2.25Cr-1Mo鋼-30℃沖擊功離散性分析

鄭建能

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)有限公司國(guó)家能源極端裝備虛擬制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618013)

2.25Cr-1Mo鋼屬低合金熱強(qiáng)鋼，具有較高的抗蠕變、抗氫蝕能力，同時(shí)具有合適的強(qiáng)韌性匹配，在石油、化工、電站鍋爐和原子能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。2.25Cr-1Mo鋼使用時(shí)的組織為貝氏體回火組織或貝氏體+先共析鐵素體回火組織，屬鐵素體型鋼，具有明顯的低溫脆性[2]。大型石化容器用2.25Cr-1Mo鋼筒體、封頭要求在-30℃進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，由于-30℃正處于2.25Cr-1Mo鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線上下平臺(tái)之間的過(guò)渡區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)沖擊功離散性較大的現(xiàn)象，導(dǎo)致沖擊功平均值合格而單個(gè)最小值不能滿足要求。

本文通過(guò)化學(xué)分析、金相顯微鏡、掃描電鏡對(duì)2.25Cr-1Mo鋼鍛件出現(xiàn)-30℃沖擊功離散性較大的試樣進(jìn)行分析，從顯微組織角度探求2.25Cr-1Mo鋼-30℃沖擊功離散的原因。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自經(jīng)正火+回火處理后的2.25Cr-1Mo筒體，相對(duì)180°切取試料A和試料B。對(duì)試料A和試料B下料后的坯料進(jìn)行模擬焊后熱處理，小模擬(SPWHT min)采用690℃保溫8 h，大模擬(SPWHT max)采用690℃保溫32 h。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。試樣經(jīng)模擬焊后熱處理后進(jìn)行-30℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，-30℃沖擊功表現(xiàn)出兩高一低或一高兩低的現(xiàn)象，沖擊功離散性較大。通過(guò)金相顯微鏡(LOM)觀察，各試樣A、B、C、D及DS夾雜物粗系、細(xì)系均小于1.5級(jí)，組織為100%貝氏體回火組織，晶粒度大于5級(jí)。試料A和試料B切取的拉伸試樣經(jīng)小模擬和大模擬后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和面縮率均滿足要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 掃描電鏡(SEM)斷口分析

圖1是1#～4#試樣的SEM斷口形貌。經(jīng)觀察，1#、4#試樣整個(gè)斷口幾乎沒(méi)有纖維區(qū)或塑性頸縮區(qū)，斷口的放射區(qū)很大，為典型的脆性斷裂。斷裂機(jī)制主要為解理斷裂，存在大量的解理扇或河流花樣，還存在較多的撕裂棱和一些二次裂紋，還能看出存在沿晶斷裂的特征。2#、3#試樣斷口有明顯的纖維區(qū)和剪切唇，為典型的塑韌性斷裂。

表1 2.25Cr-1Mo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo steel (Mass, %)

表2 不同試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Impact test results of different samples

圖2是2#試樣開(kāi)始斷裂和最后斷裂的形貌。開(kāi)始斷裂時(shí)的斷口為纖維狀斷口，有大量的細(xì)小韌窩，最后斷裂區(qū)為典型的脆性解理斷裂，纖維面積越大沖擊功越高。

(a)1#試樣(b)2#試樣(c)3#試樣(d)4#試樣

圖1 試樣斷口的SEM形貌Figure 1 SEM morphology of sample fracture

圖2 2#試樣斷口的SEM形貌Figure 2 SEM morphology of 2# sample fracture

圖3 試樣SEM組織分析及能譜分析
Figure 3 SEM structure analysis and energy spectrum analysis of sample

2.2 掃描電鏡(SEM)組織分析和能譜分析

圖3是1#、2#、5#試樣的組織和能譜分析。通過(guò)掃描(SEM)圖片可以看出，各試樣析出的第二相顆粒細(xì)小、均勻，晶界上也有碳化物析出，呈不連續(xù)分布。從能譜成分分析看，個(gè)別部位C、S、Cr和Mo含量較高，這是由于分析位置靠近析出的碳化物或硫化物。除2#試樣外，1#、5#試樣中的Mo元素表現(xiàn)出很大的不均勻性，特別是含硫較高的區(qū)域?qū)?yīng)的Mo含量較低。

3 分析及討論

3.1 影響2.25Cr-1Mo低溫韌性的因素

材料低溫脆性的產(chǎn)生與屈服強(qiáng)度Re、斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化有關(guān)。由于熱激活對(duì)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件作用不明顯，斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化很小。具有面心立方結(jié)構(gòu)的材料，屈服強(qiáng)度Re隨溫度的下降變化不大，近似為水平線，即使在很低的溫度仍未與σc曲線相交，材料斷裂時(shí)先發(fā)生屈服，之后發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂。具有體心立方的材料，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力σi隨著溫度的降低而增大，σi的增大導(dǎo)致Re隨之增加。當(dāng)Re大于斷裂強(qiáng)度σc時(shí)，材料在屈服前發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂。

2.25Cr-1Mo屬鐵素體型鋼，體心立方結(jié)構(gòu)，具有明顯的低溫脆性，影響2.25Cr-1Mo低溫脆性的因素主要包括：

(1)化學(xué)成分。C、Mn、Cr、Mo等主要元素影響筒體熱處理后的組織，P、S、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素會(huì)偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

(2)晶粒尺寸。細(xì)化晶粒能夠同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性。細(xì)化晶粒提高韌性的原因包括：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

(3)顯微組織。強(qiáng)度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。

(4)第二相。鋼中碳化物及夾雜物等第二相對(duì)鋼的脆性的影響程度取決于第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、分布、第二相性質(zhì)及與基體的結(jié)合力等因素。

3.2 討論

鋼中殘雜質(zhì)元素的晶界偏聚、大顆粒夾雜物以及大顆粒析出相是引起低溫脆性的重要因素[3]。沖擊試樣臨近位置的室溫和高溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和面縮率相近且滿足設(shè)計(jì)要求，表明鋼中C、Mn、Cr、Mo主要元素設(shè)計(jì)合理，也間接表明P、As、Sn、Sb等殘余雜質(zhì)元素的晶界偏聚尚沒(méi)有影響常溫塑性。金相組織檢查表明，各試樣熱處理后組織均為100%貝氏體回火組織，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物和大顆粒析出相。從1#、2#、5#試樣的化學(xué)成分、非金屬夾雜物和析出相對(duì)比分析來(lái)看，極低的殘余雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物含量、彌散析出的第二相保證了材料的室溫、高溫強(qiáng)度和塑性。

材料性能宏觀的離散性反映了材料的組織均勻性不夠。從能譜分析可以看出，試樣各位置Mo元素表現(xiàn)出很大的不均勻性，特別是含硫較高區(qū)域?qū)?yīng)的Mo含量較低。這可能是由于鋼錠澆注溫度過(guò)高、凝固過(guò)慢，柱狀晶發(fā)達(dá)加重凝固過(guò)程的枝晶偏析造成的。鋼錠在澆注過(guò)程中，高熔點(diǎn)組元Mo先凝固成枝晶主干部分，后凝固的分枝及枝間部分富含如硫化物之類的低熔點(diǎn)組元，能譜分析反映的合金分布具有枝晶偏析的特征。Mo含量不均勻，一方面加重了材料的不均勻性，使晶內(nèi)部分區(qū)域韌性不夠，類似于材料內(nèi)部出現(xiàn)大尺寸的缺陷，當(dāng)這樣的區(qū)域位于沖擊試樣缺口附近時(shí)，成為斷裂時(shí)的裂紋源，另一方面Mo含量低的區(qū)域弱化了阻止殘余雜質(zhì)元素晶界偏聚。

采用熱處理的方法改善晶內(nèi)偏析、均勻組織是改善低溫沖擊功離散的重要措施。對(duì)于枝晶偏析不嚴(yán)重的鍛件，可以通過(guò)正回火細(xì)化晶粒，提高-30℃韌性；對(duì)于枝晶偏析嚴(yán)重的鍛件，通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散退火+正回火處理均勻組織，保證-30℃沖擊功的均勻性。根據(jù)1#、4#試樣斷口分析，解理斷裂是試樣主要的斷裂形式，當(dāng)Re大于斷裂強(qiáng)度σc時(shí)，斷裂形式表現(xiàn)為解理斷裂。材料低溫跪性的產(chǎn)生與屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化有關(guān)，由于熱激活對(duì)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件作用不明顯，斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化很小。具有面心立方結(jié)構(gòu)的材料，Re隨溫度的下降變化不大，近似為水平線，即使在很低的溫度仍未與σc曲線相交，材料斷裂時(shí)先發(fā)生屈服，之后發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂。對(duì)于具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力σi隨著溫度的降低而增大，σi的增大導(dǎo)致Re隨之增加，當(dāng)Re大于斷裂強(qiáng)度σc時(shí)，材料在屈服前發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂，見(jiàn)圖4。由于Re隨試驗(yàn)溫度的降低而增大，通過(guò)降低材料常溫時(shí)的屈服強(qiáng)度是避免低溫脆性斷裂的有效措施，這也能從另外的角度說(shuō)明，對(duì)于2.25Cr-1Mo，-30℃沖擊功不僅僅是韌性指標(biāo)，還是1個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)。由于Re、Rm隨溫度變化規(guī)律接近而Rm具有范圍要求，通過(guò)調(diào)整回火參數(shù)將Rm按照下限控制是提高-30℃沖擊功、降低沖擊功離散性的有效方法。

圖4 體心立方結(jié)構(gòu)的材料Re和σc隨溫度變化示意圖Figure 4 Diagram of temperature with changes of Re, and σc for the body-centered-cubic structure of steel

4 結(jié)論

(1)鋼錠澆注溫度過(guò)高、凝固冷卻過(guò)慢造成的枝晶偏析是造成2.25Cr-1Mo鋼-30℃沖擊功離散的主要原因。

(2)對(duì)于枝晶偏析不嚴(yán)重的鍛件，可以通過(guò)正回火細(xì)化晶粒，提高-30℃韌性、改善沖擊功的離散。對(duì)于枝晶偏析嚴(yán)重的鍛件，通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散退火+正回火處理均勻組織，保證-30℃沖擊功的均勻性。

(3)通過(guò)調(diào)整回火參數(shù)將抗拉強(qiáng)度按照下限控制是提高-30℃沖擊功、降低沖擊功離散性的有效方法。

[1] 劉正東，楊鋼，程世長(zhǎng)，等. 2.25Cr-1Mo鋼回火過(guò)程中碳化物析出順序的研究[J]. 金屬熱處理鍋爐制造，2005(4)：32-34.

[2] 張文輝，張國(guó)利，呂玉衡，等. 加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo 鋼鍛件的熱處理[J]. 大型鑄鍛件，1996(4)：11-15.

[3] 劉正東，張光中，吳光大，等. 合金碳化物與21/4Cr-1Mo鋼的韌化機(jī)制[J]. 鋼鐵，1998(2)：50-53.

[4] 崔忠折. 金屬學(xué)與熱處理(第1版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：195-196.