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超高强度马氏体时效不锈钢因其高韧性、高耐腐蚀性和简单的热处理工艺等优点被广泛用于工业制造的各个领域。多年来,本课题组对瑞士Sandvick公司研发的1RK91型(00Cr12Ni9Mo4Cu2)马氏体不锈钢进行了大量的相关实验,找到了1RK91最佳的热处理工艺,探讨了Mo、Ti含量、离子渗氮对1RK91组织和性能的影响。同时,本课题组还对红条毛肤石鳖牙齿的结构进行研究,发现其自锋利形成的主要原因之一是硬度梯度分布：取食过程中,牙齿硬度低的区域磨损要比硬度高的区域大。因此,若能将该结构运用在马氏体时效不锈钢制做的刀具上,可使刀具本身又强又韧,刀刃还不容易钝化,这有利于大幅延长刀具的使用寿命,提高刀具的使用效率,降低刀具的使用成本。以此为背景,本文熔炼了三种不同类型的马氏体时效不锈钢：H1 (00Cr10Ni9Mo3Cu2Ti)、H2 (00Crl2Ni9Cu2Ti)、1RK91 (00Cr12Ni9Mo4Cu2),通过喷丸处理使试样呈现连续的硬度梯度分布。具体步骤是：先将试样进行不同温度的固溶处理,不同类型的喷丸处理,然后在475℃的温度下时效处理2h。并通过直读光谱仪、金相观察、维氏硬度测试、X射线衍射分析(XRD)、粗糙度仪、扫描电子显微镜(SEM)研究了固溶处理温度、合金元素、喷射时间、喷射距离、弹丸种类、弹丸粒径对这三种合金组织和性能的影响,最后找到效果最佳的材料和工艺。研究表明,H1试样的最佳固溶温度为1050℃,H2试样的为950℃,两个试样淬火后的组织几乎全部由马氏体组成,而1RK91试样在1100℃处理半小时后却还存在着比较多的残余奥氏体。试样经喷丸处理后表面会产生大量的残余压应力,且位错密度大幅提高、晶粒细化。这个过程中,1RK91试样受喷表面的残余奥氏体在应力作用下会转化为马氏体。同时,喷丸造成的应力场并不影响时效过程中第二相颗粒的析出,时效处理也没有松弛喷丸处理所得的应力。H1、H2和1RK91试样受喷层纵截面方向可分为剧烈形变层Ⅰ、过渡区域形变层Ⅱ和基体层Ⅲ。随着层深的增加,试样受喷层纵截面上的显微硬度呈下降趋势。通过一系列的实验发现,喷丸强化效果最佳的材料为1RK91,其最佳喷射时间为lmin,最佳喷射距离为25mm,最佳弹丸为0.4-0.6mmm粒径的氧化锆陶瓷丸。在最佳工艺条件下,通过时效处理,Ⅰ层与Ⅱ层的硬度梯度进一步扩大,Ⅰ层的硬度可达580HV；另外,喷丸处理能够增加1RK91试样受喷表面的粗糙度,并覆盖受喷表面原有的划痕,最后留下一个个深浅不一的分布着层片状组织的压坑。1RK91试样剧烈变形层I中的马氏体呈织构状和纳米级的球状,前者通过压缩变形产生,后者是通过马氏体碎化和残余奥氏体应力诱发而形成的。