浙江至德钢业有限公司通过对试验钢组织的观察、逆转变奥氏体量的测定以及稳定性的分析，研究了碳、镍含量对304不锈钢中逆转变奥氏体形成的影响。结果表明：当镍含量较高时，在较低温度回火后钢能够获得较多的逆转变奥氏体，但其稳定性较差，由于较高温度回火有利于镍向奥氏体中的扩散，故逆转变奥氏体量增加且稳定性也上升；对镍含量较低的钢管，需要较高的回火温度才能获得相应含量逆转变奥氏体，碳含量对逆转变奥氏体的稳定性没有显著的影响，这可能是在加热或保温过程中碳集聚的区域生成了渗碳体的缘故。

镍能够显著提高钢的低温韧性，因此是低温钢中的主要元素。目前，大量使用的高镍钢为广泛应用于LNG储罐的9%镍的304不锈钢管。对304不锈钢的要求为：屈服强度大于590MPa，抗拉强度680～820MPa（对304不锈钢的要求为：屈服强度大于490MPa，抗拉强度640～830MPa），组织为回火后的马氏体或贝氏体基体上分布少量的逆转变奥氏体。研究表明：逆转变奥氏体含量及其稳定性对304不锈钢的低温韧性有着重要的影响，高的镍含量保证了在较低温度回火时钢能够得到一定量的逆转变奥氏体。然而，镍作为一种战略资源，其储量相对较少，从长期来看Ni资源紧张的趋势将持续加剧，导致Ni的加入大幅提高了钢的成本。因此，研究镍与其他元素对逆转变奥氏体形成的影响，进而开展节镍型LNG用钢的开发是低温钢领域的一个重要的研究方向。

浙江至德钢业有限公司对不同碳与镍含量的试验钢进行淬火+高温回火（QT）处理。通过不同回火温度下金相组织的观察、逆转变奥氏体含量的测定及其稳定性的分析讨论，对比研究了碳、镍含量对9镍304不锈钢组织的影响，讨论了节镍型9Ni不锈钢生产的可行性。

一、试验材料及方法

 1. 试验材料

  试验用钢采用真空感应炉冶炼。经过锻造后，轧制成15mm厚钢板，其化学成分见表。

  2.试验方案

  从轧态钢板上切取热处理试样，然后在箱式电阻炉中进行热处理，热处理工艺为常规的淬火+高温回火（QT）处理，具体工艺为：800℃保温1小时，水冷+540、570、600℃保温1小时，水冷。逆转变奥氏体含量的测定：样品经研磨、抛光后，在3%HF+28%H2O2+69%H2O的溶液中抛光1～2分钟。X射线衍射在日本理学D/MAX-rB型旋转阳极X射线衍射仪上进行，选择奥氏体（200）、（220）两条衍射线和马氏体（200）、（211）两条衍射线，测定对应的衍射角和积分强度，采用直接法计算。

二、试验结果与讨论

 1. 热处理后硬度的变化

  回火温度对试验钢硬度的影响见图，图中也标出了采用插值法计算的抗拉强度。由图可以看出，两种钢的硬度随回火温度的升高均呈现先升高后降低的趋势，并在570℃时达到最高值。

  从对比的角度来看，回火温度上升，两种钢的硬度差值有所增加。540℃回火后硬度差值为13HV，570和600℃回火后则相差约30HV。2#钢600℃回火时硬度为210HV，对应的1#、2#钢抗拉强度则由540℃时的相差39MPa，增加至106MPa。从抗拉强度的绝对值来看，600℃回火时7Ni钢的抗拉强度为683MPa，处于GB24510-2009中9Ni钢抗拉强度的下限（680～820MPa），在其他温度回火后抗拉强度均在700MPa以上。

 2. 热处理对逆转变奥氏体含量的影响

  图为回火温度对钢逆转变奥氏体含量的影响图。图给出了采用XRD法测得的经过不同温度回火后的组织中的逆转变奥氏体含量。可见，两种钢的变化规律较为一致，逆转变奥氏体含量均随回火温度的上升而逐渐增加，回火温度超过570℃时上升的趋势更加明显。从绝对量来看，1#钢经过540℃回火后即能够获得5%左右的逆转变奥氏体，而304不锈钢仅有不到2%，570℃回火后两者均有所增加，600℃后则大幅的上升，304不锈钢中达到12.5%，2#钢也达到了约8%，这说明高的镍含量更有利于逆转变奥氏体的形成。结合图中硬度的变化趋势，证明570℃回火过程中获得逆转变奥氏体稳定性较差，水冷后再次发生相变，导致实测的含量增加不明显，同时钢的硬度上升。600℃回火时逆转变奥氏体含量增加，则表明高温下镍原子更易于通过扩散而富集至逆转变奥氏体中，使得其稳定性上升，水冷后有更多的保留下来，同时基体的回火软化作用增强，因此降低了钢的硬度。另一方面，图2的结果意味着，通过调整工艺，304不锈钢能获得与普通9Ni钢相同的组织构成，即其中含有5%～10%的逆转变奥氏体。

  图为回火温度对试验钢组织的影响。由此可见，两种钢的组织基本相似，均为经过回火后的马氏体以及少量的逆转变奥氏体。图中的马氏体基体经不同温度回火后，由于再结晶程度不同，其形貌有所差异。回火温度较低时（540、570℃），两种钢均能看到淬火马氏体的板条特征，达到600℃后板条粗化，其特征逐渐消退，特别是304不锈钢由于其相变温度较低，此时已经进入两相区，保温过程中局部区域形成大量的逆转变奥氏体，导致该区域碳、镍等元素浓度显著升高，在侵蚀过程中更易于被腐蚀，因此出现了轻微的条带状特征。另一方面，基体上分布着不同量的逆转变奥氏体以及在水冷过程中生成的马氏体，图中呈细小颗粒，多位于原始奥氏体晶界以及晶内的板条束界上。从数量来看，其与图2中的结果对应的较好。从颗粒的尺度来看，304不锈钢经过较低温度（540℃）回火后即较为粗大，这可能是由于2#钢C含量相对较高，在加热和保温过程中生成了少量粗大的渗碳体。同时，图中显示570℃回火后两种钢的基体基本保持板条状，且分布着大量细密的第二相颗粒，而540℃回火后粒子量明显较少，且多分布于晶界上，导致570℃回火后硬度反而较高。

 3. 逆转变奥氏体稳定性的讨论

   为了测定逆转变奥氏体的稳定性，将已完成XRD检测的试样浸泡在液氮中5分钟，取出后再次测定其含量，对比前后结果的差异。图为回火温度对逆转变奥氏体热稳定性的影响，表明了两种钢低温处理前后逆转变奥氏体含量的对比。由图可见，在文中设定的工艺下，无论是1#钢还是2#钢都获得逆转变奥氏体，其稳定性都较低，经过低温处理后均有很大一部分转变为马氏体。研究表明，逆转变奥氏体的形成不但取决于回火工艺，回火之前的组织状况也有显著的影响。因此，通过调整轧制和淬火工艺改善组织状况，在较低镍含量下获得更稳定的逆转变奥氏体是可能的。

  表给出了低温处理后逆转变奥氏体与处理前相比的转变率。由表可见，对于304不锈，回火温度越高，转变量越低，说明随着镍原子向奥氏体中的富集，逆转变奥氏体稳定性显著上升。304不锈钢则呈现相反的趋势，在低温下获得逆转变奥氏体的转变量相对较低，这可能是由于当温度较低时，只有镍富集程度更高的位置能够形成逆转变奥氏体，因此其稳定性更高。当保温温度达到600℃时，逆转变奥氏体含量显著增加，但由于基体中镍含量较低，镍在逆转变奥氏体中的富集程度变小，其稳定性降低，转变量上升。

  碳是主要的奥氏体稳定化元素之一，因此奥氏体中碳浓度的高低能够在一定程度上反映奥氏体稳定性的差异。因此，可通过XRD的测量数据计算逆转变奥氏体中的碳浓度。奥氏体中的碳含量与其点阵常数的对应关系。

图为回火温度对钢逆转变奥氏体碳含量的影响图。它是由计算得到的逆转变奥氏体中的碳浓度。由图可知，随逆转变奥氏体含量的增加，其中的碳浓度均呈降低的趋势。从绝对量来看，经过高温回火后两种钢测得的结果趋于一致。这表明在常规的热处理条件下，304不锈钢中的碳并未有效地富集到逆转变奥氏体中，而可能在加热和保温过程中形成了部分渗碳体，消耗了一定量的碳，这也导致了304不锈钢逆转变奥氏体中碳浓度随回火温度的升高快速降低。这一结果表明：在常规QT工艺下，由于碳无法实现在逆转变奥氏体中的充分富集，逆转变奥氏体的稳定性在更大程度上取决于其中的镍含量。

三、结论

  1. 当镍含量较高时，在较低的回火温度下也能获得较多的逆转变奥氏体；当镍含量较低时，则需要适当提高回火温度才能获得相应量的逆转变奥氏体。

  2. 逆转变奥氏体的稳定性更大程度上取决于钢中的镍含量及其在奥氏体中的富集程度。增加钢的C含量，在常规处理条件下，随着加热温度上升或保温时间延长有可能形成渗碳体，因此，碳含量对逆转变奥氏体稳定性的影响较小。

  3. 随回火温度的上升，不同镍含量钢的硬度差值有所增加，但其硬度仍达到210HV以上。由于回火之前的组织状况也影响逆转变奥氏体的形成，因此通过调整轧制和淬火工艺改善组织状况，可以在较低镍含量下获得更多更稳定的逆转变奥氏体。这说明适当降低304不锈钢中的镍含量，开发节镍型的LNG储罐用钢在理论上是可行的。