摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1马氏体不锈钢概述 1

1.1.1马氏体不锈钢的化学成分及研发理论基础 1

1.1.2马氏体不锈钢的制备工艺 3

1.1.3 马氏体不锈钢的热处理、组织结构及性能 5

1.2马氏体不锈钢的研究现状及发展 6

1.2.1马氏体不锈钢的发展趋势 7

1.2.2马氏体不锈钢的发展与展望 7

1.3本课题的研究目的和意义及研究内容 8

1.3.1研究目的和意义 8

1.3.2研究内容 9

2 AUS-8厨刀断裂失效分析 10

2.1AUS-8及厨刀失效背景 10

2.1.1AUS-8 10

2.1.2AUS-8厨刀失效背景 10

2.2 实验测试 12

2.2.1实验材料及制备 12

2.2.2制备过程 12

2. 3 测试项目 13

2.3.1金相组织观察 13

2.3.2硬度的测量 15

2.3.3表面缺陷检验和断口形貌观察 15

3.冷却方式对马氏体不锈钢性能影响实验 19

3.1 1.4116厨刀风冷、油冷性能分析 19

4 结论 26

参考文献 27

致谢 29

摘要

本实验主要通过对AUS-8厨刀断裂失效分析来研究马氏体不锈钢热处理失效的原因。经过淬火加回火的AUS-8在磨削过程中出现磨削裂纹。同时，无肉眼可见裂纹的厨刀在沿桌子边缘敲击时，发生脆断。经过金相组织观察、硬度测试、表面缺陷检验、断口形貌观察等一系列测试方法。测试结果表明：AUS-8热处理后硬度略微偏高，且存在硬度不均匀现象，磨削过程中产生的表面微裂纹呈网状连续分布，是造成磨削裂纹和冲击断裂的主要原因。随后进行了1.4116厨刀风冷、油冷后组织和硬度分析，显微硬度和金相分析结果表明两者硬度、金相组织并无太大差异。最后对小刀表面氧化起皮的现象进行研究，通过对表面和心部组织对比深化对氧化起皮的理解。

关键字：马氏体不锈钢、断裂失效、AUS-8、风冷和油冷、氧化起皮

Abstract

In this experiment, the failure reason of martensite stainless steel heat treatment was studied by analyzing the fracture failure of AUS-8 kitchen knife.The AUS-8, which has been hardened and tempered, appears grinding crack during grinding.At the same time, the kitchen knife without visible crack breaks when it is struck along the edge of the table.A series of testing methods including metallographic observation, hardness test, surface defect test, fracture morphology observation, etc. The test results show that the AUS - 8 after heat treatment hardness slightly on the high side, and the hardness uneven phenomenon, micro cracks occurring in the process of grinding surface net-like continuous distribution, is the main cause of grinding cracks and impact fracture.Subsequently, the microstructure and hardness of kitchen knife after air cooling and oil cooling were analyzed. The results of microhardness and metallographic analysis showed that there was no significant difference in hardness and metallographic structure between them.In the end, the phenomenon of oxidation and peeling on the surface of knife is studied.

Key words: Martensite stainless steel； fracture failure； AUS-8； air cooling and oil cooling,；oxidation peeling

1 绪论

1.1马氏体不锈钢概述

人们常说的不锈钢是指含铬量大于12%或者含镍量大于8%的合金钢，而马氏体不锈钢是指使用态为马氏体的一类不锈钢。作为传统的可硬化铸造钢种，马氏体不锈钢的主要特点是其淬性非常好，可以通过淬火、回火等常用的热处理工艺来进行强化处理，从而获得高强度、硬度及耐磨性。马氏体不锈钢与铁素体不锈钢相比，其具有更高的强度和良好的综合力学性能以及在高温环境下的抗氧化性能；在温度不高的大气、水及弱碱环境下能够表现出良好的抗腐蚀性能，不过在强酸的环境下抗腐蚀性较差。

马氏体不锈钢与普通合金钢一样, 可以通过淬火实现强化。根据不同牌号选择适宜的热处理工艺规范, 从而能够在较大范围内获得不同的力学性能。根据其性能的不同, 马氏体不锈钢主要用于制造蒸汽涡轮的叶片、医疗器械、餐具、测量用具、弹簧及在弱腐蚀介质中工作的阀门、螺栓等, 并且伴随着性能的不断提高, 逐渐被应用于航空、航天以及军事等尖端领域。马氏体不锈钢根据化学成分的不同, 分为马氏体铬不锈钢 (Fe-Cr-C) 和马氏体铬镍不锈钢 (Fe-Cr-Ni)。根据组织和强化机理的不同, 还可分为马氏体不锈钢、马氏体沉淀硬化不锈钢、马氏体时效不锈钢以及超级马氏体不锈钢等。

1.1.1马氏体不锈钢的化学成分及研发理论基础

马氏体不锈钢可以分为传统马氏体不锈钢和新型马氏体不锈钢。传统马氏体不锈钢包括铬系马氏体不锈钢和铬镍系马氏体不锈钢; 新型马氏体不锈钢则有超级马氏体不锈钢、 含氮马氏体不锈钢及马氏体时效不锈钢等钢种。铬系马氏体不锈钢中Cr含量一般为12%~18%,这类钢具有良好的硬度、抗拉强度,是机械工业中广泛使用的一类钢。但其抗腐蚀性和塑性较奥氏体不锈钢要差。铬镍系马氏体不锈钢就是在铬系马氏体基础上, 向钢中加入少量的镍以改善铬系马氏体不锈钢耐蚀性。研究表明, 加入2%的镍就可显著提高马氏体不锈钢的耐腐蚀性能。随着社会发展,日益对不锈钢加工成型、焊接性、强韧性、耐蚀性等特定性能提出了更高要求,从而发展了马氏体时效不锈钢。该钢一般Cr含量为11.5% ~17.0%,C含量为0.03%。另外还含有阻碍钢中形成δ铁素体的Ni、Mn和Co等元素, 以及对钢组织沉淀硬化的Mo、Cu、Nb和Ti等元素。该钢种的发展方向是解决耐磨性差及抗疲劳强度低的问题。 为了提高不锈钢在某些特定环境下的耐蚀性, 用氮替代或部分替代镍的含氮马氏体不锈钢的研发, 成为了近年来新型马氏体不锈钢品种开发的热门领域。其目前研究方向主要是解决常压时钢液中含氮量低和冷凝时氮元素在钢中不稳定等问题。表1.1给出了部分马氏体不锈钢的具体化学成分。

表1.1 马氏体不锈钢的化学成分w(%）

1. 马氏体就是奥氏体通过扩散型相变而转变成的亚稳相。因此要想获得马氏体组织的关键在于钢组织中是否能形成稳定的奥氏体区。从而有了研究学者们对马氏体不锈钢冶炼理论基础的研究。近年来,一些文献报道了马氏体类不锈钢冶炼的理论基础主要有以下几个方面：
2. 所有马氏体不锈钢最基本的先决条件，就是在相图中必须存在奥氏体(γ 相)区域,也就是化学成分必须控制在 γ 或 γ α 相区。
3. 对于含氮马氏体不锈钢而言,除满足上述条件外，还有以下两个基础,一是氮传质到熔体中依靠两种途径:1通过气体-熔体界面反应,氮气分解成氮原子,从而被吸附进熔体;2直接向液态渣或熔体中加人固态的含氮合金或氮化物(如颗粒状的氮化硅等)。二是必须保证氮在钢液中有一定的溶解度。

对于马氏体时效不锈钢而言,其超高强度主要依赖于固溶强化、相变强化和时效强化三种强化机制, 其中时效强化在所有强化因素中起主要强化作用。

1.1.2马氏体不锈钢的制备工艺

不锈钢的冶炼方法主要有三种:一步法、二步法和三步法。在常压下，由于单步法冶炼不锈钢随冶炼温度的提高，耐火炉衬腐蚀严重，且对入炉原料有较高的要求，成本高。因此一步法冶炼不锈钢工艺目前已很少采用。目前国内外生产厂家为制造出优质不锈钢铸件，主要采用电弧炉＋精炼炉(AOD、VOD和 LF 等)二步法和初炼炉(电炉或转炉)＋转炉式脱碳炉＋真空精炼炉三步法的工艺路线来进行生产，其中采用电弧炉＋AOD 二步法冶炼不锈钢已经成为不锈钢精炼的主导技术。

二步法(初炼炉 炉外精炼)：针对不锈钢冶炼技术的特点,德、美相继研制出的VOD和AOD精炼设备,极大地推动了不锈钢二步法冶炼技术的发展。常用的二步法冶炼不锈钢工艺流程有:EAF-转炉(AOD、CLU、KCB和GOR)二步法工艺，,其中EAF-转炉二步法冶炼是一种新型冶炼方式。 目前世界上EAF AOD的二步法工艺约占70%,三步法工艺约为20%。 近年来,二步法工艺又有了新的进展, 例如KMS-S K-OBM-S和MRP(金属精炼法)等新工艺的开发, AOD炉冶炼工艺也出现了许多技术改进, 如新日铁厂增加顶枪吹氧, 使吹炼工艺更加完善;日本歌山制铁厂在AOD吹炼过程中加铬矿石; 美国Allegheny Ludlum公司使用氮气和氧气代替空气进行吹炼等，这些技术的改进使得二步法冶炼工艺更加完善。二步法冶炼不锈钢一般都用初炼炉与AOD炉配合使用,可以大量使用高碳铬铁,对原材料要求低,冶金质量好,综合投资小,且可与连铸相配合作业。近年很多文献报道了利用二步法成功冶炼出马氏体不锈钢的例子。王文德等结合东方电气集团东方电机有限公司不锈钢冶炼原有工艺存在的问题,利用电弧炉 AOD精炼炉二步法,成功制备了基体抗裂纹能力强、 纯净度高的超低碳马氏体不锈钢06Cr13Ni46Mo和06Cr16Ni46Mo。太钢对传统的EAF-AOD二步法进行工艺改进: 通过高炉铁液在BOF完成脱磷,, 在AOD完成精炼, 从而开发BOF-AOD生产铬钢的二步法新工艺, 生产了410S和430等品种。 但采用二步法冶炼不锈钢存在氩气消耗量大,耐火炉衬的寿命短,不容易深脱碳,生产超低碳、超低氮不锈钢困难等问题。 因此,降低氩气消耗量、提高耐火炉衬寿命、进一步降低钢种碳或氮含量,将是二步法冶炼马氏体不锈钢今后的几个发展方向。

三步法(初炼炉 转炉式脱碳炉 真空精炼炉)：随着转炉冶炼不锈钢技术的飞速发展, 不锈钢精炼技术日趋多样化,如K-OBM、MRP-L、CLU、RH-OB(KTB)和ASEA-SKF等。铁液预处理技术也已日益成熟,可为转炉冶炼不锈钢提供低硫、低磷铁液。这些技术的发展使得三步法得以诞生。三步法结合了AOD、VOD炉冶炼的优点,新颖的将顶底复吹转炉引入了不锈钢生产工艺, 克服了二步冶炼法氩氧消耗量大、炉衬侵蚀严重以及冶炼周期长等问题。 它作为一种新型的冶炼不锈钢工艺,Cr回收率高,炉衬寿命高、产品范围广,可以生产出大型水轮机组用超低碳马氏体不锈钢, 以及超低氮马氏体不锈钢等钢种。近年来不少国内研究学者以及企业利用三步法成功冶炼出的马氏体不锈钢具有良好的化学成分以及高纯净度。宁夏共享铸钢公司, 利用EAF LF VOD三步法工艺,成功冶炼出三峡水轮机叶片用马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo,化学成分完全符合要求,钢的纯净度高,并且Cr的综合回收率达到93%,,VOD脱碳速度达到0.01%/min。 刘剑辉等人也采用电炉 LF炉 VOD炉三步法,利用40 t VOD精炼炉对超低碳马氏体不锈钢00Cr13Ni4Mo进行了现场冶炼实验。实验结果表明,通过适当控制供氧强度、真空度和氧枪高度等参数,最终碳含量完全符合要求,并且铬的回收率高。然而三步法冶炼马氏体不锈钢较二步法增加了一套精炼设备,投资成本较高等问题,限制了三步法的大规模应用。目前在国内外以铁液为原料采用三步法冶炼不锈钢的生产厂家主要有川崎千叶四厂、新日铁八幡厂、巴西ACESITA厂、太钢第二炼钢厂和宝钢不锈钢分公司等。

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