新型低碳貝氏體鋼的力學與腐蝕疲勞性能

易 敏，王國棟，陳 濤，王立峰，佟 倩

(1.東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽110004;2.首鋼總公司技術(shù)研究院，北京100043)

新型低碳貝氏體鋼的力學與腐蝕疲勞性能

易 敏1，2，王國棟1，陳 濤2，王立峰2，佟 倩2

(1.東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽110004;2.首鋼總公司技術(shù)研究院，北京100043)

為研究低碳貝氏體鋼在熱處理后的力學、腐蝕疲勞性能，采用掃描電子顯微鏡、透射電鏡、X射線衍射分析研究了一種新型貝氏體鋼力學性能，并在自來水和鹽水腐蝕介質(zhì)中研究了其腐蝕疲勞性能.結(jié)果表明:與軋材比較，A、B、C鋼軋材經(jīng)正火回火熱處理后，表現(xiàn)出更優(yōu)異的綜合力學性能和抗腐蝕疲勞性能;而含Si高的A鋼具有更優(yōu)異的韌塑性及抗腐蝕疲勞性能.含Si的貝氏體鋼中的貝氏體鐵素體(BF)板條間殘余奧氏體(Ar)膜對氫致裂紋的擴展速率有突出的抑制作用.

低碳貝氏體鋼;熱處理組織;力學性能;腐蝕疲勞

隨著油井開采深度、開采強度和開采難度不斷增加，對石油機械用圓鋼的綜合性能提出了更高的要求，除了要求有良好的強韌塑性:Rm≥965 MPa、A200≥l0%、Aku≥58 J的高強-塑-韌性水平，還要求在油井中作業(yè)時具有良好的抗腐蝕疲勞性能.

低碳貝氏體鋼具有良好的綜合性能已被大量的研究所證實，而且，對低碳貝氏體鋼的耐腐蝕性能［1-4］和疲勞性能［5-6］也有相關(guān)的研究報道，但對低碳貝氏體鋼腐蝕疲勞性能的研究尚未見報道.本文對新研發(fā)的一種新型貝氏體鋼，以傳統(tǒng)的石油機械用鋼20CrMoA作為對比試驗鋼，結(jié)合不同熱處理狀態(tài)下的力學性能，研究了在自來水和鹽水腐蝕介質(zhì)條件下的腐蝕疲勞性能.

1 試驗

1.1 試驗材料與熱處理工藝

采用真空感應爐冶煉了3爐試驗鋼，分別以A、B、C表示.成分(質(zhì)量分數(shù))范圍為:w(C)= 0.12%～0.21%，w(Si)=0.5%～1.6%，w(Mn)= 0.6%～1.6%，w(Cr)=0.50%～2.5%，其余微合金元素之和小于0.1%.其中，A含Si量較高，B、C鋼含Cr量較高，B鋼還添加了微合金元素.冶煉坯鍛造成40 mm×40 mm方坯，采用小軋機軋制成直徑為Φ18 mm的圓鋼.

熱處理工藝流程如下:1)正火工藝流程:正火(中頻感應加熱)→空冷;2)正火+低溫回火工藝流程:正火(中頻感應加熱)→空冷→低溫回火(中頻感應加熱)→空冷.

1.2 金相組織觀察和組織分析

金相試樣拋光侵蝕后用JSM-7001F場發(fā)射SEM進行金相組織觀察，用JEM-2100FTEM進行精細結(jié)構(gòu)觀察，用XRD定量測量鋼中殘余奧氏體.

1.3 腐蝕疲勞試驗

腐蝕疲勞試驗設(shè)備采用MTS-810液壓伺服疲勞試驗機.腐蝕疲勞試樣及尺寸如圖1所示.腐蝕疲勞試驗工藝參數(shù)為:正弦波，載荷比R=0.1，試驗最大載荷σmax=540 MPa，試驗頻率10 Hz.腐蝕介質(zhì)采用去離子水配制3.5%NaCl溶液和北京市自來水.試驗程序:試樣清洗→預腐蝕24 h→腐蝕疲勞試驗(腐蝕液不停地循環(huán)以保證溶液的新鮮度)→腐蝕疲勞斷裂(結(jié)束).

圖1 腐蝕疲勞試樣尺寸

2 結(jié)果

2.1 熱處理力學性能

圖2為軋材金相組織，可以看出，A、B、C鋼軋材金相組織均為粒狀貝氏體組織.由圖3的A鋼軋材的TEM精細組織結(jié)構(gòu)可知，貝氏體鐵素體BF呈板條狀為主，BF板條寬度0.2～0.5 μm，板條上具有高密度的位錯，板條間MA組元呈膜狀分布.

由表1可知:所有試樣的面縮率Ψ指標都滿足標準要求(≥45%)，且余量較大.經(jīng)過正火處理消除了軋制變形后的組織應力，與軋材比較，強度略有下降，塑性、韌性跟軋材比較，沒有明顯變化.經(jīng)過正火+回火處理后，與正火工藝比較，強度略有下降，但塑性、韌性指標進一步提高，如A鋼強度(1049 MPa)指標適中，延伸率達到15%，沖擊功達到137 J.表現(xiàn)出很優(yōu)異的綜合性能.B、 C鋼強度仍較高，約為1 100 MPa，B鋼、C鋼韌塑性略有改善，B鋼延伸率達到13%、沖擊功73 J，C鋼延伸率為11.8%，沖擊功96 J.

圖2 軋材金相組織

圖3 軋材的TEM組織照片

針對A鋼、C鋼進行了軋材與正火+低溫回火后的鋼中殘余奧氏體量的測定，結(jié)果見表2.A鋼軋材與正火回火材的殘余奧氏體量都高于C鋼.A鋼、C鋼軋材的殘余奧氏體量為7.7%、3.3%，經(jīng)過貝氏體區(qū)低溫回火后，殘余奧氏體量降低，A鋼、C鋼殘余奧氏體量為5.1%、2.5%.

表1 熱處理力學性能

表2 A和C鋼殘余奧氏體量(體積分數(shù)/%)

2.2 腐蝕疲勞試驗結(jié)果

自來水及鹽水腐蝕疲勞試驗壽命結(jié)果見表3、表4.由表3可知、在自來水介質(zhì)下，A、B、C鋼軋材腐蝕疲勞壽命都高于20CrMoA的腐蝕疲勞壽命.而A、B、C鋼軋材均為粒狀貝氏體組織，低碳貝氏體鋼成分及組織結(jié)構(gòu)的均勻性有利于降低腐蝕電化學反應的反應速度.而且，貝氏體鐵素體板條間界面由于為小角度晶界，界面能低，且由于形成溫度低，界面上雜質(zhì)濃度也相對較低，這些板條間界面不會發(fā)生擇優(yōu)腐蝕，因此，整體表現(xiàn)出較佳的耐腐蝕性能［1］.而20CrMoA鋼調(diào)質(zhì)處理后，碳化物顆粒在原奧氏體晶界析出，晶界易成為氫的陷阱，且一部分有害元素S、P在高溫回火時會聚集到晶界處，使晶界弱化.

表3 自來水環(huán)境下疲勞壽命

在鹽水中含有C1-易使金屬產(chǎn)生點蝕，這些蝕坑在疲勞試驗中造成應力集中，從而成為裂紋源影響疲勞壽命.但由表3、表4可知，與自來水介質(zhì)相比，鹽水中的腐蝕疲勞壽命反而更高，文獻［7］的研究也有類似的情況，其分析認為:由于Cl-的庫侖引力，降低了H+在液相介質(zhì)中向陰極表面擴散的速率，它延緩并弱化了陰極還原過程，從而降低了裂紋尖端塑性區(qū)氫致脆化的程度，使疲勞裂紋擴展速率降低.這也證實了本試驗鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展均屬氫脆機制.

表4 鹽水環(huán)境下疲勞壽命

由表3、4可知，不論在自來水還是鹽水介質(zhì)條件下，A鋼的軋材和正火回火材都比B鋼、C鋼的腐蝕疲勞壽命長.如A鋼在自來水中的最高腐蝕疲勞壽命達到了5.59×105次，A鋼正火回火材在鹽水中的最高腐蝕疲勞壽命達到了5.2× 105次.

圖4為自來水介質(zhì)中在裂紋擴展區(qū)的疲勞斷口形貌掃描電鏡照片.

圖4 自來水中裂紋擴展區(qū)的疲勞斷口形貌

由圖4(a)可以看到，A樣的斷口主要以穿晶斷裂為主，裂紋擴展區(qū)除了有準解理斷面，還有極少部分的沿晶斷面，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)出現(xiàn)了疲勞條帶的特征，表明A鋼的韌性較好，對HIC不敏感.而圖4(b)為C樣腐蝕疲勞斷口，C樣斷口裂紋擴展區(qū)主要是沿晶斷裂的形貌為主，且斷面上還有沿晶的二次裂紋，并有少量的準解理微觀形貌特征，C樣表現(xiàn)出較低的腐蝕疲勞壽命.

3 分析與討論

3.1 組織與力學性能

A鋼中Si元素含量較高，在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中和低溫回火過程中能抑制脆性滲碳體的析出，含Si鋼在貝氏體相變過程中從BF中析出的碳富集在殘余奧氏體Ar中，使其在室溫條件下長期穩(wěn)定.這對于提高貝氏體鋼的韌塑性非常有利［8-9］.間隙原子碳在面心立方奧氏體中的溶解度大于體心立方鐵素體，在貝氏體相變區(qū)低溫回火時，鋼中的碳原子會發(fā)生重新分配，大量的碳原子會由貝氏體鐵素體向未轉(zhuǎn)變的奧氏體擴散富集，使Ar中的含碳量進一步增加，其奧氏體穩(wěn)定性進一步增強.A鋼、C鋼在回火過程中，雖然部分Ar發(fā)生分解，Ar量下降了，但未分解的Ar的穩(wěn)定性顯著提高了.因此，A鋼在經(jīng)過正火+低溫回火處理后，雖然殘余奧氏體的量有所下降，但殘余奧氏體的穩(wěn)定性增加了，韌塑性得到明顯的提高.其綜合力學性能明顯好于B鋼、C鋼.

同時，BF板條間呈薄膜狀的 Ar非常穩(wěn)定［10-12］，不易分解為馬氏體，這又利于鋼的韌塑性進一步提高［12］.圖5為低溫回火后鋼中鐵素體板條間彌散分布的殘余奧氏體膜形貌及衍射斑點標定，殘余奧氏體膜寬度約100 nm.文獻［13］認為，貝氏體鐵素體中過飽和的碳常位于位錯一類的缺陷處，這本身會增加碳及位錯的強化作用.加之貝氏體低溫長大過程還會產(chǎn)生相當數(shù)量的缺陷，進一步增加了碳在缺陷附近被俘獲的機會，因此，鋼的抵御解理斷裂與空位形成抗力提高，這對提高韌性非常有利.

3.2 腐蝕疲勞性能

對于低碳貝氏體鋼的抗腐蝕疲勞性能，一方面，貝氏體鋼具有良好的抗腐蝕性.更重要的是當環(huán)境介質(zhì)中的氫擴散到裂紋前緣的金屬內(nèi)，當氫進人裂尖塑性區(qū)后，就在塑性區(qū)內(nèi)沿晶界或最大三向張應力區(qū)偏聚、富集.當達到某臨界濃度時，則可能萌生裂紋.A鋼的殘余奧氏體約為7.7%，C鋼的殘余奧氏體約為3.3%，氫在面心立方的奧氏體的擴散速度要比體心立方的貝氏體鐵素體中的擴散速度低兩個數(shù)量級.如果裂尖與溶液通過電化學反應所產(chǎn)生的氫擴散到鐵素體中去，必須通過殘余奧氏體薄膜，而這層薄膜阻止了氫的擴散.因此，A鋼的裂紋擴展速率低于C鋼，A鋼疲勞斷口形貌以沿晶的疲勞條帶為主，而C鋼斷口形貌主要為沿晶特征.

圖5 殘余奧氏體形貌及衍射斑點

4 結(jié)論

1)A、B、C鋼軋材的組織都為粒狀貝氏體，具有良好的強韌塑綜合力學性能.

2)與軋材比較，A、B、C鋼軋材經(jīng)過正火回火熱處理后，殘余奧氏體量減少，穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)出更優(yōu)異的綜合力學性能.

3)含Si高的A鋼具有更優(yōu)異的韌塑性及抗腐蝕疲勞性能，這是因為在金屬疲勞斷裂過程中，含高Si的A鋼軋制或正火后得到的適量的穩(wěn)定的貝氏體鐵素體(BF)板條間殘余奧氏體(Ar)膜對低氫致裂紋的擴展速率有突出的貢獻.因此，A軋材在自來水介質(zhì)條件下，A正火回火材在鹽水介質(zhì)條件下都表現(xiàn)出良好的抗腐蝕疲勞性能.

［1］ WANG Z F，LI P H，GUAN Y，et al.The corrosion resistance of ultra-low carbon bainitic steel［J］.Corrosion Science，2009，51，954-961.

［2］ 崔 雷，楊善武，王樹濤，等.銹層損傷對低碳貝氏體鋼在含Cl-環(huán)境中腐蝕行為的影響［J］.金屬學報，2009，45(4):442-449.CUI Lei，YANG Shan-wu，WANG Shu-tao，et al.Effect of damnification in rust layer on corrosion behaviors of low carbon bainitic steel in the environment containing Cl-［J］.Acta Metallurgica sinica，2009，45(4):442-449.

［3］ 董 杰，崔文芳，張思勛，等.海洋工程用超低碳貝氏體鋼力學性能和海水腐蝕行為［J］.材料熱處理學報，2008，29(3):99-103.DONG Jie，CUI Wen-fang，ZHANG Si-xun，et al.Mechanical properties and marine corrosion behavior of ULCB steel applied for off-shore oil platform［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2008，29 (3):99-103.

［4］ 王樹濤，楊善武，高克瑋，等.新型低碳貝氏體鋼在含氯離子環(huán)境中的腐蝕行為和表觀力學性能的變化［J］.金屬學報，2008，44(9):1116-1124.WANG Shu-tao，YANG Shan-wu，GAO Ke-wei，et al.Corrosion behavior and variation of apparent mechanical property of a novel low carbon bainitic steel in environment containing chloride ions［J］.Acta Metallurgica Sinica，2008，44(9):1116-1124.

［5］ 黃 剛，方鴻生，鄭燕康.C-Si-Mn-B貝氏體鋼的疲勞裂紋擴展特性［J］.金屬學報，2001，37(9): 927-931.HUANG Gang，F(xiàn)ANG Hong-sheng，ZHENG Yan-kang.Character of the fatigue crack propagation in C-Si-Mn-B bainitic steel［J］.Acta Metallurgica Sinica，2001，37(9):927-931.

［6］ 程巨強，劉志學，王元輝.新型貝氏體鋼的組織和沖擊疲勞性能研究［J］.材料工程，2006(12):8-15.CHENG Ju-qiang，LIU Zhi-xue，WANG Yuan-hui.Study on microstructure and impact fatigue properties of new type bainitic steel［J］.Journal of Material Engineering，2006(12):8-15.

［7］ 陳美英，牛康民.GC-4高強鋼腐蝕疲勞裂紋擴展的研究［J］.航空材料學報，1990，10(增刊):44-52.CHEN Mei-ying，NIU Kang-min.Corrosion fatigue crack growth behavior of GC-4 high strength steel［J］.Journal of Aeronautical materials，1990，10(Suppl):44-52.

［8］ 黃維剛，徐蓉，方鴻生，等.中低碳含硅空冷貝氏體鋼的沖擊韌性［J］.鋼鐵研究學報，1997，9(2):31-34.HUANG Wei-gang，XU Rong，F(xiàn)ANG Hong-sheng，et al.Impact property of medium-low carbon air-cooled bainitic steels［J］.Journal of iron and steel research，1997，9(2):31-34.

［9］ 王六定，朱 明，陳景東，等.低碳超高強度貝氏體鋼的組織細化［J］.材料熱處理學報，2007，28(5): 42-45.WANG Liu-ding，ZHU Ming，CHEN Jin-dong，et al.Refinement of structure for low carbon ultra-high strength bainite steels［J］.Transactions of materials and heat treatment，2007，28(5):42-45.

［10］ MIIHKINEN V T T，EDMONDS D V.Microstructural examination of two experimental high-strength bainitic low-alloy steels containing silicon［J］.Materials Science and Technology，1987，3:422-431.

［11］ 陳 祥，李言祥.高硅鑄鋼殘余奧氏體分布形態(tài)及其對力學性H能的影響［J］.金屬學報，2007，43 (3):235-239.CHEN Xiang，LI Yan-xiang.Morphology of retained austenite and its effects on the mechanical properties of high silicon cast steel［J］.Acta Metallurgica Sinica，2007，43(3):235-239.

［12］ BHADESHIA H K D H，EDMONDS D V.Bainite in silicon steels:new composition– property approach［J］.Metal Science，1983，17(9)，411-419.

［13］ 高 寬，王六定，朱 明，等.低合金超高強貝氏體鋼的晶粒細化與韌性提高［J］.金屬學報，2007，43 (3):315-320.GAO Kuan，WANG Liu-ding，ZHU Ming，et al.Refinement of grain and enhancement of impact toughness for low-alloy ultra-high strength bainite steels［J］.Acta Metallurgica Sinica，2007，43(3):315-320.

Mechanical and corrosion fatigue properties of a new low carbon bainitic steel

YI Min1，2，WANG Guo-dong1，CHEN Tao2，WANG Li-feng2，TONG Qian2
(1.The State Key Lab.of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China; 2.The Research Institute of Technology，Shougang Group，Beijing 100043，China)

The mechanical properties and corrosion fatigue properties of low carbon bainite steel after heat treatment under water and salt water conditions were investigated by scanning electron microscopy(SEM)，transmission electron microscope(TEM)and X-ray diffractometer(XRD).The results indicated that，compared with as-rolled specimens，A，B，C steel after heat treatment showed more excellent toughness and ductility mechanical properties.Additionally，specimen of A with more silicon content showed superior mechanical properties and corrosion fatigue performance which was attributed to more retained austenite(Ar)between bainite ferrites(BF)reducing the propagation rate of Hydrogen induced crack.

low carbon bainitic steel;heat treatment microstructure;mechanical properties;corrosion fatigue

TG142.4 文獻標志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)06-0103-05

2011-12-27.

易 敏(1973-)，女，高級工程師;

王國棟(1942-)，男，教授，中國工程院院士.

易 敏，E-mail:manyimin@126.com.

(編輯 呂雪梅)