15CrMoR鋼變形抗力及連續(xù)轉(zhuǎn)變研究

吳波 邱春林 蘇志敏 杜林秀

（1.天津鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301;2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819;3.中冶南方工程技術(shù)有限公司熱軋事業(yè)部，武漢 430223)

15CrMoR鋼變形抗力及連續(xù)轉(zhuǎn)變研究

吳波1邱春林2蘇志敏3杜林秀2

（1.天津鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301;2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819;3.中冶南方工程技術(shù)有限公司熱軋事業(yè)部，武漢 430223)

采用真空冶煉15CrMoR中溫壓力容器用鋼,在MS-300熱模擬試驗(yàn)機(jī)上采用單道次壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)定了變形抗力,確定了變形抗力模型。采用熱膨脹法測(cè)定了15CrMoR鋼的動(dòng)、靜態(tài)CCT曲線(xiàn)。結(jié)果表明在接近工業(yè)生產(chǎn)的工藝參數(shù)條件下，其變形抗力表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型;在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，15CrMoR鋼室溫組織為珠光體和鐵素體以及部分貝氏體。塑性變形使CCT曲線(xiàn)向左上方移動(dòng)。該研究為在寬厚板軋機(jī)上進(jìn)行15CrMoR鋼的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

變形抗力 CCT曲線(xiàn) 金相

1 引言

15CrMoR屬于中溫使用的低合金耐熱容器鋼，可用來(lái)制造壓力容器的封頭、法蘭、受熱面管道、集箱和蒸汽管道以及鍋爐的大型鍛件等，其使用溫度在550～560℃以下。常用的低合金耐熱鋼主要是低合金珠光體耐熱鋼，其主要特點(diǎn)是以鉻鉬為主，并加入其他合金元素;15CrMoR鋼與國(guó)外的13Cr-Mo44等化學(xué)成分和性能相當(dāng)[1]。

15CrMoR鋼具有足夠的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和持久塑性，良好的高溫組織穩(wěn)定性、高溫抗氧化性（耐熱性)，良好的制管、焊接等加工工藝性能，同時(shí)具有一定的抗氫腐蝕性能。15CrMoR鋼通常以退火狀態(tài)或正火+回火狀態(tài)供貨。早期生產(chǎn)的15CrMoR鋼多采用電爐冶煉[2]，采用轉(zhuǎn)爐連鑄工藝進(jìn)行中溫壓力容器用鋼的生產(chǎn)。由于其具有較高的純凈度、良好的沖擊韌性以及較低的成本而受到用戶(hù)的歡迎，在水電站建設(shè)、壓力容器制造等行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]。

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用真空電爐冶煉經(jīng)鍛造開(kāi)坯后，截取試樣對(duì)該鋼的變形抗力、連續(xù)相轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，為工業(yè)生產(chǎn)中工藝規(guī)程的制定提供了理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法

本研究采用真空冶煉，錠重150 kg，其主要化學(xué)成分為：0.12%C，0.32%Si，0.65%Mn，0.97%Cr，0.46%Mo。經(jīng)鍛造開(kāi)坯成斷面尺寸為100 mm×120 mm的矩形坯，然后取樣分別加工成不同尺寸，進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在東北大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的MMS-300熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用?8 mm×15 mm的圓柱試樣進(jìn)行單道次壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)試該鋼的變形抗力，試驗(yàn)溫度從850～1 050℃，溫度間隔50℃。單道次壓縮實(shí)驗(yàn)工藝如圖1所示。CCT曲線(xiàn)測(cè)試采用?10 mm×15 mm圓柱試樣。分別測(cè)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)CCT曲線(xiàn)，CCT曲線(xiàn)測(cè)試工藝如圖2所示。靜態(tài)CCT曲線(xiàn)測(cè)試流程為：將試樣以20℃/s的速度加熱到1 200℃，保溫3 min后以10℃/s的冷卻速度冷卻到900℃，保溫30 s后分別以 0.5、1、2、5、15 ℃/s的冷卻速度冷卻到室溫，記錄冷卻過(guò)程中的熱膨脹曲線(xiàn)。動(dòng)態(tài)CCT曲線(xiàn)測(cè)試與靜態(tài)測(cè)試的區(qū)別是：在900℃保溫30 s后，進(jìn)行變形量為0.4的單道次壓縮變形，其余與靜態(tài)測(cè)試相同。測(cè)試后，進(jìn)行金相組織觀察，利用膨脹曲線(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)合金相觀察的結(jié)果，繪制CCT曲線(xiàn)。

圖1 單道次壓縮實(shí)驗(yàn)工藝示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 變形抗力測(cè)試結(jié)果

圖2 用熱膨脹法測(cè)定CCT曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案

為了得到15CrMoR鋼的變形抗力模型，測(cè)試了其在不同變形溫度及變形速率下的變形抗力。以變形速率為0.1 s-1和1.0 s-1為例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。在金屬變形的過(guò)程中，存在著硬化和軟化兩個(gè)過(guò)程，表現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上就是使曲線(xiàn)隨變形程度增加而升高或降低[4]。圖3是變形速率為0.1 s-1和1.0 s-1的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯霎?dāng)變形速率為0.1 s-1時(shí)，隨著變形程度的增加，變形抗力先增加，達(dá)到一定變形程度之后則開(kāi)始下降。這表明在此變形速率條件下，產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[4]。而在變形速率為1.0 s-1時(shí)，隨著變形程度的增加，變形抗力先增加，達(dá)到一定變形程度之后則基本保持不變，說(shuō)明在此變形條件下，實(shí)驗(yàn)鋼處在回復(fù)階段。

從以上變形抗力的變化特征可知，隨著變形速率的增加，實(shí)驗(yàn)鋼具有明顯的從動(dòng)態(tài)回復(fù)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)渡過(guò)程，為此選擇考慮了動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的變形抗力模型如下[5]：

式中，T=（t+273)/1 000，t為變形溫度（℃);ε為真變形;u為變形速率（s-1);σ0為基準(zhǔn)變形抗力，即t=1 000℃、ε=0.4和u=10 s-1時(shí)的變形抗力，15CrMoR 的實(shí)驗(yàn)值為 135.7 MPa;a1～a6為回歸系數(shù)。

圖3 單道次不同溫度應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

經(jīng)回歸計(jì)算求得各個(gè)系數(shù)得到15CrMoR鋼的實(shí)際變形抗力模型如下：

變形抗力是制定軋制規(guī)程的重要依據(jù)，在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，可以利用此模型計(jì)算各個(gè)道次的軋制壓力，為合理分配變形量提供理論依據(jù)。

3.2 15CrMoR鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

圖4 15CrMoR鋼CCT曲線(xiàn)

根據(jù)熱膨脹曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合金相組織確定的15CrMoR鋼的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)CCT曲線(xiàn)如圖4所示。對(duì)比兩曲線(xiàn)可以看出，無(wú)論是靜態(tài)CCT曲線(xiàn)還是動(dòng)態(tài)CCT曲線(xiàn)，其相區(qū)均由鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)及貝氏體區(qū)組成，只是各個(gè)相區(qū)的轉(zhuǎn)變溫度和相區(qū)大小略有區(qū)別。由于經(jīng)過(guò)了0.4的真變形，動(dòng)態(tài)CCT曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)變溫度升高，而轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)間略有提前，說(shuō)明變形對(duì)相變具有一定的誘導(dǎo)作用[6]。圖5是未變形奧氏體在不同冷卻速率下相變后的金相組織?？梢钥闯霎?dāng)冷卻速度為0.5℃/s時(shí)，冷卻速度小，奧氏體的過(guò)冷度小，轉(zhuǎn)變溫度高。根據(jù)熱力學(xué)原理，各種元素的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，奧氏體具備可以發(fā)生的擴(kuò)散型相變的條件，從圖中可以看出顯微組織主要由鐵素體、珠光體和少量粒狀貝氏體組成。當(dāng)冷卻速度增大至1℃/s時(shí)，珠光體含量減少，粒狀貝氏體含量增多，并且先共析多邊鐵素體在原始奧氏體晶界處長(zhǎng)大。當(dāng)冷卻速度增加到2℃/s時(shí)，先共析鐵素體含量降低。當(dāng)冷卻速度繼續(xù)增大為3℃/s時(shí)，由于過(guò)冷度增大，奧氏體中的碳、鐵等原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散能力減弱，變成半擴(kuò)散、半切變型的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，即板條貝氏體。隨著冷速的提高，貝氏體板條變細(xì)。

從圖6可以看出，與未變形奧氏體相比，經(jīng)過(guò)形變的奧氏體相變之后獲得了較細(xì)的微觀組織。由于變形的影響，使得相變過(guò)程與靜態(tài)相變有較大的區(qū)別。奧氏體變形后，晶粒被拉長(zhǎng)，單位體積內(nèi)的奧氏體晶界面積增多。而且，變形使奧氏體內(nèi)產(chǎn)生了大量的可以作為鐵素體晶內(nèi)形核點(diǎn)的形變帶。這樣，鐵素體形核點(diǎn)密度增加。此外，奧氏體變形導(dǎo)致了高的位錯(cuò)密度，提高了奧氏體自由能，使得先共析鐵素體相變驅(qū)動(dòng)力增加。同時(shí)，奧氏體變形增強(qiáng)了沿奧氏體內(nèi)位錯(cuò)進(jìn)行的管道擴(kuò)散。也就是說(shuō)當(dāng)奧氏體發(fā)生變形后，奧氏體的狀態(tài)發(fā)生了變化，使其在隨后的冷卻過(guò)程中所發(fā)生的相變行為及形成的相變組織與奧氏體未變形時(shí)在各相的組成比例上有很大的差別。

圖5 冷卻速率對(duì)15CrMoR鋼未變形奧氏體相變組織的影響

圖6 冷卻速率對(duì)15CrMoR鋼變形奧氏體相變組織的影響

此外，較細(xì)的貝氏體組織對(duì)于耐熱鋼是較為理想的組織，可以提高其高溫性能[7]。由于鋼材組織結(jié)構(gòu)的遺傳特征，較細(xì)的原始組織在經(jīng)過(guò)熱處理后獲得的最終組織也相對(duì)較細(xì)，因此，形變誘導(dǎo)細(xì)化晶粒對(duì)提高耐熱鋼的性能是有利的。再有，對(duì)于耐熱鋼而言，從滿(mǎn)足高溫性能的角度出發(fā)，其晶粒并非越小越好，而是在一定的晶粒度等級(jí)時(shí)具有較好的耐高溫性能，而且這一最佳的晶粒度等級(jí)取決于其服役溫度。同時(shí)，影響其高溫使用性能的另外一個(gè)因素是晶粒度的均勻程度，晶粒大小越均勻，其高溫性能越好，一般要求其晶粒度的差別不超過(guò)3[7]。這些都是在進(jìn)行耐熱鋼生產(chǎn)時(shí)需要注意的問(wèn)題，對(duì)比圖5及圖6可以看出，變形后的奧氏體相變后得到的組織均勻程度也好于未變形奧氏體，即變形也能起到一定的改善耐熱鋼性能的作用。

4 結(jié)論

（1)通過(guò)單道次壓縮實(shí)驗(yàn)獲得了15CrMoR鋼的變形抗力并回歸出數(shù)學(xué)模型。在變形速率小于1 s-1時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。隨著變形速率增加，硬化逐漸占主導(dǎo)地位。

（2)在接近工業(yè)生產(chǎn)的冷卻速率下，無(wú)論是變形還是未變形奧氏體，相變后產(chǎn)物均由鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成;變形加速了15CrMoR鋼的相變過(guò)程，使CCT曲線(xiàn)向左上方移動(dòng)。同時(shí)變形使相變后組織細(xì)化，細(xì)小的貝氏體組織為獲得良好的耐熱性能提供了組織準(zhǔn)備。

（3)研究工作為在寬厚板軋機(jī)上生產(chǎn)15CrMoR壓力容器鋼提供了理論依據(jù)。

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Study on 15CrMoR Steel Deformation Resistance and Continuous Transition

Wu Bo,Qiu Chunlin,Su Zhimin,Du Linxiu

The deformation resistance of vacuum melted medium temperature vessel steel 15CrMoR was measured by single pass compression test on MS hot simulating machine and the deformation resistance model was determined.Dynamic and static CCT curves of 15CrMoR steel were measured and plotted with heat expansion method.Results showed that the deformation resistance presented as dynamic recovery and dynamic recrystallizaion type under the process parameter condition close to industrial production.Under static and dynamic conditions,the structure of 15CrMoR steel at indoors temperature consisted of pearlite,ferrite and partial bainite.Plastic deformation moved CCT curve towards left top.The study provides theoretical basis for the production of 15CrMoR steel on wide heavy plate rolling mill.

deformation resistance,CCT curve,metallograph

（收稿 2011－12－10 編輯 潘娜)

吳波，女，教授級(jí)高工，主要從事科研開(kāi)發(fā)與管理工作。