冷卻速度對SA508-3鋼顯微組織與力學性能的影響

王天睿,張玉妥，王 培

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159； 2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

冷卻速度對SA508-3鋼顯微組織與力學性能的影響

王天睿1,張玉妥1，王 培2

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159； 2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

利用快速熱膨脹儀測得SA508-3鋼奧氏體化后以不同冷速冷至室溫的熱膨脹曲線，通過切線法分析熱膨脹曲線并結合金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同冷速下材料的顯微組織，確定了不同冷速條件下SA508-3鋼的相變類型。發(fā)現(xiàn)冷卻速度在0.01～0.05℃/s時，發(fā)生鐵素體相變、珠光體相變和貝氏體相變；冷卻速度在0.1～5℃/s時，發(fā)生貝氏體相變；冷卻速度在10～50℃/s時，發(fā)生馬氏體相變。使用爐冷、砂冷、油冷三種冷卻方式模擬大型鍛件不同部位的冷卻條件，并測試了不同冷卻方式下材料經880℃×1h淬火+640℃×2h回火處理后的力學性能。結果表明：隨著冷卻速度的增加，顯微組織的類型逐漸從鐵素體、珠光體組織變?yōu)樨愂象w和馬氏體組織。較快冷速條件下，SA508-3鋼可以達到強度和低溫沖擊韌性的良好結合，而隨著冷速降低，材料的強度和沖擊韌性同時下降。

SA508-3鋼；冷卻速度；顯微組織；力學性能

SA508-3鋼由于強度較高、塑韌性良好、優(yōu)異的可鍛性、可焊接性和抗中子輻照脆化性[1-3]，被廣泛應用在反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等核電鍛件中[4-7]。由于核電鍛件尺寸和壁厚越來越大，熱處理過程中鍛件從表面到心部由于冷卻速度不同而得到不同的組織[8]。為了闡明不同冷速條件下的顯微組織和相應的力學性能，建立起冷速—顯微組織—力學性能之間的對應關系指導核電鍛件的實際生產，獲得優(yōu)異的使用性能[9]，本文首先利用快速熱膨脹儀研究SA508-3鋼試樣的連續(xù)冷卻轉變過程，確定不同冷速條件下的相變類型、相變溫度和典型顯微組織結構特征，而后的熱處理試驗使用爐冷、砂冷和油冷分別模擬大型鍛件不同部位的冷卻條件，觀察不同冷卻條件下的顯微組織，并對其力學性能進行了分析測試。

1 試驗材料與方法

試驗材料從某企業(yè)生產的鍛件上直接切取，熱處理狀態(tài)為調質+模擬焊后熱處理態(tài)，其化學成分如表1所示。根據(jù)YB/T5128-93標準，使用線切割在來料SA508-3鋼塊上切取若干Φ3×10mm尺寸的熱膨脹試樣，使用砂紙將試樣表面磨光后在型號為Linseis L78RITA的快速熱膨脹儀上進行試驗，將試樣以0.05℃/s的速率加熱至880℃進行奧氏體化處理，保溫15min，分別以0.01、0.05、0.1、0.5、0.35、0.5、1、3、5、10、15、20、30、50℃/s的速率冷卻至室溫，測量試樣在此過程中的膨脹量變化。通過切線法分析測得的一系列熱膨脹曲線與不同冷卻速度下的顯微組織，確定各試樣在不同冷速條件下的相變類型。使用Olympus金相顯微鏡和S-3400N型掃描電子顯微鏡進行顯微組織觀察。

熱處理試樣在來料SA508-3鋼塊上取樣后在SSJ-13A型快速升溫節(jié)能箱式電爐中進行熱處理試驗，具體工藝為880℃×1h淬火處理，冷卻方式選擇爐冷、砂冷和油冷，模擬大型鍛件不同部位的冷卻方式。而后，為了減少淬火內應力并使材料達到良好的塑韌性匹配，按照目前工業(yè)生產中常用的回火處理工藝對材料進行640℃×2h的回火處理。熱處理后，按照GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》將材料加工成的平行段直徑為Φ5的標準拉伸試樣，在AG-1000KNG拉伸試驗機上進行拉伸性能測試，按照GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》將材料加工成10mm×10mm×55mm的全尺寸標準夏比V型缺口沖擊試樣，測試材料低溫沖擊韌性。

表1 試驗用SA508-3鋼化學成分 wt%

2 試驗結果與分析

2.1 不同冷速條件下的相變類型與顯微組織

SA508-3鋼完全奧氏體化后在連續(xù)冷卻的過程中經過高溫、中溫和低溫三個轉變溫度區(qū)間，由高溫到低溫存在鐵素體轉變區(qū)、珠光體轉變區(qū)、貝氏體轉變區(qū)和馬氏體轉變區(qū)。通過切線法分析在不同冷速條件下測得的熱膨脹曲線結合顯微組織觀察，可以確定不同冷卻速率下的相變類型，選取0.05、0.5、5、50℃/s四種典型冷卻速度下的相變類型與顯微組織討論分析。根據(jù)圖1可知冷速在0.05℃/s時，試樣在連續(xù)冷卻過程中由于冷速緩慢先后發(fā)生先共析鐵素體相變、珠光體相變和貝氏體相變。圖2a為冷速0.05℃/s試樣的金相照片，冷速緩慢時碳原子能夠充分擴散，可以發(fā)現(xiàn)組織為塊狀先共析鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體組成。觀察圖2b掃描照片，此時先共析鐵素體多以大小不同的塊狀出現(xiàn)，粒狀貝氏體中的M-A島較為粗大，彌散分布在基體上。

圖1 冷速0.05℃/s的熱膨脹曲線

圖2 冷速0.05℃/s時的顯微組織

根據(jù)圖3冷速0.5℃/s時測得的熱膨脹曲線可知，隨著冷卻速度的提高，先共析鐵素體相變和珠光體相變被抑制，材料在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生中溫區(qū)的貝氏體相變。觀察圖4a金相照片發(fā)現(xiàn)，基體組織為粒狀貝氏體。觀察圖4b掃描電鏡下的組織，粒狀貝氏體由長條狀M-A島和貝氏體鐵素體基體組成，M-A島隨機分布在貝氏體鐵素體基體上。

圖3 冷速0.5℃/s的熱膨脹曲線

圖4 冷速0.5℃/s時的顯微組織

冷速為5℃/s時測得的熱膨脹曲線如圖5所示，隨著冷速進一步增大，SA508-3鋼發(fā)生貝氏體相變和馬氏體相變的混合相變。由圖6a可以看出，當冷速為5℃/s時可以得到下貝氏體和馬氏體混合組織，下貝氏體呈黑色針片狀，碳化物在金相下難以辨清，在掃描電鏡下觀察，下貝氏體由鐵素體和大量的碳化物組成，其中碳化物多呈片狀或顆粒狀分布于鐵素體基體內，見圖6b。

圖5 冷速5℃/s的熱膨脹曲線

圖6 冷速5℃/s時的顯微組織

圖7為試樣在冷速為50℃/s時測得的熱膨脹曲線，根據(jù)曲線可知由于冷速過快，遠遠超過開始形成馬氏體的臨界冷速，此時SA508-3鋼發(fā)生馬氏體相變。金相組織如圖8a所示，能夠發(fā)現(xiàn)基體組織為板條馬氏體，觀察圖8b掃描照片，可見板條馬氏體由許多尺寸大致相同，相互近于平行分布的細條狀馬氏體板條束組成，各板條束之間呈現(xiàn)一定角度。

圖7 冷速50℃/s的熱膨脹曲線

2.2 不同冷速下的試樣顯微組織和力學性能

熱處理后爐冷、砂冷和油冷的各試樣淬火態(tài)SEM照片如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)熱處理試驗中爐冷、砂冷和油冷后的顯微組織分別與熱膨脹試驗中冷速為0.05℃/s、0.5℃/s和50℃/s時的顯微組織類似：爐冷時發(fā)生先共析鐵素體相變、珠光體相變和少量貝氏體相變；砂冷時發(fā)生貝氏體相變；油冷時發(fā)生馬氏體相變。

圖8 冷速50℃/s時的顯微組織

圖9 SA508-3鋼淬火態(tài)SEM圖

調質處理后三種不同冷速的樣品的強度如圖10所示，爐冷試樣的強度較低，抗拉強度為596J，屈服強度為410J，這是由于冷速較慢而使組織形成鐵素體+珠光體造成的；而砂冷試樣和油冷試樣隨著冷卻速度的增加，組織中開始出現(xiàn)貝氏體或馬氏體組織，抗拉強度Rm從642J提高到724J，屈服強度Rp0.2從500MPa提高到597MPa，體現(xiàn)出良好的強度。對比ASME標準可以看出，三種冷速下材料的強度性能均能達到SA508 Glade 3 Class 1的要求，但爐冷試樣的強度低于ASME標準中SA508 Glade 3 Class 2的要求。

三種不同冷速條件下試樣的-40℃沖擊功如圖11所示，爐冷試樣和砂冷試樣在-40℃時沖擊功值較高且較為接近，分別為56J和47J；但砂冷試樣單個最低值未能達到對夏比沖擊的相關要求；油冷試樣-40℃時的沖擊功值高達116J，完全滿足ASME標準要求，具有良好的低溫沖擊韌性。

圖10 SA508-3鋼不同冷速下的強度

圖11 SA508-3鋼不同冷速下的沖擊功

3 結論

(1) SA508-3鋼奧氏體化后以不同冷速冷卻，冷速在0.01～0.05℃/s時，發(fā)生鐵素體相變、珠光體相變和貝氏體相變；冷速在0.1～5℃/s時，發(fā)生貝氏體相變；冷速在10～50℃/s時，發(fā)生馬氏體相變。

(2) SA508-3鋼經880℃×1h淬火+640℃×2h回火處理后，爐冷、砂冷和油冷試樣隨著冷速增加，強度越來越高，其中油冷試樣抗拉強度為724MPa，屈服強度為597MPa；油冷試樣的低溫沖擊韌性較高，-40℃時的沖擊功值高達116J。

(3) 較快冷速條件下，SA508-3鋼可以達到強度和低溫沖擊韌性的良好結合，而隨著冷速降低，材料的強度和沖擊韌性同時下降。

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(責任編輯：馬金發(fā))

EffectofCoolingRateontheMicrostructureandMechanicalPropertiesofSA508-3Steel

WANG Tianrui1,ZHANG Yutuo1,WANG Pei2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China; 2.Institute of Metal Research,CAS,Shenyang 110016,China)

The thermal dilatometric curves of SA508-3 steel during the cooling process from 890℃ to room temperature with different cooling rates have been measured.The types of phase transformation at different cooling rates were determined by analyzing the thermal dilatometric curves and microstructure observed by optical microscopy (OM) and scanning electronic microscopy (SEM).It is found that ferrite,pearlite and bainite transformation occurs when cooling rate is during 0.01～0.05℃/s;Bainite transformation occurs when cooling rate is during 0.1～5℃/s;Martensitic transformation occurs when cooling rate is during 10～50℃/s.Furnace cooling,sand cooling and oil cooling have been used to simulate different cooling rates of different locations in a large forging,the microstructure and mechanical properties of the 3 specimens were tested after 880℃×1h quenching+640℃×2h tempering.The experimental results indicate that with the increase of cooling rate,the type of microstructure changed from ferrite and pearlite to bainite and martensite.A good combination of strength and low temperature impact toughness can be obtained under the condition of faster cooling rate.However,both the strength and impact toughness of the material decrease as the cooling rate decreases.

SA508-3 steel;cooling rate;microstructure;mechanical properties

TG142.1

A

2016-08-29

國家自然科學基金資助項目(51201167)

王天睿(1991—)，男，碩士研究生；通訊作者：張玉妥(1966—)，女，教授，博士，研究方向：金屬材料制備工藝。

1003-1251(2017)05-0044-05