1.6 热处理对马氏体耐热钢的重要性

ADS 系统候选马氏体结构材料要求同时具有优异的耐高温、耐液态金属腐 蚀、抗辐照三项性能[3]。其中高温力学性能是其至关重要的一项性能，而耐热钢 的高温力学性能主要由其组织结构决定。热处理过程的一个目的就是赋予耐热钢 以强度高、高温稳定性好的组织。

9~12%Cr 马氏体耐热钢均通过正火加回火的热处理工艺，获得固溶强化、 板条马氏体强化、界面强化、位错强化和析出强化等复合强化效果,从而获得高 持久强度[27]，其经过热处理后的典型组织显微组织如图 1.5 所示[28]。其组织主要 由马氏体板条和析出相构成。9~12%Cr 马氏体耐热钢的高温强度与析出相的种 类、数量和分布密切相关，析出相主要由 M23C6、MX 组成，其中 M23C6 尺寸较 MX 尺 寸大，两者的分布与耐热钢的含碳量、热处理工艺等诸多因素有关。

图1.5 热处理后9-12%Cr马氏体耐热钢的显微组织[28]

9~12%Cr马氏体耐热钢的正火温度通常为1040-1100℃，在该过程中合金元 素充分固溶于奥氏体中，并会发生奥氏体成分的均匀化。9~12%Cr耐热钢由于其 高淬透性，仅通过空冷即可获得马氏体组织，故一般不采用水淬，以免增大热应 力，影响其韧性。正火温度应选择在较高值，以使合金元素充分固溶，在室温时 充分发挥固溶强化的效果，但不应过高。但考虑到晶粒粗大问题，正火温度不应 过高。对于耐热钢而言，合适的晶粒尺寸也是影响其性能的关键，一方面由于晶 界附近容易发生择优蠕变，过于细小的晶粒对于提高材料的持久强度并不一定有 利；另一方面由于蠕变孔洞往往是在三叉晶界或晶界上粗大的析出相粒子表面形 核长大，过于粗大的晶粒又会降低蠕变过程中晶粒与晶粒之间的变形协调性。从 而降低材料的持久强度[29]。因而，需要优化正火热处理工艺，得到适中的晶粒尺 寸来发挥材料持久强度的潜力。

9~12%Cr 马氏体耐热钢的回火温度通常为 700~800℃。若回火温度过低，则 马氏体板条中残留很多位错，会影响组织稳定性，因而降低其高温蠕变性能，另 外，合金元素也无法完全沉淀析出，起不到析出强化的效果。但回火温度亦不可 过高，否则会引起析出相聚集长大，在析出相与基体的界面处容易出现蠕变孔洞， 引起材料蠕变失效。回火保温时间的选择可类比回火温度来看，回火保温时间过 短不利于沉淀析出、马氏体板条回复，过长则会引起析出相的熟化。

课题组研究的 SIMP 系列钢是在 9~12%Cr 马氏体耐热钢的基础上加 Si 以提 高抗氧化腐蚀性能，消除低活化元素来提高抗中子辐照性能。希望以 9~12%Cr 马氏体耐热钢的传统热处理工艺为参考，再通过进一步的组织和力学性能的分 析，确定适合 SIMP 钢的最佳热处理工艺。来!自~优尔论-文|网www.youerw.com

1.7 实验设计：

由于热处理工艺的因素很多，如正火温度、正火保温时间、回火温度、回火 保温时间、回火冷速等，为提高实验效率，采用正交实验设计实验。首先定出大 致的热处理工艺，通过金相观察、硬度测试对热处理工艺进行初选。在进行初选 后，在各热处理参数的合适值范围内减小参数值梯度，设计热处理工艺，进行室 温拉伸、室温冲击、高温拉伸实验，利用极差分析确定各热处理因素对力学性能 的影响程度。再结合单因素分析，定出最佳热处理工艺。