温锻拉伸加工1Cr17Ni2马氏体不锈钢的强韧化机制与协同效应研究

《Journal of Materials Science & Technology》：Strengthening and toughening mechanism and synergistic effect of 1Cr17Ni2 martensitic stainless steel processed by warm forging stretching

为解决马氏体不锈钢固有的强韧性倒置难题，本研究创新性地采用温锻拉伸（WFS）与淬火-回火（QT）相结合的热机械处理工艺，系统探究了其对1Cr17Ni2钢微观组织演变及强韧协同的影响。研究结果表明，WFS处理通过晶粒细化（90%变形时平均晶粒面积减少75.2%）、M23C6纳米碳化物球化析出及α纤维织构形成，显著提升了材料综合性能：抗拉强度提升159-201 MPa（达1.19 GPa），同时保持14%以上的均匀延伸率，尤其在-60°C低温下冲击吸收能量仍可达~100 J。该工作为突破马氏体不锈钢在极端工况下的应用瓶颈提供了新的工艺方案和理论依据。

　　

在航空航天、海洋工程等高端装备领域，结构材料不仅需要承受极端载荷，还需应对苛刻的腐蚀环境。马氏体不锈钢（Martensitic Stainless Steel, MSS）因其优异的强度、耐磨性和耐腐蚀性，成为关键部件的首选材料。其中，1Cr17Ni2钢更是被广泛应用于飞机起落架、高压阀门等关键承力部件。然而，一个长期困扰材料学家的“魔咒”始终存在：强度与韧性往往难以兼得。这种固有的强韧性倒置（Strength-Toughness Trade-off）关系，尤其在低温、动态载荷等极端条件下更为突出，严重制约了材料的可靠性和使用寿命。传统的淬火-回火（Quenching-Tempering, QT）工艺虽能调整强度，但易导致粗大的原奥氏体晶界、带状δ-铁素体以及不均匀的碳化物分布，使得韧性难以满足日益苛刻的工业应用需求。如何打破这一“魔咒”，实现强度与韧性的协同提升，成为高性能马氏体不锈钢研发的核心挑战。

面对这一挑战，热机械处理（Thermomechanical Processing, TMP）技术展现出巨大潜力。它通过塑性变形与热处理的有机结合，实现对材料微观结构的“精雕细琢”。温变形（Warm Deformation）作为一种介于热加工与冷加工之间的过渡技术，能够在变形过程中同步实现晶粒细化、织构控制和析出相调控。然而，将温锻拉伸（Warm Forging Stretching, WFS）——一种结合了温锻和定向拉伸的工艺——应用于1Cr17Ni2马氏体不锈钢，其如何影响多尺度微观结构（晶粒、碳化物、位错、织构）的演化，以及这些演化如何协同作用以提升强韧性，尚缺乏系统深入的研究。

为了回答这些问题，重庆大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Science》上发表了一项重要研究。他们系统研究了在650°C（回火温度）下，变形量从35%到90%的WFS工艺结合QT处理对1Cr17Ni2钢微观组织演变和力学性能的影响，并深入揭示了其强韧化机理。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用温锻拉伸设备对经过预处理的1Cr17Ni2钢圆柱试样进行不同变形量（35%-90%）的加工；通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）进行多尺度微观结构表征，分析晶粒尺寸、晶界特征、位错密度、碳化物析出和织构演变；进行室温拉伸试验和系列温度（-60°C至20°C）下的夏比U型缺口冲击试验以评估力学性能；并利用几何相位分析（GPA）等手段表征界面应变场。

3.1. 不同WFS工艺下的力学性能

研究结果显示，所有WFS处理试样的抗拉强度均显著高于QT试样，达到1.05-1.19 GPa，提升了159-201 MPa，同时均匀延伸率均保持在14%以上，表现出优异的强塑性协同。特别值得注意的是，WFS-80%试样展现出最佳的强韧性匹配：屈服强度0.957 GPa，抗拉强度1.15 GPa，延伸率15.25%，并且在-60°C低温下的冲击吸收能量仍可达约100 J，表现出独特的逆温度依赖性（即在一定低温区间内冲击韧性不降反升）。加工硬化率曲线分析表明，WFS试样在塑性变形初期具有更高的加工硬化率，这与变形过程中析出相增多导致的位错快速积累有关。

3.2. 不同WFS工艺下的微观结构演变

微观组织观察表明，随着WFS变形量的增加，原始奥氏体晶界逐渐被压缩直至消失，回火索氏体被破碎并沿伸长方向产生择优取向。δ-铁素体由初始的等轴状或带状转变为层状纤维状结构，碳化物逐渐球化且析出量增加。EBSD分析定量揭示了显著的晶粒细化效应，平均晶粒面积从QT状态的8.94 μm²减小至WFS-90%状态的2.22 μm²，减少了75.2%。同时，高角晶界（HAGB）密度随变形量增加而单调上升，从0.88 μm^-1增至1.72 μm^-1，这有助于抑制裂纹扩展。织构分析表明，随着变形量增加，材料中形成了强烈的α纤维织构，特别是在WFS-80%试样中形成了最强的{111}<110>织构，该织构有利于激活更多滑移系，优化塑性变形能力。位错密度分析（通过XRD和EBSD）表明，WFS试样中的位错密度（包括几何必需位错GND和统计存储位错SSD）均高于QT试样，且随着变形量增加，SSD密度的增加速率快于GND。透射电镜（TEM）观察在WFS-80%试样中确认了纤维状晶粒形貌、高密度位错网络以及弥散分布的纳米级（平均~42 nm）和亚微米级（平均~108 nm）M₂₃C₆型碳化物（化学式约为(Cr_18.87Fe_4.13)C₆）。几何相位分析（GPA）进一步揭示了碳化物/基体界面处存在不对称的应变场分布，基体中的应变值显著高于碳化物，这种应变梯度有助于位错钉扎，从而增强强度。断口分析显示，WFS试样的拉伸断口存在大量等轴韧窝，表明其具有良好的塑性。冲击断口分析则揭示了随着WFS变形量增加，断裂机制从准解理断裂向韧性断裂转变，并伴随有明显的裂纹分叉和分层开裂现象。

4.1. 强化机制

通过对屈服强度的定量贡献分析发现，位错强化和沉淀强化是WFS试样屈服强度的主要贡献因素。随着温锻变形量的增加，更高的位错密度和析出相含量增强了对位错运动和微观结构的钉扎效应，从而协同提高了屈服强度。晶界强化也随着晶粒细化而增强。

4.2. 韧化机制

优异的韧性，尤其是低温韧性，源于多种机制的协同作用：晶粒细化增加了裂纹偏转角度，降低了韧脆转变温度（DBTT）。织构优化，特别是强烈的{111}<110>织构，通过激活更多滑移系增强了塑性，并使固有的{100}解理面偏离有利取向，从而有效抑制了解理断裂。分层韧化是关键：由各向异性微观结构（纤维状晶粒、织构）和弱界面（如δ-Fe/基体界面）诱导的分层裂纹和裂纹分叉，有效缓解了主裂纹尖端的应力集中，延长了裂纹扩展路径，显著提高了能量耗散效率。这使得即使存在对冲击韧性通常有负面影响的δ-铁素体，WFS-80%试样在-60°C仍能保持约100 J的高冲击功。

综上所述，本研究系统阐明了温锻拉伸工艺通过协同调控1Cr17Ni2马氏体不锈钢的晶粒尺寸、碳化物析出、位错结构和晶体织构，成功打破了其强度与韧性的倒置关系。WFS-80%工艺条件下获得了最优的综合力学性能组合，其强化主要源于晶界强化、位错强化和沉淀强化的共同作用，而韧化则归因于晶粒细化诱导的裂纹偏转、织构控制的断裂路径限制以及分层开裂诱导的应力缓解等多重机制的协同效应。该研究不仅为1Cr17Ni2钢的性能优化提供了具体的工艺窗口（80%变形量），更重要的是为所有面临强韧性矛盾的马氏体不锈钢乃至其他金属结构材料，提供了一种通过热机械处理实现微观结构协同优化来突破性能瓶颈的新思路和具有工业化应用潜力的技术路径。