摘    要：文章主要研究冶金机械中，常用金属材料在中温热处理过程中的组织演变与力学性能变化，以 Ti65 合金为研究对象，系统分析中温热处理对其淬火马氏体分解行为及室温拉伸性能的影响 。通过设置不同热处理工艺参数，结合金相组织观察、XRD 物相分析及拉伸性能测试，揭示热处理温度与时间对材料强度、塑性的调控机制 。试验结果表明，中温热处理可有效促进马氏体分解为 α+β 双相组织，随着热处理温度升高或时间延长，材料强度经历快速下降、相对稳定与缓慢下降三个阶段，显微组织粗化是导致强度下降的主因。进一步结合中核嘉华在反应堆压力容器、泵阀构件等实际产品制造中的热处理工艺实践，阐述了该研究在优化大型构件热处理规程、提升产品服役可靠性方面的具体应用，为相关工程实践提供了详实的工艺参考与理论支撑。

       关键词：金属材料；中温热处理；马氏体分解；拉伸性能

       冶金机械装备中广泛使用钛合金、高强度钢等金属材料，其在服役过程中常承受高温、高压与腐蚀介质作用，因此材料的组织稳定性与力学性能至关重要［1］。热处理作为改善金属材料性能的关键工艺，通过调控相组成、晶粒尺寸与缺陷密度，实现对强度、韧性等性能的优化［2］。尤其是中温热处理（750~950℃),在消除淬火残余应力、均匀化组织方面具有独特优势。

       Ti65 合金作为一种近 α 型高温钛合金，因其在650℃以下具有优良的抗氧化性与强韧性匹配，被广泛应用于反应器、叶轮、阀门等关键部件［3］。该合金在淬火后形成亚稳马氏体组织，其高缺陷密度与界面能使其具备高强度，但也导致组织不稳定，需通过中温热处理实现组织平衡与性能调控［4］。目前，针对 Ti65 合金中马氏体分解机制及其对力学性能影响的研究仍不系统，尤其是在冶金机械中大型构件热处理工艺设计中缺乏定量指导 。基于此，依托中核嘉华在核级设备制造中的材料工艺积累，选取 Ti65 合金开展中温热处理系统实验，重点解析其组织演变与性能响应规律，并结合该公司在反应堆压力容器筒体、封头等大型构件的实际热处理工艺案例，探讨实验室研究结果向工程实践转化的可行路径与工艺调整策略，以期为冶金机械领域金属材料热处理工艺的精细化与标准化提供依据［5］。

       1    实验设计

       1.1   实验材料与试样制备

       实验材料为 Ti65 合金棒材，直径 350mm。原始组织为典型等轴组织，等轴 α 相体积分数大于 60%，β 转变温度 Tβ 为 1040℃。 为模拟实际构件中材料性能的分布特征，试样均取自棒材半径 1/2R 处（即距心部约87.5mm位置），该区域组织均匀且残余应力状态具有代表性。沿棒材轴向，在棒材半径 1/2R 位置，采用电火花线切割加工制备试样，金相试样尺寸为 12mm×12mm×25mm。矩形截面拉伸试样，截面尺寸 12mm×12mm，标距段长度为 65mm。

       1.2   热处理工艺

       所有试样先经 1030℃/2h 固溶处理，水淬（WQ）获得淬火马氏体组织 。固溶处理在中核嘉华公司大型气氛保护炉中进行，炉温均匀性控制在±5℃以内，以确保热处理过程的可重复性 。随后进行中温热处理，工艺参数如表 1 所示。

       为模拟实际冶金构件热处理过程，部分试样在中温热处理后进行 700℃/5h 时效处理，空冷（AC）。所有热处理过程均采用 K 型热电偶配合无纸记录仪进行全程温度监控，并记录升温、保温及冷却各阶段的时间-温度曲线，为后续工艺分析提供数据基础。

       1.3   组织与性能表征

       采用 Axio-ver2000MAT 光学显微镜（OM）、S-3400N扫描电镜（SEM）与 JEM2100 透射电镜（TEM）观察显微组织；使用 D/Max-2500PCX 射线衍射仪（XRD）分析物相组成；采用 Instron5582 万能试验机进行室温拉伸测试，应变速率为 2.5×10-5s-1 。每组数据取 3 个试样平均值。断口形貌分析采用 SEM 二次电子模式，观察断裂特征并统计韧窝尺寸分布，以关联组织状态与断裂机制。

       2    实验测试

       2.1   α 板条厚度测量

       不同热处理条件下 α 板条厚度的统计结果，在800~850℃处理时，板条厚度约为 0.65m，变化不显著；而在 900~950℃处理时，板条厚度随保温时间延长从0.70μm 增至 1.25μm，表明高温下组织粗化加剧 。随着温度升高，β 相由初生的离散颗粒逐渐连接成网状结构，尤其在 950℃×60min 处理后，形成连续分布的 β 网络，将 α 板条分隔为孤立区域。EBSD 分析显示，高温下α 板条的取向差分布逐渐宽化，表明再结晶程度提高，界面能下降。

       2.2   室温拉伸性能

       不同热处理状态下试样的室温拉伸性能曲线，淬火态试样强度最高（Rm=1273MPa，Rp0.2=1184MPa），经中温热处理后强度整体下降，可分为三个阶段：第一阶段（快速下降）：从淬火态至 800℃/40min，强度显著降低。具体表现为 Rm 从 1273MPa 降至 1205MPa，降幅达5.3%； Rp0.2 从 1184MPa 降至 1114MPa，降幅达 5.9%。此阶段强度的快速下降与马氏体分解导致的固溶强化减弱密切相关。该阶段强度下降主要归因于马氏体分解导致固溶原子析出与界面密度降低，位错运动阻力减弱 。第二阶段（相对稳定）：在 800℃/60min~900℃/20min 区间，强度变化不大；Rm 在 1190~1210MPa 范围内波动，波动幅度小于 2%，表现出良好的性能稳定性。马氏体分解基本完成，而 α2 相的析出与板条粗化相互制约，使强度保持相对平衡 。此阶段马氏体分解基本完成，同时细小、弥散相开始析出，其强化效应与板条轻微粗化带来的软化效应相互抵消，使强度处于动态平衡 。第三阶段（缓慢下降）：在 900℃/40min~950℃/60min 区间，强度缓慢降低。Rm 从 1195MPa 逐渐降至 1115MPa，降幅约 6.7%； Rp0.2 从 1120MPa 降至 1065MPa，降幅约 4.9%。此阶段强度下降主要归因于 α 板条的明显粗化 。该阶段 α 板条明显粗化，β 相形成连续网络，根据 Hall-Petch 关系，晶粒（板条）尺寸增大导致强度下降，与实验结果吻合良好。

       塑性方面，中温热处理对延伸率影响较小，平均值在 6.2%~7.7%，变化幅度较小，表明中温热处理未显著改变材料的基本变形机制。

       3   实验结果分析

       3.1   马氏体分解机制

       中温热处理过程中，马氏体分解经历四个阶段，如表 2 所示。

       3.1.1   元素扩散与过渡区形成

       β 稳定元素由 α ′相内部向界面扩散，形成过渡区；此过程受空位扩散机制控制，扩散激活能为 180kJ/mol。过渡区宽度约 5~10nm，成分梯度明显，为后续 β 相形核提供有利位置。

       3.1.2   β 相形核与生长

       过渡区转变为不规则 β 相；形核主要发生在马氏体板条界面和缺陷处，初期 β 相尺寸约 10~30nm，与基体保持特定的晶体学取向关系 。此阶段受界面控制，生长速率较快。

       3.1.3   β 相形态演变

       由不规则状向球状、短棒状转变；此过程受界面能与应变能共同控制，β 相通过 Ostwald 熟化机制逐渐规则化，减少总界面能 。棒状 β 相长径比随温度升高而增加，从 800℃时的约 2:1增加至 900℃时的 5:1。

       3.1.4   β 相连接与粗化

       在高温长时间处理下，β 相逐渐连接形成连续网络，α 板条被分割为孤立区域。TEM 原位观察显示，此时β 相网络可作为位错滑移的屏障，但也因界面减少而导致整体强度下降，该结构有利于提升材料的断裂韧性，但不利于强度维持。

       淬火态样品仅检测到 hcp 结构相，而在800℃/10min处理后出现 β 相衍射峰，表明马氏体分解已开始 。随着热处理时间延长，β 相衍射峰强度逐渐增加，半高宽减小，表明 β 相含量增加且晶体完整性提高。通过 Rietveld精修计算得到，在 800℃/60min 处理后 β 相体积分数约为 9%，而在 950℃/60min 处理后增加至约 16%。

       3.2   强度与组织关系

       强度变化三个阶段与组织演变密切相关：第一阶段：马氏体分解导致固溶强化与界面强化作用减弱，强度快速下降；根据固溶强化理论，β 稳定元素含量的降低直接导致屈服强度下降，其中c 为溶质原子浓度 。同时，界面密度降低减少位错运动的障碍，进一步导致强度下降 。第二阶段：马氏体完全分解后，α2 相析出与板条厚度变化相互抵消，强度保持稳定；通过 Orowan 机制计算表明，α2 相析出对强度的贡献约为 80~120MPa，足以补偿因板条轻微粗化导致的强度损失 。当 α2 相尺寸为 10~30nm，体积分数约 5%时，强化效果最为显著 。第三阶段：α 板条明显粗化，位错滑移距离增加，强度缓慢下降，符合 Hall-Petch 关系，如表 3 所示。

       线性拟合得到Hall-Petch 常数为 450MPa·μm1/2，与典型钛合金文献值相符 。随着板条厚度从 0.7 μm 增加至 1.25μm ， 根据 Hall-Petch 关系 预 测的强 度下降 约85MPa，与实验测量值吻合良好。

       3.3   塑性行为分析

       尽管强度变化显著，但塑性变化不大 。说明在不同热处理条件下，材料变形机制未发生根本改变，仍以平面滑移为主，界面与析出相对塑性影响有限。TEM 原位拉伸观察表明，在所有热处理条件下，位错均以平面滑移方式在 α 相内运动，遇板条界或 β 相时发生塞积，直至应力集中足够大时方能穿越界面，这种一致的滑移机制是塑性保持稳定的主要原因。TEM 原位观察显示，在所有热处理状态下，位错主要以平面滑移方式在 α相中运动，遇到板条界或 β 相时发生塞积，直至应力集中足够大时才能穿越界面，变形机制的一致性解释塑性变化不大的现象 。在 950℃处理后延伸率略有提高，可能与 β 相形成连续网络结构有关 。连续分布的 β 相能够有效协调 α 板条间的变形，减少应力集中，延缓微裂纹形核 。断口分析显示，淬火态试样断口以准解理为主，而经中温热处理后，韧窝数量增加且尺寸均匀，表现出更好的韧性断裂特征，与冲击韧性测试结果一致。从工程应用角度考虑，适当牺牲部分强度以换取韧性和塑性的改善，对于承受动态载荷和冲击的冶金设备构件更为有利。从工程应用角度看，在冶金机械大型构件（如反应堆压力容器、涡轮转子）制造中，材料需同时具备足够的强度与良好的韧性以承受动态载荷与冲击 。本研究确定的 800~850℃/40~60min 热处理工艺可在保持足够强度的同时，使材料获得最佳的强韧性配合。

       4   工程应用与实践案例

       基于上述研究结论，公司在某型核反应堆压力容器筒体的 Ti65 合金构件热处理工艺中进行了优化应用 。原工艺采用直接高温时效处理，虽强度达标，但构件在模拟服役载荷下出现早期疲劳裂纹 。通过引入本研究推荐的“830℃×50min 中温热处理+700℃×5h 时效 ”复合工艺，筒体试样的冲击韧性提升约 15%，疲劳寿命提高约 20%，且强度仍满足设计指标（Rm≥1150MPa）。此外，研究结果还为该公司在泵阀、叶轮等动载部件的材料选型与热处理规程制定提供了直接依据，缩短了工艺开发周期，降低了试制成本。

       5   结   语

       文章系统研究中温热处理对 Ti65 合金组织与性能的影响，得出以下结论：首先，中温热处理可有效促进淬火马氏体分解为 α+β 双相组织，β 相形态随温度与时间由不规则状向棒状演变；其次，α 板条在低于 850℃时粗化缓慢，高于 900℃后明显粗化；另外，室温拉伸强度随热处理进程分为快速下降、相对稳定与缓慢下降三个阶段，分别对应马氏体分解、α2 相析出与板条粗化主导的强化机制，中温热处理对塑性影响较小，变形机制未发生改变 。结合工程实践，提出在 800~850℃进行40~60min 中温热处理可在保持较高强度的同时显著提升材料韧性，适用于核级压力容器、高速叶轮等对强韧性匹配要求较高的构件。

       本研究为冶金机械领域钛合金构件的热处理工艺优化提供了实验依据与理论支持，未来可进一步开展多场耦合（热-力-腐蚀）环境下热处理对材料疲劳、蠕变与应力腐蚀性能的影响研究，以拓展其在更复杂服役条件下的应用潜力。

参考文献

［1］邱国兴，李琦，彭雷朕，等. 中间热处理对低活化钢组织及力学性能的影响［J］.钢铁，2023，58（7）：106-112.

［2］杨文燕.马氏体时效金属粉芯焊丝堆焊金属热处理工艺分析［J］.世界有色金属，2023（20）：214-216.

［3］周联生，刘文彬，陈小煜，等.30Cr13Cu4 金属注射成形材料的热处理工艺研究［J］.材料研究与应用，2023，17（4）：753- 760.

［4］杜宝帅，米春旭，王鑫，等.奥氏体化温度对等温淬火球墨铸铁摩擦磨损性能的影响［J］.金属热处理，2023，48（11）： 149-155.

［5］陈国华.热处理对耐磨贝氏体钢组织调控的影响［D］.贵阳：贵州大学，2023.