物的形成存在，故而降低材料的硬度值。

     經(jīng)室溫下的單向拉伸試驗(yàn)獲得兩種鎳含量2Cr13鋼回火后的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的具體數(shù)值，其結(jié)果見表3。隨著鎳含量從0.1% 增加到0.3%，2Cr13馬氏體不銹鋼經(jīng)785℃、70min 回火后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率從614MPa、748MPa、30% 增加到670MPa、797MPa、33%，強(qiáng)度值明顯提高。將鎳含量為0.3%的2Cr13馬氏體不銹鋼回火工藝調(diào)整為800 ℃、70min，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率為619MPa、755MPa、31%，可以獲得與鎳含量為0.1%的2Cr13馬氏體不銹鋼相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能指標(biāo)，較高的回火溫度一定程度上降低了2Cr13馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度。

     此外，拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)改變鎳含量或熱處理溫度，2Cr13試樣的伸長率變化不明顯，均保持在30%~33%，說明該材料在改變鎳含量或回火溫度條件下對伸長率不敏感，但會明顯改變強(qiáng)度指標(biāo)。綜上，鎳含量對2Cr13馬氏體不銹鋼的顯微組織和力學(xué)性能都有明顯的影響，不僅可以提高材料的淬透性、降低晶粒尺寸，而且可以改變材料的強(qiáng)韌性，提高綜合性能。有些合金的添加可以提高材料的強(qiáng)度，但往往是以犧牲塑韌性為代價(jià)。也有研究表明，添加適量的鎳、鉬等合金能明顯提高2Cr13馬氏體不銹鋼的力學(xué)及耐CO₂腐蝕性能。針對2Cr13型馬氏體不銹鋼，可以通過熱處理工藝調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鎳添加的強(qiáng)韌化作用。