淬火+两相区淬火+回火(QIT)能显著的提高304不锈钢管的低温韧性。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)和电子探针(EPMA)对QIT处理的304不锈钢管中逆转变奥氏体的含量、形貌、分布以及两相区淬火对逆转变奥氏体的影响进行了研究。结果表明，QIT处理的304不锈钢管中逆转变奥氏体的含量约为10%，以块状和薄膜状形态分布在基体中;两相区淬火的304不锈钢管中的大角度晶界增多，有利于逆转变奥氏体的形核;基体上某些区域的碳、锰和镍元素含量较高，利于逆转变奥氏体长大和稳定化。

 304不锈钢是一种低碳奥氏体型低温用钢，与其它低温钢相比具有很多优点，例如:较高的屈服强度和抗拉强度，优良的低温韧性，良好的可焊性以及较低的成本等，因此，成为液化天然气(LNG)储罐重要的结构材料。304不锈钢管经合适的热处理后，在组织中会有少量的奥氏体形成，称为逆转变奥氏体，逆转变奥氏体的出现是回火过程中最主要的组织变化，且回火后9Ni钢的低温韧性明显改善。因此，认为逆转变奥氏体的形成对9Ni钢的低温韧性有重要的影响。同时，研究发现在回火处理之前加入一次两相区淬火的工艺称为:Quenching+Intercriticallyquenching+Tempering简称为QIT处理，可以显著改善304不锈钢管的低温韧性。有学者研究认为，QIT能够有效的细化晶粒，在回火后能够生成提高低温韧性的逆转变奥氏体并能提高抗回火脆性。之前的研究多集中在逆转变奥氏体对低温韧性的影响方面，而对QIT工艺对逆转变奥氏体的形貌、分布以及两相区淬火处理对逆转变奥氏体的影响等内容很少涉及。浙江至德钢业有限公司对以上问题进行研究，力图阐明两相区淬火工艺对304不锈钢管中的逆转变奥氏体含量和分布的影响。

一、实验材料及方法

  实验钢管用真空感应炉冶炼，最终轧成15mm不锈钢管，采用DIL-805A膨胀仪测定实验钢加热时α转变为γ的转变开始温度Ac1为640℃，转变终了温度Ac3为720℃，热处理规程为:800℃保温1h，水冷+670℃保温1h，水冷+570℃回火1小时，水冷。

  图QIT处理后304不锈钢管的透射组织，从热处理后的样品上切取金相试样，经研磨、抛光后，用6%～7%(体积分数)的硝酸酒精溶液侵蚀，在扫描电镜(SEM)上观察微观组织;在5%(体积分数)的高氯酸酒精溶液中双喷减薄，在JEOL2010型透射电镜上进行透射组织观察。采用X射线衍射(XRD)法测定逆转变奥氏体含量，样品经研磨、机械抛光后，在3%HF+28H2O2+69%H2O的溶液中抛光1～2min。XRD在日本理学D/MAX-rB型旋转阳极X射线衍射仪上进行。选取奥氏体200、220两条衍射线和马氏体200、211两条衍射线进行扫描，计算时将所测量的4条衍射线进行排列组合，取其算术平均值作为最终结果。热处理后的样品在20%(体积分数)的高氯酸酒精溶液中电解抛光，进行EBSD分析，步长选取0.5μm，试样经研磨，抛光后在JXA-8100进行EMPA分析，测量碳、锰、镍元素的含量。

二、实验结果与讨论

 1. QIT处理304不锈钢管中逆转变奥氏体的形貌和分布

  经QIT处理的实验钢，XRD测试表明其逆转变奥氏体的含量为10.9%。图给出了实验钢经QIT处理后的微观组织，可以看出，其基体为板条马氏体，其上分布着亮衬区，这些光亮区由逆转变奥氏体和水冷过程中生成的淬火马氏体两部分组成，在扫描电镜下难以将它们准确区分，但淬火马氏体受侵蚀后只能部分保留下来，其遗留物分布不均匀，存在的位置也比较散乱;而逆转变奥氏体的分布比较规则，主要分布在奥氏体晶界，板条束界或板条之间。

  图为实验钢经透射电镜(TEM)观察到的微观组织，可以看出，逆转变奥氏体有的为块状，块状奥氏体有时还会以“马-奥岛”的形式存在，有些逆转变奥氏体以薄膜状分布在板条之间薄膜状逆转变奥氏体大多分布在板条束之间，在受到外力作用时由于周围“硬相”的?；?，较难发生转变，稳定性较高。同时还可以看出板条马氏体内分布着密度不等的位错。位错型马氏体相对于孪晶马氏体具有高的强韧性组合。

  有研究表明，经淬火+回火(QT)处理后的逆转变奥氏体主要分布在原奥氏体晶界上，而板条束界和板条之间分布较少。为观察逆转变奥氏体在基体上的分布，采用EBSD技术对QIT处理的试样进行了分析，结果如图所示。其中，黑色块状物为扫描到的逆转变奥氏体，可以看出，经过QIT处理后，逆转变奥氏体不但分布在晶界上，也分布在晶内的部分区域中，从图3可以看出，晶内的逆转变奥氏体多分布于晶内的小角度晶界上，因为板条界为小角度晶界，这表明晶内的板条界上也生成了部分逆转变奥氏体，从而使逆转变奥氏体的分布均匀。

  为了定量的说明QIT对304不锈钢管中逆转变奥氏体分布的影响，对图中逆转变奥氏体的分布位置进行了统计，结果如图所示?？梢钥闯?，晶内的逆转变奥氏体约有60个，晶界上的逆转变奥氏体约有138个，这与图的观察结果相对应。

 2. 两相区淬火对逆转变奥氏体的影响

  两相区淬火对逆转变奥氏体的生成有两个促进作用:

  a. 能够提供更多的形核位置，两相区淬火处理后生成的马氏体与奥氏体淬火生成的马氏体之间为大角度晶界，有利于奥氏体的形核;

  b. 两相区保温期间，由于温度较高，碳、锰、镍等溶质原子能够以较快的速度向奥氏体中扩散，这部分奥氏体在随后的水冷过程中大多仍会重新转变为马氏体，这些新生马氏体的溶质原子浓度远高于原生马氏体，在回火过程中新生马氏体存在的区域会首先发生相变而生成奥氏体，而这些奥氏体一旦形成，其周围新生马氏体中所富集的溶质原子只需经过较短距离的扩散就能进一步偏聚于逆转变奥氏体内，以上因素都促进了逆转变奥氏体的长大与稳定化。为了验证第一个作用，图给出了两相区淬火后304不锈钢管中晶界的取向分布图，可以看出，小角度晶界(＜10°)和大角度晶界(＞15°)的比例基本相当，小角度晶界大部分都是奥氏体区淬火形成的板条马氏体，经过两相区淬火处理后，新生马氏体与奥氏体区淬火生成的马氏体之间为大角度界面，从而提高了大角度晶界的比例。由于大角度界面更有利于奥氏体的形核，这就为回火阶段逆转变奥氏体的形核提供了更多有利的位置。

   图给出了两相区淬火后碳、锰和镍元素在基体中的分布，电子探针所探测的长度为150μm，从图可知，板条马氏体长约为10μm，宽约为1μm。因此，电子探针所探测的长度上约有15条马氏体板条，这样的结果有统计意义。从图可以看出，按照各个元素的含量高低可以将150μm的扫描距离分成4个区域，其中A区为0～30μm，B区为30～60μm，C区为60～120μm，D区为120～150μm。可以看出，B和D区中的碳、锰和镍的含量最低，分别为约0.37%、0.58%和7.0%;C区中的碳、锰和镍含量最高，其中碳的含量约为0.5%，值得注意的是在距离探测开始82μm处的C含量达到了1%以上;镍的含量平均为9%。通过以上的分析可以看出，QIT处理后的试样中出现了明显的成分起伏。碳、锰和镍等稳定奥氏体化的元素开始集中于某些区域，例如图中的C区，其分布开始产生“波动”，镍含量高的位置应是两相区保温过程中奥氏体存在的区域，而在某些微小区域镍的浓度可能更高，使得这些区域的Ac1点更低，甚至低于随后的回火温度，因此在回火过程中首先发生奥氏体相变;同时，由于镍原子偏聚于这些区域，使得在该区域形核的奥氏体更容易获得足够的镍，因此经过较短时间的回火，即能够得到稳定性较高的逆转变奥氏体。

三、讨论

 以上的研究表明，QIT处理能够促进逆转变奥氏体的形成，使其分布均匀。QIT热处理过程中组织的变化可以用图表示，初始组织为第一次淬火时形成的板条马氏体，由不同取向的板条束构成。

 1. 两相区保温阶段：在此期间部分区域板条马氏体转变为奥氏体，由于温度较高，除了碳之外，镍、锰等元素的扩散能力也明显增强，同时较长的保温时间也使这些原子有充足的时间进行较长距离的扩散，因此保温过程中这部分奥氏体中的溶质原子的浓度逐步增高。

 2. 两相区淬火阶段：在此过程中，两相区保温时生成的奥氏体稳定性较差，在冷却过程中转变为与基体取向不同的淬火马氏体，提高了大角度晶界的比例，同时残留了一定量的奥氏体。由于两相区保温时的溶质原子扩散，使得这部分新生马氏体中含有更多的碳、镍、锰等原子，而一次淬火后生成的马氏体则在此期间发生了粗化。

 3. 回火阶段：残留的奥氏体可以直接作为核心而长大，马氏体束界以及新旧马氏体的交界处也是易于形核的位置，此外在某些碳、镍和锰含量较高的部位，局部的Ac1点升高，也有利于奥氏体的形核;而且由于新生马氏体内含有较多的碳、镍和锰等原子，这些原子经过较短距离就能够扩散至其内部的奥氏体内，提高了奥氏体的稳定性。

 4. 回火冷却：在此阶段，保温时生成的奥氏体中有部分不稳定的奥氏体发生相变，但由于奥氏体的形核位置更加弥散，因此逆转变奥氏体的分布更加均匀，同时其富集的稳定化元素也增加。

  经过两相区淬火后304不锈钢管中溶质原子的分布发生了改变，两相区淬火的实质为:利用高温有利于扩散的有利条件，先将部分溶质原子“聚集起来”，从而减少了回火时这部分原子的扩散距离，促进了逆转变奥氏体的形成，即QIT处理时奥氏体稳定元素经历了“两次扩散”;同时，由于新旧马氏体之间取向差异较大，组织中的大角度晶界增加，增加了形核位置，使形核分布更加均匀。

四、结论

 1. 经QIT处理后的304不锈钢管中的逆转变奥氏体70%分布在原奥氏体晶界上，30%分布在晶粒内部，逆转变奥氏体的形态分为块状和薄膜状，薄膜状逆转变奥氏体分布在两个板条之间，稳定性较高;

 2. 经过两相区淬火处理后，实验钢中大角度晶界增多，为逆转变奥氏体的形核创造了有利条件;基体中的碳、锰和镍等稳定奥氏体化元素分布不均匀，有的区域含量较高，这有利于逆转变奥氏体的长大和稳定化。