第37卷第9期2012年9月HEAT TREATMENT OF METALSVol.37No.9September 201217-4PH 不锈钢热处理工艺张敏，褚巧玲（西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安710048）摘要：介绍了不同的热处理工艺对17-4PH 马氏体沉淀硬化不锈钢力学性能及组织的影响，对其沉淀硬化机理进行了总结和探讨。
17-4PH 不锈钢兼有强度高、耐蚀性好的优点。
传统的工艺为固溶+时效处理，普遍采用的固溶温度为1040ħ，随着时效温度的提高和时效时间的延长，其强度和硬度升高，塑韧性降低。
在传统工艺的基础上，增加调整处理，可以细化马氏体基体组织，提高材料的韧性及耐蚀性。
对于17-4PH 钢的强化机理，普遍认为与ε-Cu 的析出有关，但对于其形貌的分析不尽相同。
关键词：17-4PH 不锈钢；固溶处理；时效处理；调整处理中图分类号：TG142.71文献标志码：A文章编号：0254-6051（2012）09-0008-04Heat treatment of 17-4PH stainless steelZHANG Min ，CHU Qiaoling（College of Materials Science and Engineering ，Xi ’an University of Technology ，Xi ’an Shaanxi 710048，China ）Abstract ：Effect of heat treatment on mechanical properties and microstructure of 17-4PH martensite stainless steel is introduced ，the mechanism of precipitation hardening of the steel is summarized and discussed．It was widely used owing to its high strength and excellent corrosion resistance．The traditional heat treatment of the steel is solution and aging．Generally ，solution temperature is 1040ħ．The strength and hardness increase gradually with aging temperature and time increasing ，while the impact property decreases．With the intermediate treatment among the solid solution and aging ，the impact property and the corrosion resistance are obviously increased due to the refined martensite lath．It is widely believed that the mechanism of precipitation hardening of 17-4PH martensite stainless steel is due to the precipitation of ε-Cu ，but the analysis about morphology of ε-Cu is various．Key words ：17-4PH stainless steel ；solution treatment ；aging treatment ；intermediate treatment收稿日期：2012-06-01基金项目：陕西省自然科学基金（2012JM6003）；西安市科技计划项目（CX1250②）作者简介：张敏（1967—），男，陕西西安人，教授，博士，主要从事焊接成形过程的力学行为及其结构质量控制、焊接凝固过程的组织演变行为及其先进焊接材料的研究，发表论文80余篇。
联系电话：029-********，E-mail ：zhmmn@xaut．edu．cn17-4PH 不锈钢（ASTM ）为马氏体沉淀硬化型不锈钢，相当于国标05Cr17Ni4Cu4Nb 。
该类型的不锈钢含碳量较低，含Ni 、Cr 量高，焊接性好且具有较好的耐腐蚀性。
同时该钢中Cu 和Nb 等合金元素含量也较高，这些合金元素在热处理过程中可析出时效硬化相ε-Cu 、NbC 、M 23C 6等，使材料具有较高的强度和硬度。
基于以上优点，17-4PH 马氏体沉淀硬化不锈钢广泛应用于航空、航天、化学和核工业等领域。
沉淀硬化不锈钢的力学性能与热处理状态有较大关系。
17-4PH 马氏体沉淀硬化不锈钢的常规热处理工艺为固溶+时效处理，通过调整组织和控制析出相来提高强度、硬度和耐蚀性。
目前对于17-4PH 不锈钢的热处理工艺研究已经相当成熟［1-11］，本文对其不同热处理工艺下的性能及机理进行总结，并加以简述。
117-4PH 不锈钢的热处理17-4PH 不锈钢的马氏体开始转变点在室温以上，经固溶处理后基体组织基本上是马氏体组织，其强度已经很高。
在固溶处理的基础上进行不同的时效处理，可提高材料的强度，满足各种生产实际的需要。
17-4PH 不锈钢的化学成分（质量分数，%）为：≤0.07C ，≤1.00Mn ，≤1.00Si ，≤0.023P ，≤0.03S ，15.50 17.50Cr ，3.00 5.00Ni ，3.00 5.00Cu ，0.15 0.45Nb ，其主要沉淀硬化元素是铜、铌，有的为铝、钛等，利用这些元素的溶解度来实现强化过程。
17-4PH 不锈钢加热到奥氏体温度时，由于这些强化元素在奥氏体中的溶解度较大，而在马氏体中的溶解度较小，当冷却到马氏体温度后，即得到过饱和铜、铌的马氏体组织，马氏体本身具有高强韧性，从而得到一定程度的强化；再经时效处理后，溶解在基体组织中的过饱和铜、铌等元素析出，使材料得到进一步强化。
因此可通过不同的热处理工艺来满足各种性能要求。
1.1固溶处理固溶处理是17-4PH 钢不可或缺的一道热处理工艺。
固溶时，加热温度应保证钢中的碳和合金元素充分溶于奥氏体中，但也不宜过高。
17-4PH 钢的Ac 1约第9期张敏，等：17-4PH 不锈钢热处理工艺9为670ħ，Ac 3约为740ħ，Ms 为80 140ħ，Mf 约为32ħ。
因此标准中推荐的固溶温度为1020 1060ħ。
固溶温度不同，最终得到的组织与性能也不同。
赵莉萍［12］、杜大明［13］等对17-4PH 钢在不同固溶温度下的组织和性能进行了研究，所选择的固溶处理温度为1000、1040和1080ħ。
研究发现，经1040ħ固溶处理后，试样硬度最高。
这是由于当固溶处理温度较低时，加热得到的奥氏体不均匀，溶入的合金碳化物也很少，导致淬火后得到的马氏体硬度偏低；当固溶温度较高时，一方面晶粒粗大，另一方面合金碳化物过多地溶入到奥氏体中，奥氏体的稳定性将增加，马氏体转变点下降，因此淬火后马氏体量减少，残留奥氏体量增加，硬度降低。
同时过高的加热温度还可能使固溶组织中存在较多含量的铁素体，影响最终的强化效果。
因此必须合理选择固溶温度，以保证所需的性能。
由于17-4PH 钢中含有铬、镍等元素，使得其在空冷时即可得到马氏体，但为了使固溶后组织更加细小，获得更好的强化效果，提高塑韧性，实际生产中多采用油冷方式。
固溶处理后的显微组织是含有过饱和铜、铌的低碳板条马氏体，有时由于淬火不充分或者加热温度过高等原因，还会有少量残留奥氏体和铁素体。
1.2时效处理17-4PH 钢的时效处理应根据对性能的要求，确定加热温度和保温时间。
有研究表明［12，14］，17-4PH 钢在1040ħ温度固溶后，随时效温度的升高，马氏体组织发生回火，且不断地析出沉淀相。
450ħ时效时已有铜、铌等沉淀相析出，到470 480ħ时，晶内沉淀物颗粒细小且弥散分布，此时材料的硬度最高。
之后，随时效温度的继续升高，硬度和强度下降，塑性、韧性提高。
由于硬度和强度的变化规律类似，所以对硬度和强度有明确要求的工件，应严格控制时效温度，以满足使用要求。
17-4PH 钢时效过程中强度和塑性的变化规律与0Cr15Ni5Cu2TiC 沉淀硬化不锈钢类似［15］。
17-4PH 钢在510ħ以上时效为过时效。
侯凯［16］等对17-4PH 钢在过时效下的冲击韧性进行了研究，研究指出，随时效温度的升高，材料的冲击韧度逐渐提高。
为保证沉淀相的充分析出和时效效果，时效温度的保温时间一般不少于4h ，保温后可采用空气冷却。
相同时效温度下，时效保温时间不同最终获得的性能也不同。
图1为17-4PH 钢在350ħ时效温度下，硬度随时效时间的变化曲线。
可以看出，随保温时间的延长，试样的硬度不断升高，在时效处理的前期阶段，试样的硬度上升比较缓慢；时效到6000h 后，试样的硬度上升较快；时效9000h 左右时，试样的硬度达到最大值；之后，随时效时间的延长，硬度开始迅速下降［17-18］。
图117-4PH 马氏体不锈钢在350ħ时效温度下的硬度-时间变化曲线［18］Fig．1Hardness-aging time curve of 17-4PHmartensite stainless steel aging at 350ħ［18］对于17-4PH 钢长期时效与拉伸性能之间的关系，彭艳华［17］等进行了详细研究。
结果表明，在350ħ长期时效后，随时效时间的延长，屈服强度和抗拉强度升高，断面收缩率和伸长率下降；断口由细小的韧窝向粗大韧窝转变。
研究还发现，经长期时效，17-4PH 钢组织发生变化，spinodal 分解开始在晶界发生，析出的ε-Cu 颗粒逐渐长大，并且有少量的逆转变奥氏体产生。
随时效时间延长，spinodal 分解逐渐由晶界转向晶内，基体中析出大量有取向的细小的G 相，基体组织仍为板条马氏体。
王均［18-20］等运用示波冲击的方法研究了17-4PH 钢在350ħ长期时效下的脆化行为。
示波冲击试验能提供试样冲击断裂过程中各阶段的能量-时间、载荷-时间、挠度-时间等多种变形和断裂过程中的瞬态信息，为深入了解材料在动载荷条件下的变形和断裂行为提供条件［6，8］。
研究表明，17-4PH 钢在350ħ长期时效下，裂纹萌生功（E i ）、裂纹扩展功（E p ）、总冲击功（E t ）和动态断裂韧性（K Id ）值随时效时间的延长而下降。
说明长期时效后，材料韧性降低，发生脆化。