1 马氏体时效钢特性

1.1 马氏体时效钢钢种基本介绍

常用的马氏体时效钢是18%Ni马氏体时效钢（Fe-18Ni-8Co-5Mo-0.1Ti-0.1Al（mass%））。马氏体时效钢经固溶处理，组织为奥氏体，在随后的冷却中转变为马氏体。马氏体组织经时效处理发生析出强化，即马氏体时效。马氏体时效钢有18Ni、20Ni、25Ni等钢种，但18Ni马氏体时效钢的应用最多。表1是18Ni马氏体时效钢中代表性的化学成分。

马氏体时效钢的基本成分最少有3个元素，可表示为Fe-X-Y。X是发生马氏体转变需要的元素，一般是奥氏体稳定化元素Ni、Co。Y是析出需要的元素，如Y是Mo、Ti，则在钢中形成金属间化合物，使钢强度增加。钢中析出大量的金属间化合物是马氏体时效钢高强化的有效方法。这些元素的添加量越多，析出强化的效果越大。

1.2 马氏体时效钢主要用途概要

与一般钢种相比，马氏体时效钢的力学性能和加工性能优良，并且容易进行热处理，所以广泛用于宇宙开发、海洋开发、核能、飞机等高端领域到汽车、各种压力容器、工具等一般产业领域。具体的用途有飞机发动机传动轴、火箭发动机壳体、塑料成形精密模具、汽车的CVT（无级变速器）金属带的环状部件、高尔夫球杆头等等。

1.3 18Ni马氏体时效钢性能要求

1）物理性质

表2是18Ni马氏体时效钢的物理性质。表2中所列的数值是18Ni马氏体时效钢代表性的物理性质，有时不同于实际制品的物理性质，对此应予以注意。

2）力学性能

18Ni马氏体时效钢的力学性能如表3。表中的钢级250-350是0.2%屈服强度级别（单位kis，1kis约等于7MPa）。强度级别越高的钢种中析出强化元素含量越大。析出强化量与Mo当量（Mo（%）+Co（%）/3+3 Ti（%））成正比。有研究结果表明，每1%的Mo当量可使钢的强度约提高100MPa。但18Ni马氏体时效钢的强度级别主要通过Ti含量的调整实现。

YAG285是降低高价合金元素Mo、Co，添加Ti的高强度马氏体时效钢。马氏体时效钢的强度高、延性大，比强度大，并具有高韧性。此外，加工硬化性小，冷加工性优良以及焊接性、切削性优良。一般的马氏体时效钢的母相成分是基本不含C的Fe-Ni-Co。适量添加Mo、Ti，抗拉强度可达到约2000MPa。固溶处理状态的马氏体时效钢的组织是含有高密度位错的马氏体。但由于不含C，硬度为300HV左右，质地柔软，加工性和焊接性良好。时效处理的热变形小，容易进行最终加工，具有高的比强度和良好的加工性。

2 马氏体时效钢热处理

2.1 马氏体时效钢主要热处理

马氏体时效钢热处理由前述的形成马氏体组织的固溶处理和形成金属间化合物的时效处理两个阶段组成。固溶处理温度是800-900℃。在升温过程中，约从500℃开始，马氏体发生奥氏体逆转变。但事前经冷加工，钢中存在应变时，提高加热温度，使奥氏体发生再结晶，可使晶粒微细化。逆转变生成的奥氏体在随后的冷却中转变为马氏体。马氏体转变的开始温度（Ms点）约为200℃，转变终了温度（Mf点）约为100℃。合金元素含量多，Mf点接近于室温，所以，如果固溶处理的冷却终点温度高，钢中会残留残余奥氏体，导致钢的抗拉强度下降。冈田等人得出了许多合金元素对Ms点、Mf点影响的公式。

时效处理温度约为500℃。一般来说，时效处理温度越低，时效硬度越高，但时效所需时间越长。因此，要根据钢的性能要求和制造性要求，确定适宜的时效条件。含Co、Mo的马氏体时效钢最高强度状态的组织是，有片状Ni3Mo、Ni3Ti金属间化合物微细析出。Mo、Ti形成的析出物直接起强化作用，Co以固溶状态提高马氏体组织韧性的同时，降低Mo的固溶度，起着促进Mo系金属间化合物的时效析出作用。所以，Co间接地促进时效析出过程。

图1是马氏体时效钢热处理状态组织图。图1（a）、图1（b）是850℃×1h固溶处理后，经480℃×3h时效处理的微观组织。图1（a）是光学显微镜观察的微观组织。母相组织是板条马氏体。在原始奥氏体晶粒内，有黑白衬度的板条束和板条块。图1（b）是透射电镜（TEM）观察的微观组织。在母相板条马氏体中有时效处理析出的数十nm的析出强化相Ni3Ti。

2.2 马氏体时效钢热处理不良事例及防止措施

1）提高强度（提高疲劳强度）

现在，汽车CVT普遍使用的马氏体时效钢的强化机制主要是金属间化合物（Ni3Ti、Ni3Mo）的析出强化。所以，在钢中添加了各种合金元素。其中起很大强化作用的Ti是强活性元素，容易与N、C结合生成硬质非金属夹杂物的氮化物（TiN）和碳氮化物（Ti（C、N））。这些硬质非金属夹杂物是高周波疲劳的起点。日本日立金属公司利用独有的冶炼技术，使这些硬质非金属夹杂物微细化，不成为疲劳起点，并且开发出不含Ti的、无硬质非金属夹杂物的、更高强度的马氏体时效钢。开发钢通过调整Al、Co含量，在钢中生成弥散的Ni3Mo、NiAl相，大幅度提高了析出强化效果。此外，在钢中添加Cr，使开发钢可以与传统马氏体时效钢一样进行氮化处理。  

2）提高延性

马氏体时效钢的特点是具有高强度和高延性。进一步提高马氏体时效钢延性的有效方法是晶粒微细化。优化冷加工与热加工的组合，可使钢的晶粒微细化。此外，添加微量晶粒微细化元素B也可以使钢的晶粒微细化。

4）提高韧性

提高韧性对于高强度的马氏体时效钢极为重要。提高马氏体时效钢韧性的根本方法是将钢中的杂质降低到极限低的程度。

3 马氏体时效钢技术发展方向

马氏体时效钢具有高强度和高韧性的特点。但钢中的杂质元素和非金属夹杂物对钢的强度和韧性有很大影响。为此，采用真空感应熔炼炉，以及采用真空电弧炉等进行重熔的特殊熔炼技术，有效地降低了钢中的杂质元素和非金属夹杂物。根据马氏体时效钢的用途，适宜地使用这些技术。

此外，开发出以飞机发动机部件用马氏体时效钢为基础的高强度马氏体时效钢。开发钢中添加C和碳化物形成元素，在传统马氏体时效钢强化机制金属间化合物之外，增加了碳化物强化机制，使开发的马氏体时效钢的强度进一步提高。

近年来，马氏体时效钢金属粉末用于金属积层造形领域。可以预期，具有优良性能的马氏体时效钢，将在金属积层造形新技术领域得到广泛的应用。