铬对Fe67-xCrxNi25Mn1Mo2Ti4Al1低磁不锈钢力学性能和磁性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of Chromium on Mechanical and Magnetic Properties for Fe67-xCrxNi25Mn1Mo2Ti4Al1 Low Magnetic Stainless Steel

低磁不锈钢中铬含量对磁性和力学性能的影响研究表明，通过调整Cr含量（13%、18%、25%）制备的三种钢（15A3-1、15A3-5、15A3-6）具有不同的微观结构和性能。15A3-1钢表现出优异的强度-韧性协同（屈服强度722 MPa，延伸率26.1%），其纳米析出相（γ'相）与基体共格，而15A3-5钢因Heusler相析出导致韧性下降。15A3-6钢通过马氏体相变获得高磁性（相对磁导率9.33），并形成多相析出结构。热力学计算和实验证实，Cr含量影响γ'相稳定性、马氏体起始温度（Ms）及堆垛层错能（SFE），其中15A3-6的Ms温度达30℃，且SFE>40 mJ/m2时仍以位错滑移主导变形机制。

　　

Kun Li|Zhibao Shao|Hongwei Wang|Leipeng Wang|Lianggui Peng|Changsheng Li

东北大学数字钢铁国家重点实验室，中国沈阳110819

摘要

本研究设计并制备了三种低磁性的不锈钢Fe_67-xCr_xNi₂₅Mn₁Mo₂Ti₄Al₁（X=13, 18, 25原子百分比，分别命名为15A3-1、15A3-5和15A3-6），探讨了铬含量对磁性和机械性能的影响。15A3-1钢表现出优异的强度-韧性平衡，时效后的性能包括屈服强度722 MPa、抗拉强度1185 MPa和延伸率26.1%。其主要沉淀物由不连续的层状γ′相和连续的球形γ′相组成，两者都具有相同的L1₂晶体结构，并与基体保持相干性。在15A3-5钢中，脆性的Heusler相在晶界附近沉淀，降低了延伸率。15A3-6钢在固溶处理后形成1.7体积%的马氏体，时效处理后形成12.7体积%的马氏体。逆马氏体转变将固溶后的晶粒尺寸细化至19.5 μm，而时效则诱导γ′相、Heusler相和σ相的多相沉淀。15A3-1和15A3-5的B-H曲线呈现线性响应，证实了它们的顺磁行为。相反，15A3-6在低磁场下B-H曲线具有较陡的初始斜率；其铁磁相饱和磁化后，磁感应强度随磁场线性增加。测得的相对磁导率分别为15A3-1的1.00326、15A3-5的1.00457和15A3-6的9.33065。膨胀测量表明，15A3-1和15A3-5的Ms温度低于25 °C，而15A3-6的Ms温度为30 °C。相干沉淀物产生局部应力场，为马氏体的形核提供了优先位点。基体中靠近Ni₃(Al,Ti)区域的Cr富集和Ni贫化进一步提高了Ms温度。尽管堆垛错能（SFE）随Cr含量的增加而降低，但所有钢的SFE仍大于40 mJ·m^-2，因此位错滑移是主要的变形机制。

引言

低磁性不锈钢具有稳定的奥氏体结构，采用单相面心立方（FCC）晶格，其相对磁导率低于1.01，并表现出顺磁行为[1]、[2]、[3]。作为一种关键的功能结构材料，它应用于石油/天然气领域的非磁性钻铤、核电设备、电力传输系统和发电机保持环[4]、[5]、[6]。随着重大工程项目的推进和国防装备的现代化，传统的低磁性不锈钢越来越无法满足苛刻的服务要求，因此开发高强度变体成为当务之急。最近的研究强调了FCC合金中相干沉淀强化的作用[7]。例如，添加Ti和Al有助于在无序的FCC基体（如CoCrFeNi高熵合金（HEAs）中沉淀纳米级的γ′相（L1₂-有序Ni₃(Al,Ti)），从而产生显著的强化效果[8]。与通过NbC或Cr₂N[9]、[10]强化的传统沉淀硬化合金相比，这些相干有序沉淀物有效地阻碍了位错运动，从而在不影响韧性的情况下提高了屈服强度和抗拉强度。

铬（Cr）作为不锈钢中的关键合金元素，对微观结构稳定性[11]、机械性能[12]、耐腐蚀性[13]和磁行为[14]具有多方面的影响。增加Cr元素可以提高不锈钢的耐腐蚀性和固溶强化效果。然而，Cr也是铁素体强化元素，过量的Cr会导致奥氏体不稳定[15]。此外，在通过γ′沉淀强化的FCC结构合金中，Cr浓度的变化会影响沉淀物的类型和数量。在(CoCrNi)₉₄Ti₃Al₃合金中，较高的Cr含量可以有效抑制长时间热处理过程中L1₂纳米沉淀物的粗化，并增加其密度[16]。研究表明，时效过程中的沉淀也会影响奥氏体的稳定性：在NiTi基高温形状记忆合金中，沉淀物可以诱导马氏体转变——例如在NiTi-Pt和NiTi-Au系统中，尽管它们的作用机制不同[17]、[18]。值得注意的是，在NiTi-Pt中，机械效应占主导地位，相场模拟显示P相沉淀物主要通过与马氏体的弹性相互作用提高Ms[19]、[20]；而在NiTi-Au中，化学效应占主导地位，(Au,Ni)₄Ti₃沉淀物的生长降低了基体中的Ti浓度，从而提高了Ms[21]、[22]。在Cr-Ni-Mn-Mo-Al-Ti低磁性不锈钢中，Cr的变化影响基体和沉淀物相，从而影响微观结构稳定性。在我们研究小组之前的研究中，通过第一性原理计算探讨了Cr/Ni对无序Fe₁₈Cr_xNi_1-xMn₂(x=4-8)合金的结构稳定性和机械性能的影响[23]。然而，关于低磁性不锈钢中Cr变化对相组成和马氏体沉淀相互作用的影响的系统研究仍然有限。

本文采用单变量成分设计方法制备了三种低磁性不锈钢Fe_67-xCr_xNi₂₅Mn₁Mo₂Ti₄Al₁(X=13, 18, 25原子百分比)，并分别对其进行固溶和时效处理。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和电子探针微分析（EPMA）研究了不同实验钢的微观结构演变，明确了Cr元素变化对基体相和沉淀物的影响模式，并通过热力学计算进行了验证。磁性能测试用于验证相变对顺磁性的影响。基于马氏体起始（Ms）温度（通过膨胀测量）和堆垛错能（SFE）计算分析了相变。机械性能测试阐明了Cr元素变化对低磁性不锈钢沉淀强化效果的影响。本研究阐明了Cr含量对15A3系列（Cr-Ni-Mn-Mo-Al-Ti）低磁性不锈钢的磁性和机械性能的影响，为设计更高强度的L1₂沉淀强化低磁性不锈钢提供了有用的指导。

实验材料与方法

为了研究Cr元素对通过纳米沉淀强化的低磁性不锈钢的磁性和机械性能的影响，采用单变量成分设计方法制备了三种15A3系列（Cr-Ni-Mn-Mo-Al-Ti）低磁性不锈钢：Fe_67-xCr_xNi₂₅Mn₁Mo₂Ti₄Al₁(X=13, 18, 25原子百分比)，实验钢的名称分别为15A3-1、15A3-5和15A3-6。

微观结构

图2显示了热轧后实验钢的EBSD结果。15A3-1和15A3-5钢的热轧后微观结构由变形的奥氏体晶粒组成，如图2(a)和图2(b)所示。奥氏体晶粒沿轧制方向伸长，微观结构主要由恢复的变形带结构组成。当Cr含量增加到23.6%时，15A3-6钢的微观结构几乎完全由变形晶粒占据。

热力学计算

图14显示了不同Cr含量的实验钢15A3-1、15A3-5和15A3-6的热力学计算平衡相图。图表表明，在400-1500°C的温度范围内，主要平衡相包括FCC、BCC、γ′相、Laves相和σ相。计算结果显示，随着Cr含量的增加，FCC的溶解温度降低；σ相的沉淀温度范围和体积分数显著增加；

结论

本研究设计并制备了三种15A3系列低磁性不锈钢Fe_67-xCr_xNi₂₅Mn₁Mo₂Ti₄Al₁(X=13, 18, 25原子百分比)，系统地研究了它们的微观结构和性能。主要结论如下：

(1)

时效后的15A3-1、15A3-5和15A3-6钢的屈服强度分别为722 MPa、807 MPa和1175 MPa，延伸率分别为26.1%、11.1%和2.3%。Cr质量分数为13%的15A3-1钢表现出优异的强度-韧性平衡。

作者贡献声明

Changsheng Li：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。Lianggui Peng：监督、软件开发。Leipeng Wang：数据可视化、数据管理。Hongwei Wang：验证、正式分析。Zhibao Shao：方法论、实验设计。Kun Li：撰写 – 初稿撰写、实验设计、正式分析、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52274376）和洛阳船舶材料研究所海洋腐蚀与防护国家重点实验室研究基金（编号：KJS2401）的支持。