5NiCrMo低溫鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝研究

楚覺非 ，雷曉榮 ，，何烈云 ，王青峰

（1.南京鋼鐵股份有限公司技術(shù)質(zhì)量部，南京 21003 5；2.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

5NiCrMo低溫鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝研究

楚覺非1，雷曉榮1，2，何烈云1，王青峰2

（1.南京鋼鐵股份有限公司技術(shù)質(zhì)量部，南京 21003 5；2.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

研究了5NiCrMo低溫鋼的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，分析了回火溫度對(duì)該鋼組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：試驗(yàn)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，形成了回火馬氏體和逆轉(zhuǎn)變奧氏體的混合組織。560～640℃回火時(shí)，隨溫度提高，屈服強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，-100℃沖擊功先升高、在620℃回火時(shí)達(dá)到峰值后降低。深冷后保留的逆轉(zhuǎn)變奧氏體顯著影響試驗(yàn)鋼的低溫韌性。拉伸和沖擊性能均滿足要求的回火溫度是580～620℃。

低溫鋼；調(diào)質(zhì)熱處理；顯微組織；力學(xué)性能；逆轉(zhuǎn)變奧氏體

1 引言

近年來，隨著石油化工裝備向大型化的方向發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度低溫鋼有迫切而明確的需求。大型低溫儲(chǔ)罐因儲(chǔ)存量大、節(jié)省投資，在國(guó)際上已經(jīng)廣泛應(yīng)用[1-3]。新一代 Ni低溫鋼作為大型液化石油氣船（LPG）液貨艙和液化乙烯儲(chǔ)罐的主要結(jié)構(gòu)材料，要求屈服強(qiáng)度達(dá)到ReL≥590MPa級(jí)、抗拉強(qiáng)度（Rm）達(dá)到680～840MPa，-100℃沖擊功不低于80J[4-5]。在傳統(tǒng)390MPa級(jí)5Ni鋼Fe-Mn-Ni合金系的基礎(chǔ)上，添加適量的Cr、Mo等合金元素，可以使強(qiáng)度提高到590MPa級(jí)[6-7]，但如何使5NiCrMo鋼獲得良好的低溫韌性，需要探索合適的熱處理工藝。

5Ni低溫鋼常用的熱處理工藝為淬火+回火的調(diào)質(zhì)處理。其中，淬火溫度可能影響晶粒度的大小，回火溫度可能影響逆轉(zhuǎn)變奧氏體的析出量及穩(wěn)定性，因此，強(qiáng)度與韌性的匹配可能受不同淬火+回火溫度的影響[8-10]。早期工作已發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)變奧氏體對(duì)低溫鋼具有顯著的韌化作用。研究表明：9Ni鋼經(jīng)過Q T處理形成一定數(shù)量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，是該鋼具有優(yōu)異低溫韌性的主要因素[11-13]。Kim和Schwartz[14]認(rèn)為，9Ni鋼較高的低溫韌性是由于逆轉(zhuǎn)變奧氏體在裂紋尖端處發(fā)生了相變誘發(fā)塑性（TRIP）。Kim和 Morris[15]認(rèn)為，F(xiàn)e-5.5Ni合金中的逆轉(zhuǎn)變奧氏體具有凈化效應(yīng)，從而有利于低溫韌性。

本文研究了新一代590MPa級(jí)5 NiCrMo低溫鋼的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，分析了回火溫度對(duì)組織和力學(xué)性能的影響，確定了試驗(yàn)鋼獲得良好強(qiáng)韌性匹配的回火溫度范圍，探討了該鋼的低溫韌化機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼為16mm厚的5NiCrMo鋼板，采用50kg真空感應(yīng)爐冶煉、氬氣保護(hù)鑄錠、加熱開坯和TMCP軋制的工藝制備。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 5NiCrMo鋼的化學(xué)成分 /wt%

采用熱膨脹法測(cè)得試驗(yàn)鋼的臨界點(diǎn)Ac1為645℃、Ac3為775℃。調(diào)質(zhì)熱處理試驗(yàn)的具體方案如下：淬火工藝為經(jīng)850℃保溫45min后水冷，回火工藝為經(jīng)560～640℃保溫60min后空冷。

熱處理后，沿樣坯軋向切取Φ10mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，按照GB/T229—2007標(biāo)準(zhǔn)，以3mm/min的恒定夾頭移動(dòng)速率在MTSNEW810型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，測(cè)試了試驗(yàn)鋼的常溫拉伸性能。垂直于軋向切取10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，按照GB/T13239—2006標(biāo)準(zhǔn)，在NCS系列500J儀器化擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-100℃的沖擊試驗(yàn)，測(cè)試了試驗(yàn)鋼的低溫沖擊性能。

分別從Q、QT熱處理樣坯上切割金相樣品，經(jīng)磨制、機(jī)械拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Axiover-200MAT型金相顯微鏡下觀察了各熱處理狀態(tài)的顯微組織。在JOEL-2010型透射電子顯微鏡（TEM）下觀察了各熱處理狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步采用D-max-2500型X射線衍射儀對(duì)不同熱處理樣品在室溫、-100℃深冷和-100℃沖擊后等3種狀態(tài)下逆轉(zhuǎn)變奧氏體的含量進(jìn)行了測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 力學(xué)性能

試驗(yàn)鋼按8 50℃淬火5 60～6 40℃回火工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后，室溫拉伸性能和-100℃沖擊性能的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 5NiCrMo鋼在不同回火溫度下的拉伸性能

在5 60～6 20℃的溫度范圍內(nèi)，隨回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度（ReL）和抗拉強(qiáng)度（Rm）呈降低的趨勢(shì)；而-100℃沖擊功呈上升趨勢(shì)。當(dāng)回火溫度進(jìn)一步提高到640℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和沖擊功急劇下降，抗拉強(qiáng)度顯著升高，已超出上限值。綜合以上性能測(cè)試結(jié)果，調(diào)質(zhì)處理5NiCrMo鋼在580～620℃的回火溫度范圍內(nèi)，常溫拉伸性能和-100℃沖擊性能均可滿足要求。

3.2 顯微組織

采用光學(xué)顯微鏡和TEM觀察了試驗(yàn)鋼的回火組織。試驗(yàn)鋼調(diào)質(zhì)處理后主要形成回火馬氏體組織。隨著回火溫度的升高，回火馬氏體組織逐漸粗化。當(dāng)回火溫度低于600℃時(shí)，馬氏體板條特征比較明顯。當(dāng)回火溫度升高到620℃時(shí)，馬氏體板條合并形成塊狀結(jié)構(gòu)（見圖2（a））。當(dāng)回火溫度為6 40℃時(shí)，出現(xiàn)出現(xiàn)了一些粗大的塊狀鐵素體，推測(cè)因回火溫度已接近試驗(yàn)鋼下臨界點(diǎn)，回火時(shí)局部進(jìn)入兩相區(qū)。

TEM觀察表明，試驗(yàn)鋼580℃回火后，馬氏體的板條特征仍較明顯，多數(shù)板條內(nèi)含有少量的位錯(cuò)，板條邊界上有少量顆粒狀析出物。經(jīng)620℃回火后，板條馬氏體特征已基本消失，并形成短棒狀和條狀的析出物，且大部分分布在晶界上（見圖2（b））。經(jīng)衍射花樣標(biāo)定，條狀或短棒狀的析出物為逆轉(zhuǎn)奧氏體（見圖 2（c））。

3.3 逆轉(zhuǎn)變奧氏體的含量

圖2 5NiCrMo鋼620℃回火樣品的組織觀察

采用X-射線衍射儀對(duì)各調(diào)質(zhì)處理樣品在室溫、-100℃深冷和-100℃沖擊后3種狀態(tài)下逆轉(zhuǎn)變奧氏體（RA）的數(shù)量進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)鋼經(jīng)560～580℃回火后形成少量逆轉(zhuǎn)變奧氏體，高于580℃回火時(shí)，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的數(shù)量隨回火溫度的升高先增加，在620℃達(dá)到最大值，然后急劇減少。-100℃深冷處理后，各回火樣品中逆轉(zhuǎn)變奧氏體的數(shù)量均有所降低，特別是高于600℃回火時(shí)，逆轉(zhuǎn)變奧氏體經(jīng)深冷后數(shù)量急劇降低。據(jù)推測(cè)，QT處理后逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成是由于鋼中存在的成分起伏引起的。受點(diǎn)陣缺陷原子擴(kuò)散和溶質(zhì)原子擴(kuò)散的影響，其成分起伏的程度比較小，因此逆轉(zhuǎn)變奧氏體合金元素富集很少，穩(wěn)定性較差，在深冷過程中大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與較低的回火溫度相比，640℃回火時(shí)形成的逆轉(zhuǎn)變奧氏體穩(wěn)定性更低，經(jīng)深冷后，絕大部分轉(zhuǎn)變成馬氏體。620℃回火樣品經(jīng)-100℃深冷后，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的含量最高，再經(jīng)-100℃沖擊時(shí)，剩余逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，使沖擊樣品中逆轉(zhuǎn)變奧氏體的數(shù)量進(jìn)一步降低，但仍有一定數(shù)量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體保留下來，可見在該回火溫度下試驗(yàn)鋼中逆轉(zhuǎn)變奧氏體的穩(wěn)定性很高。

4 分析與討論

從上述組織觀察和性能測(cè)試結(jié)果可以看出，逆轉(zhuǎn)變奧氏體對(duì)5NiCrMo鋼具有顯著的低溫韌化作用。下面對(duì)該作用的機(jī)理進(jìn)行分析。

當(dāng)淬火馬氏體在較低的溫度下回火時(shí)，一般在馬氏體板條邊界附近先析出滲碳體。一般認(rèn)為，滲碳體為脆性相，因此對(duì)鋼的低溫韌性不利。本試驗(yàn)鋼淬火馬氏體在較低的溫度下回火時(shí)或在較高溫度下回火的初期，一般也首先析出滲碳體，低溫沖擊功因此相對(duì)較低。但隨著回火溫度的升高，形成逆轉(zhuǎn)變奧氏體時(shí)，滲碳體作為形核核心會(huì)逐漸被吸收，從而有利于低溫韌性的提高，這被稱為逆轉(zhuǎn)變奧氏體的凈化效應(yīng)。

620℃回火樣品在-100℃深冷和-100℃沖擊后兩種狀態(tài)下逆轉(zhuǎn)變奧氏體的含量分別為4.09%和1.72%，如圖3所示。沖擊后樣品測(cè)試的區(qū)域?yàn)闆_擊產(chǎn)生的塑性變形區(qū)，即在該區(qū)域經(jīng)深冷后保留的逆轉(zhuǎn)變奧氏體已大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在-100℃沖擊過程中，裂紋尖端塑性變形區(qū)的逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)相變，降低了裂紋尖端的應(yīng)力集中，使裂紋擴(kuò)展受阻；如裂紋要進(jìn)一步擴(kuò)展，則需要更多的能量，因此沖擊功進(jìn)一步提高。此外，逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，產(chǎn)生的相關(guān)應(yīng)變會(huì)使局部應(yīng)力釋放，從而進(jìn)一步促進(jìn)韌性斷裂。上述現(xiàn)象被稱為逆轉(zhuǎn)變奧氏體的TRIP效應(yīng)。

圖3 5NiCrMo鋼在室溫、-100℃深冷和-100℃沖擊后的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量

因此，5NiCrMo鋼中的逆轉(zhuǎn)變奧氏體因凈化效應(yīng)和TRIP效應(yīng)而產(chǎn)生了顯著的低溫韌化作用。

5 結(jié)論

（1）5NiCrMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后形成回火馬氏體和逆轉(zhuǎn)變奧氏體的混合組織。

（2）調(diào)質(zhì)處理5NiCrMo鋼滿足常溫拉伸性能和-100℃低溫沖擊性能要求的回火溫度是5 80～6 20℃。

（3）逆轉(zhuǎn)變奧氏體因凈化效應(yīng)和TRIP效應(yīng)對(duì)調(diào)質(zhì)處理5 NiCrMo鋼具有顯著的低溫韌化作用。

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Study on Heat Treatment Process of Quenching and Tempering for 5NiCrMo Low Temperature Steel

CHU Jue-fei1,LEI Xiao-rong1,2,HE Lie-yun1and WANG Qing-feng2

(1.Technology and Quality Department,Nanjing Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210035,China;2.Material Science and Engineering Institute,Yanshan University,Qinhuangdao,Heibei Province066004,China)

The authors study the heat treatment process of quenching and tempering for 5NiCrMo low temperature steel and analyze the influence of tempering temperature on the steel structure and mechanical properties.Results show,after quenching and tempering treatment,a complex forms with tempered martensite as base and certain amount of reverted austenite in the tested steel.When the steel is tempered at 560-640℃,with the rise of the temperature,yield strength drops and-100℃ impact energy goes up at first and then down after hitting the peak value at 620℃.The retained reverted austenite after deep cooling prominently influences the low temperature toughness of the tested steel.The range of tempering temperature is 580-620℃in which both the tensile and impact properties can be met.

low temperature steel;quenching and tempering treatment;microstructure;mechanical property;reverted austenite

2013-01-10

2013-02-05

國(guó)家863項(xiàng)目（2007AA03Z506）

楚覺非（1965—），男，湖南人，高級(jí)工程師，主要從事先進(jìn)鋼鐵材料方面的研究工作。

王青峰（1966—），男，湖北人，博士研究生，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wqf67@ysu.edu.cn。

（編輯 潘娜）