2024年5月4日发(作者：苹果6s的尺寸是多少)

工程科学学报，第３７卷，第４期：４５４－４６０，２０１５年４月　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．４：４５４—４６０，Ａｐｒｉｌ　２０１５　

ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ２０９５—９３８９．２０１５．０４．００９；ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌｓ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ａｎ　

５　Ｃｒ９　Ｓｉ３钢的高温变形行为及流变应力异常变化机理　

吴云胜，彭以超，张麦仓囟，郑　磊，董建新　

北京科技大学材料科学与工程学院．北京１０００８３　

因通信作者　Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｃｚｈａｎｇ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｅｎ　

摘要通过不同热加工参数下的热压缩试验，研究了新型阀门钢５Ｃｒ９Ｓｉ３的高温变形行为．５Ｃｒ９Ｓｉ３钢在８５０～９００℃和　

１０００～１１００℃温度区间内峰值应力分别随温度的升高而减小，而在９００～１０００℃温度区间内出现峰值应力随温度升高而增大　

的异常现象．进一步的微观组织及相结构演化分析表明：５Ｃｒ９Ｓｉ３钢在９００～１０００℃温度区间内发生了由铁素体向奥氏体的　

转变，产生奥氏体相变强化；同时，随着变形温度的提高，碳化物的回溶造成碳元素和铬元素对５Ｃｒ９Ｓｉ３基体固溶强化效果增　

强．相变强化和固溶强化是导致５Ｃｒ９Ｓｉ３在９００～１０００　温度区间内流变应力异常变化的主要原因．　

关键词

分类号

耐热钢；高温变形；流变应力；相变；压缩试验　

ＴＧ１４２．７３　

Ｈｏｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ—ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｏｍａｌｙ　ｏｆ　５　Ｃｒ９　Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　ａｔ　ｅｌｅｖａｔｅｄ　

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　

ＷＵ　ｔｕｎ—ｓｈｅｎｇ，ＰＥＮＧ　Ｙｉ—ｃｈａｏ，ＺＨＡＮＧＭａｉ．ｃａｎｇ曰

，

ＺＨＥＮＧ　Ｌｅｉ，ＤＯＮＧ　Ｊｉａｎ．ｘｉｎ　

Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ　

圆Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｅｚｈａｎｇ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　５　Ｃｒ９Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｈｏｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ａｔ　ｄｉｆｆｅ－ｒｅｎｔ　ｈｏｔ　

ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｆｒｏｍ　８５０　ｔｏ　９００℃ｏｒ　ｆｒｏｍ　１０００　ｔｏ　ｌ　１００℃．ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｅｃｒｅａ—　

ｓｅｓ；ｂｕｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｅｒｅａｓｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　９００　ｔｏ　１０００℃．ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒｉｓｅｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　

ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ａ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　０【一ｆｅｒｒｉｔｅ　ｔｏ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒａｎｇｅ　

ｒｏｍ　９００℃ｔｆＯ　１０００℃ｃａｕｓｅｓ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ．ｉｎｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｈｏｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ａ１一　

ＳＯ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｉｄｅｓ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｔｒｉｘ．Ｔｈｕｓ，　

ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｔ　ｅｌｅｖａｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｌｆｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｏｒ　５　ＣｒＯＳｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅ１．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｈｅａｔ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔｅｅｌ；ｈｏｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ；ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ　

阀门钢属于耐热钢的重要分支．多用于制造汽油　

４Ｃｒ９Ｓｉ２等传统阀门钢相比，５Ｃｒ９Ｓｉ３中碳含量升高。具　

有良好的淬硬性，同时钢中硅元素与铬元素配合使其　

抗氧化性和抗腐蚀性能得到提高＿５］．５Ｃｒ９Ｓｉ３钢的性　

价比较高，在欧美已经成功应用于发动机进气阀的制　

造，但国内现阶段对其研究及应用较少＿６　］．　

发动机和内燃机等设备的进气阀和排气阀，是制造发　

动机的关键材料¨　Ｊ．与其他承力结构件相比，阀门　

在服役过程中处于高温高压的工作环境，承受着严重　

的高温腐蚀以及热循环和热冲击，而且不断与阀门底　

座发生摩擦，因此要求阀门钢必须具有高温稳定性、耐　

磨性、抗高温氧化性以及抗燃气腐蚀性　］．本文研　

究的５Ｃｒ９Ｓｉ３是一种新型中碳马氏体阀门钢．与　

收稿日期：２０１４—０７—０３　

由于阀门钢大多经锻造及轧制成型，研究其高温　

下的变形行为对锻造及轧制工艺设计具有重要意义．　

迄今，对材料高温变形行为的研究报道很多，李淼泉　

吴云胜等：５Ｃｒ９Ｓｉ３钢的高温变形行为及流变应力异常变化机理　・４５５－　

等　系统研究了镍基高温合金ＧＨ４１６９的高温变形行　

为，运用模糊神经网络建立了该合金高温变形时的流　

动应力模型：陈雷等　在９５０～１２５０　ｏＣ下以不同的应　

变速率对２２０５双相不锈钢进行Ｇｌｅｅｂｌｅ热压缩变形试　

验．得出２２０５双相不锈钢的热变形方程；张宝惠等　。。　

研究了Ｐ９１耐热钢的在９００～１２５０　ｏＣ内的高温变形行　

为．并建立了动态回复和动态再结晶两个阶段的本构　

方程．相关文献涉及的合金种类各不相同，但几乎全　

部得出了“变形温度升高使合金高温变形时峰值应力　

显著降低”的结论．本文以５　Ｃｒ９Ｓｉ３钢轧制棒材为研究　

对象，对其不同热变形参数下的力学行为进行了系统　

研究．发现在特定温度区间出现“高温变形时峰值应　

力随变形温度升高而异常升高”的现象．因此，本文结　

合微观组织分析及相结构分析手段，系统探讨了　

５Ｃｒ９Ｓｉ３钢高温流变应力异常变化的材料学机理，旨在　

为该钢种进一步的轧制工艺优化及组织性能控制提供　

依据．　

１实验材料及方法　

实验用材料为经轧制生产的　１８　ｍｉｌｌ　Ｘ　７００　ｍｍ的　

５Ｃｒ９Ｓｉ３棒材．其化学成分如表１所示．采用热膨胀法　

测定其临界相变温度：Ａｃ。温度为９３３℃，Ａｃ　温度为　

１０２１℃．　

表１　５ＣＯＳｉ３钢的化学成分（质量分数）　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　５Ｃｒ９Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　％　

将５Ｃｒ９Ｓｉ３原始样品加工成　８　ｍｍ　ｘ　１２　ｍｍ的圆　

柱形试样．在Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００热模拟试验机上对其进行　

压缩变形，即在不同变形温度（８５０、９００、９５０、１０００、　

１０５０和１１００℃）下保温５　ｍｉｎ，分别以１、５、１０和２０　ｓ　

的应变速率将试样压缩变形５０％，并立即进行淬火处　

理以保留变形后的高温组织．利用Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００热模　

拟试验机记录下变形过程中的各项参数，绘制成真应　

力一应变曲线．　

进而，将压缩试样沿压缩轴方向从中间剖开，研磨　

抛光后，用硫酸铜一盐酸一水溶液（２．５　ｇ　ＣｕＳＯ　・５Ｈ，０＋　

１５　ｍＬ　ＨＣ１＋３５　ｍＬ去离子水）进行化学浸蚀，在ＪＳＭ－　

６５１０型扫描电子显微镜下观察其显微组织特征，应用　

ＪＸＡ一８２３０电子探针分析仪对其进行定点成分分析，结　

合日本理学Ｕｌｔｉｍａ　ＩＶ　Ｘ射线衍射仪分析不同变形条　

件下的物相结构．　

２结果分析与讨论　

２．１　５Ｃｒ９Ｓｉ３钢的高温流变特性　

图１为５Ｃｒ９Ｓｉ３钢在不同应变速率下峰值应力随　

温度的变化图．由图１可知，阀门钢５ＣＯＳｉ３表现出异　

常的高温变形特征：相同应变速率下，在８５０～９００　ｏＣ　

范围内随着变形温度的升高，峰值应力逐渐减小，在　

９００　ｃＣ时峰值应力达到极小值；随着变形温度的继续　

升高，在９００～１０００　ｏＣ范围内峰值应力逐渐增加，在　

１０００℃时峰值应力出现了极大值：当变形温度超过　

１０００℃后。峰值应力随着变形温度的升高又呈现出减　

小的趋势．　

图１　５Ｃｒ９Ｓｉ３钢在不同热加工参数下峰值应力随温度的变化　

趋势　

Ｆｉｇ．１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｅａｋ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａ—　

ｔｕｒｅ　ｏｆ　５　Ｃｒ９Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｏｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　

图２给出应变速率为５　ｓ　时不同温度下５Ｃｒ９Ｓｉ３　

钢的真应力一应变曲线．由图可知，不同温度区间出现　

不同类型的真应力一应变曲线：在低温区（８５０～９００　

ｏＣ）和高温区（１０５０～１１００　ｏＣ）真应力一应变曲线呈现　

动态回复型特征．应力首先随着应变量的增加而迅速　

增加，达到峰值后应力开始持续下降，但在低温区流变　

应力的下降速率明显高于高温区；而在中温区（９５０～　

１０００　ｃｃ）真应力一应变曲线为加工硬化型，流变应力随　

着应变量的增加而持续增加　１１］．　

宝　

锄　

图２　５Ｃｒ９Ｓｉ３钢的高温流变曲线特征　

Ｆｉｇ．２　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｅｕ￣ｅｓ　ｏｆ　５　Ｃｒ９Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　ａｔ　ｅｌ—　

ｅｖａｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　

一

般情况下。金属材料的变形抗力随变形温度的　

吴云胜等：５Ｃｒ９Ｓｉ３钢的高温变形行为及流变应力异常变化机理　・４５７・　

１００　

（４２１）　（Ｃｒ，Ｆｅ）　Ｃ　

８０　

豁６０　

ｆ４．　ｌ０１　

４Ｏ　

．　

（２０２）　

（４０２）　

２０　

０　

Ｊ　．………Ｉ．１Ｌ　．…～　ＪＬ１．～　

４０　５０　６０　７０　８０　９０　

２０／（。）　

图４变形温度为８５０　ｏＣ、应变速率为５　Ｓ　时变形试样析出相的　

ｘ射线衍射谱　

Ｆｉｇ．４　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ　ｉｎ　５　ＣｒｇＳｉ３　ｓｔｅｅｌ　ａｆｔｅｒ　

ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｔ　ａ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　８５０℃ａｎｄ　ａ　

ｓｔｒａｉｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　５　ｓ一１　

发生了基体相变和碳化物溶解．因此，本文将从　

５Ｃｒ９Ｓｉ３基体的相变和碳化物的溶解两方面进行论述．　

２．３．１　基体相变对５Ｃｒ９Ｓｉ３钢高温流变特性的影响　

由临界相变温度和组织形貌推测５Ｃｒ９Ｓｉ３阀门钢　

在中温区发生由铁素体向奥氏体的转变．为了分析　

５ＣＩ９Ｓｉ３钢基体在不同温度下的基体相变规律．对应变　

速率为５　Ｓ～、经不同温度变形的样品进行ｘ射线衍射　

分析．图５为不同变形条件下的ｘ射线衍射谱．　

由图５可知．经不同温度变形试样的ｘ射线衍射　

图全部存在Ａ、Ｂ和ｃ三个衍射峰，但随温度升高各衍　

射峰均发生明显的变化．首先，低温区内Ｂ峰相对强　

度最高，Ａ峰次之，ｃ峰强度最小，但进入中高温区后，　

Ａ峰成为最强峰，而Ｂ峰强度急剧降低．１１００　ｏＣ时Ｂ　

峰已经成为强度最小的衍射峰．其次，随着温度升高　

各个衍射峰的半高宽都明显增加，高温区内Ｂ和ｃ衍　

射峰实际上已经分解为两个强度较弱的连续宽峰．以　

上分析证明，随着温度升高５Ｃｒ９Ｓｉ３钢发生相变，使得　

低温区和高温区的ｘ射线衍射图呈现明显不同的特　

点．物相标定结果显示。８５０～９００℃内５Ｃｒ９Ｓｉ３钢基体　

物相为体心立方结构的含ｃｒ铁素体ｃｒ　Ｆｅ…　，９５０℃　

开始出现体心四方结构的马氏体Ｃ…　Ｆｅ　，９５０～　

１０００℃内基体含有铁素体和马氏体两种物相，１０５０～　

１１００　ｏＣ温度区间内基体全部为马氏体相．　

根据材料学的基本理论，基体相变对５Ｃｒ９Ｓｉ３的　

高温流变特性产生的影响较大．奥氏体和铁素体具有　

不同的材料学性质和变形特征：奥氏体是面心立方结　

构而铁素体是体心立方结构：奥氏体的层错能比铁素　

体低，因此奥氏体的扩展位错宽度大于铁素体，热变形　

时奥氏体难以进行位错的攀移和交滑移，也不容易发　

生动态回复等软化行为；由于奥氏体晶格中原子密排　

度较高，合金元素在奥氏体中的扩散速度要明显低于　

在铁素体中的扩散速度，这有效阻碍高温状态下扩散　

虬　ｌＭ（１叭７『　。叭　２１Ｆ（２０　０】Ｍｆｌ１２）Ｍｆ２１１）　

．　

量ｌ９５ｏ℃Ｆ（＾１ｌ。　

ｍ　

（１　１０）Ｍ（　２）Ｆ（￣Ｍ（２ｏｏ）Ｍ（１　１２　

２０／（。）　

图５　５Ｃｒ９Ｓｉ３钢在不同温度下压缩变形后的ｘ射线衍射谱　

Ｆｉｇ．５　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｏｆ　ａｓ—ｆｏｒｇｅｄ　５Ｃｒ９Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　ａｔ　

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　

型形变机构的进行．因此，在应变速率相同的情况下　

变形时，奥氏体的高温变形抗力要比铁素体高＿ｌ　．　

由图１可知．１０５０　ｏＣ的峰值应力大于相同应变速率下　

９００℃时的峰值应力．这为上述理论提供了直接证据．　

在８５０～９００℃温度区间内，５Ｃｒ９Ｓｉ３钢基体为铁　

素体，此时流变应力主要受变形温度影响，随着变形温　

度升高，原子热运动加剧，位错运动阻力减小，动态回　

复等软化行为更容易进行，从而使流变应力随温度升　

高而逐渐降低，也使该温度区间内真应力一应变曲线　

呈现动态回复型特征．在９５０～１０００　ｃ【＝范围内，　

５Ｃｒ９Ｓｉ３钢处于铁素体和奥氏体两相区．此时影响流变　

应力的主要因素为铁素体和奥氏体不同的材料学性质　

和变形特征。奥氏体较难发生动态软化行为并具有更　

高的高温强度，随着温度升高奥氏体含量迅速增加，导　

致材料整体软化程度降低，高温变形时变形抗力更大，　

这造成流变应力在此温度区间内随温度升高而增大，　

同时也使真应力一应变曲线具有加工硬化型的特征．　

１０５０～ｌ１００℃温度范围内，５Ｃｒ９Ｓｉ３钢处于奥氏体单相　

区，对变形抗力起主要作用的是变形温度，随着变形温　

度升高流变应力逐渐降低．与低温区一样，高温区内　

真应力一应变曲线也呈现动态回复型特征，但由于奥　

氏体较难发生动态回复等软化行为．使得高温区内流　

变应力随温度上升的下降速率低于低温区．　

・

４５８・　工程科学学报．第３７卷．第４期　

２．３．２碳化物溶解对５Ｃｒ９Ｓｉ３钢高温流变特性的　

影响　

状态下的奥氏体相和铁素体相．图６为合金基体内　

主要溶质元素Ｃ和Ｃｒ的质量分数随温度的变化图，　

经统计分析，低温区样品组织中碳化物的体积分　

数保持在１５％左右，其平均尺寸大约为０．７　ｔｘｒｎ．由　

Ｏｒｏｗａｎ绕过机制可知，析出碳化物会对位错运动产生　

阻碍．从而对材料起到较强的析出强化作用：中温区内　

图中各数据点的序号对应于图３中相应标号．这里　

需要说明一点，电子探针对碳元素的分析并不精确，　

但是其测量结果可以为ｃ元素质量分数的变化趋势　

提供可靠的实验依据．因此此次实验主要对碳元素　

进行定性分析．　

碳化物快速溶解，１０００℃时碳化物体积分数已经降低　

至５％以下，导致析出强化作用大幅度降低；高温区碳　

化物体积分数已经降低至１％以下，析出强化作用基　

本消失．可以说，碳化物在基体内的析出强化作用并　

不是导致５Ｃｒ９Ｓｉ３钢高温流变特性异常的原因．　

由图６可知，基体中Ｃ和Ｃｒ的质量分数随着温度　

升高整体上呈现增高的趋势．以ｃ为例．其增长过程　

可以分为三个阶段：８５０～９５０℃内基体中ｃ含量增长　

速度缓慢，变形温度升高了１００℃，Ｃ的质量分数增加　

随着碳化物的溶解，碳化物中ｃ、ｃｒ等元素都溶解　

于基体中，溶质元素的重新分布也可能会对５Ｃｒ９Ｓｉ３　

钢的高温流变特性产生影响．因此对应变速率为　

５　Ｓ～、在不同温度下压缩后的试样进行电子探针定点　

分析，探究碳化物溶解过程中元素分布的演变规律．　

定点分析是在各个试样的易变形区内选取５～６点进　

了０．０６％：９５０～１０００　ｏＣ温度区间内碳化物大量溶解。　

使得大量的ｃ固溶于基体内，奥氏体基体中ｃ含量迅　

速增加，温度升高了５０℃，Ｃ的质量分数增加了　

０．１６％：１０５０～１１００℃温度区间内基体中的Ｃ含量趋　

于不变．同时注意到ｃ２和Ｄ２两点对应的铁素体相中　

ｃ和ｃｒ含量明显低于同温度下奥氏体中ｃ和ｃｒ含　

量，说明较高温度下奥氏体基体中固溶了更多的ｃ原　

子和Ｃｒ原子．形成较强的固溶强化作用．　

行成分分析，取点区域示意图如图３所示，其中ｃ１、　

Ｄ１和Ｃ２、Ｄ２分别对应９５０℃和１０００℃试样中高温　

辍　

世　

ｇ　

辍　

血　

槎　

咯　

蛊　

涩　

图６基体元素的电子探针定点分析结果．（ａ）碳；（ｂ）铬　

Ｆｉｇ．６　ＥＰＭＡ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｒｉｘ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ：（ａ）ｃａ￣ｏｎ；（ｂ）ｃｈｒｏｍｉｕｍ　

２．３．３　５Ｃｒ９Ｓｉ３钢高温流变应力异常变化的材料学机　

理分析　

宽度．溶质原子的不均匀分布，对位错的交滑移等运　

动产生了显著的阻碍作用，这种阻碍作用在高温下尤　

为显著＿ｌ　”－１６］．此外，为了提高共格程度，在奥氏体和　

综上所述，我们可得出５Ｃｒ９Ｓｉ３钢高温流变应力　

异常变化的材料学机理．如图７所示．　

９００～１０００　ｏＣ内５Ｃｒ９Ｓｉ３钢处于铁素体和奥氏体　

铁素体的相界面上形成与界面垂直的单原子厚的台　

阶，在每个台阶的顶面上都可以通过原子位置的局部　

调整而生成许多共格区，如图７（ｃ）所示ｌｌ引，这类结构　

双相区，如图７（ａ）所示．以下三方面因素使该温度区　

间内的５Ｃｒ９Ｓｉ３钢得到显著强化：首先，随温度升高．　

具有更高高温强度的奥氏体含量逐渐增多，奥氏体层　

错能低，扩展位错宽度较大，而且奥氏体内各元素的扩　

散系数相对较小，导致高温变形时难以发生位错的攀　

移和交滑移等扩散型形变．其次，碳化物的溶解使更　

多的ｃ和ｃｒ等溶质元素固溶于基体内．ｃｒ在一定程　

度上会提高奥氏体的层错能密度，因此Ｃｒ原子在奥氏　

体扩展位错的层错区内分布较少，形成具有化学交互　

作用的铃木气团，如图７（ｂ）所示，其中ｄ　为扩展位错　

的界面难以移动，也对５Ｃｒ９Ｓｉ３钢产生一定的强化作　

用．以上三方面因素使得５Ｃｒ９Ｓｉ３钢在９００～１０００　ｏ【＝　

内的流变应力随温度的升高而异常增大．　

在８５０～９００℃和１０５０～１１００℃范围内，５Ｃｒ９Ｓｉ３　

钢的基体分别处于铁素体和奥氏体单相区，此时影响　

流变应力的主要因素为变形温度．随着变形温度的升　

高，位错运动的阻力减小，位错的攀移及交滑移易于进　

行，且更容易发生动态回复等软化行为。使得材料的流　

变应力随温度的升高逐渐降低．　

吴云胜等：５ＣＩ９Ｓｉ３钢的高温变形行为及流变应力异常变化机理　・４５９・　

融　—（ｂ—）ｌ　・・・山　ｌ・・・・　・ｌ—　・Ｊ・・・　・　

・・・ｉ・・・ｌ，・・　

、　、　

・溶质原子　・・・—　・・—　・・・　

●●●ｌ●●●—Ｌ●●●　

—

Ｌ肖克莱部分位错　・・・　・・・　一・・・　

图７　５Ｃ￣９Ｓｉ３钢高温流变应力异常变化的材料学机理示意图．（ａ）９５０　ｑＣ下５Ｃｒ９Ｓｉ３钢的显微组织示意图；（ｂ）固溶原子偏析产生的铃木气　

团；（ｃ）奥氏体和铁素体具有台阶结构的相界面　

Ｆｉｇ．７　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｌｆｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ５Ｃｒ９Ｓｉ３　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ：（ａ）ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ５Ｃｒ９Ｓｉ３　ｓｔｅｅｌ　

ａｔ　９５０℃；（ｂ）Ｓｕｚｕｋｉ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｌｕｔｅ　ａｔｏｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｈｉｎｄｅｒ　ｃｒｏｓｓ－ｓｌｉｐ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ；（ｃ）ｐｈａｓｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｔｅｐ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｎｓｔａｅｎｉｔｅ　ａｎｄ　ｆｅｒｒｉｔｅ　

Ｘ５３Ｃｒ２２Ｍｎ９Ｎｉ４Ｎ　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌｓ．Ｔｒｉｂｏｌ　Ｔｒａｎｓ，２０１１，５４（３）：３４１　

３　结论　

（１）在相同应变速率下，５Ｃｒ９Ｓｉ３阀门钢热压缩变　

形的真应力一应变曲线的峰值应力随温度变化呈现以　

［３］　Ｇｒｚｅｓｉｋ　ｚ，Ｓｍｏｌａ　Ｇ，Ａｄａｍａｓｚｅｋ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｔ－　

ｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌｓ　ｉｎ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｇａｓｅｓ　ｏｆ　ｐｅｔｒｏｌ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｅｔｈａ－　

ｎｏｌ　ａｄｄｉｔｉｏｎ．Ｃｏｒｒｏｓ　Ｓｃｉ，２０１３，７７（１２）：３６９　

［４］　Ａｔａｐｏｕｒ　Ｍ，Ａｓｈｒａｉｆｚａｄｅｈ　Ｆ．Ｃｙｃｌｉｃ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｐｌａｓｍａ　

ｎｉｔｒｉｄｅｄ　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅ１．Ｐｈｙｓ　Ｐｒｏｃｅｄｉａ，２０１２，３２（６）：８５３　

［５］　Ｑｉｎ　Ｔ　Ｙ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｅｎ－　

ｇｉｎｅ　ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅ１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍｅｔ，２０１１，３３（２）：５０　

下规律：８５０～９００℃内随着变形温度升高。峰值应力　

逐渐减小，在９００　ｏＣ时峰值应力出现极小值：９００～　

１０００℃内峰值应力随温度升高而逐渐增大．在１０００℃　

时峰值应力达到极大值：１０００～１１００℃内随着变形温　

度升高，峰值应力逐渐减小．　

（２）５Ｃｒ９Ｓｉ３阀门钢的显微组织随温度升高出现　

（秦添艳．内燃机气阀用钢的发展现状．上海金属，２０１１，３３　

（２）：５０）　

［６］Ｖｏｏｒｗａｌｄ　Ｈ　Ｊ　Ｃ，Ｃｏｉｓｓｅ　Ｒ　Ｃ，Ｃｉｏｆｉｆ　Ｍ　０　Ｈ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　

Ｘ４５ＣｒＳｉ９３　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ａｐｐｌｉｅｄ　ａｓ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　

基体相变和碳化物溶解两方面变化．在９００℃以下基　

体为含铬铁素体单相组织；随着温度升高，开始发生铁　

ｖａｌｖｅｓ．Ｐｒｏｃｅｄｉａ　Ｅｎｇ，２０１１，１０（６）：１２５６　

［７］Ｈｕ　Ｙ，Ｘｔｉ　Ｍ　Ｊ，Ｇａｎ　Ｃ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｏｎ　

ｖａｌｖｅ　ｓｔｅｅｌ　Ｘ４５ＣｒＳｉ９３．ＣＩＳＣ　Ｔｅｃｈｎｏｌ，２００８，５１（４）：１４　

素体向奥氏体的转变，９５０～１０００℃下基体处于铁素体　

和奥氏体双相区；１０５０℃以上铁素体完全转化为奥氏　

体．水冷后呈现单一的马氏体组织．碳化物随温度升　

高而逐渐溶解，且在９５０～１０００℃温度范围内碳化物　

溶解速率较快．　

（３）奥氏体相变强化和碳化物溶解导致的固溶强　

化是９００～１０００　ｃＩＣ温度区问内流变应力随着温度升高　

而异常增大的主要原因．　

（胡瑜，徐茂钧，甘朝福，等．Ｘ４５ＣｒＳｉ９３气阀钢断裂失效分　

析．重钢技术，２００８，５１（４）：１４）　

［８］“Ｍ　Ｑ，ＹａｏＸＹ，Ｌｕｏ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓｍｏｄｅｌ　ｏｆｔｈｅ　

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［９］Ｃｈｅｎ　Ｌ，Ｗａｎｇ　Ｌ　Ｍ，Ｄｕ　Ｘ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｈｏｔ　ｄｅｆｏｍａｔｒｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　

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