12Cr2Mo1R壓力容器鋼動(dòng)態(tài)CCT曲線研究

王 敏，徐 光，胡海江，周明星，張 益

(1．武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081;2．武漢科技大學(xué) 高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430081)

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT—Continuous Cooling Transformation)曲線能夠系統(tǒng)反映冷卻速度對(duì)相變開(kāi)始點(diǎn)、相變進(jìn)行程度和相變所得組織的影響規(guī)律，可較好地模擬實(shí)際生產(chǎn)條件，為制訂實(shí)際生產(chǎn)工藝提供參考．為了在控冷后獲得所需的組織和性能，對(duì)熱變形奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的研究變得十分重要，也是制定合理變形工藝制度的前提條件．因此，研究人員對(duì)各種金屬材料的CCT 曲線進(jìn)行了研究［1～6］，有的還精確繪制了CCT曲線［7］．

石油、化工、煤炭液化和氣化等行業(yè)主要生產(chǎn)設(shè)施有容器和管道．此類容器內(nèi)主要為含氫的氣態(tài)或液體介質(zhì)，這些介質(zhì)在高溫高壓下完成合成或裂解等化學(xué)反應(yīng)，這些容器通常稱為臨氫設(shè)備或容器．制造臨氫設(shè)備用的鋼板稱為臨氫鋼，也稱臨氫壓力容器鋼或加氫反應(yīng)器用鋼．石油、化工行業(yè)中典型的臨氫精煉裝置有:反應(yīng)器、分離塔、吸收塔、熱交換器等．加氫反應(yīng)器是臨氫裝置設(shè)備中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其使用條件苛刻，材料長(zhǎng)期處于高溫、高壓及臨氫工況下．熱壁加氫反應(yīng)器大多采用鉻鉬鋼制造，根據(jù)使用溫度和壓力的差異選用不同的Cr－Mo 鋼，其中12Cr2Mo1R 壓力容器鋼板最為常用．目前，對(duì)該鋼種CCT 曲線的研究較少，蔣善玉研究了一種臨氫壓力容器鋼CCT 曲線［8］，奧氏體變形后，鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度升高，同時(shí)，貝氏體轉(zhuǎn)變溫度升高．

本文研究了12Cr2Mo1R 鋼的動(dòng)態(tài)CCT 曲線，分析了奧氏體變形對(duì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的影響，CCT的測(cè)定和分析為該鋼種熱加工工藝和熱處理工藝制度的制定提供依據(jù)．

1 實(shí)驗(yàn)材料和方案

實(shí)驗(yàn)材料為12Cr2Mo1R 壓力容器鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.091C、0.09Si、0.34Mn、0.008P、0.005S、2.118Cr、0.978Mo．將實(shí)驗(yàn)鋼加工成Φ7 mm×12 mm 的圓柱體試樣，在Gleeble－1500 熱模擬機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．動(dòng)態(tài)CCT 曲線的熱模擬實(shí)驗(yàn)工藝見(jiàn)圖1，將試樣以5 ℃/s 加熱至1 100 ℃保溫15 min，然后以5 ℃/s 冷卻到900 ℃，以5 s－1變形速度變形50% 后，分別以0.1、0.5、1、5、10、20、30 ℃/s 的冷速冷卻至室溫，記錄試樣冷卻過(guò)程中的膨脹、溫度、時(shí)間等數(shù)據(jù)．

將熱模擬實(shí)驗(yàn)后的試樣切割、鑲樣、研磨，再經(jīng)拋光機(jī)拋光，最后用4%的硝酸酒精溶液侵蝕成金相試樣，在ZEISS 光學(xué)顯微鏡下觀察組織形貌．

圖1 動(dòng)態(tài)CCT 曲線熱模擬實(shí)驗(yàn)工藝Fig.1 Thermal simulation experiment scheme for dynamic CCT curve

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織圖

變形奧氏體試樣在不同冷卻速度下獲得的組織見(jiàn)圖2，表1 給出了不同冷卻速度下對(duì)應(yīng)的組織．

圖2 變形奧氏體在不同冷速下(℃/s)連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變組織圖Fig.2 Morphology of structures of test steel at different cooling rates(℃/s)

表1 變形奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織Table 1 Structures of test steel at different cooling rates

2.2 連續(xù)冷卻膨脹曲線

隨著溫度的變化，鋼鐵材料將發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象．當(dāng)鋼發(fā)生固態(tài)相變時(shí)，常伴隨著體積的不連續(xù)變化，從而引起熱膨脹的不連續(xù)變化，因此通過(guò)分析熱膨脹的變化就可以研究相變的情況［9］．用切線法取膨脹曲線的拐點(diǎn)來(lái)確定相變臨界點(diǎn)．圖3a 和3b 分別為變形奧氏體冷卻速度為10、20 ℃/s 時(shí)的膨脹曲線，根據(jù)膨脹曲線拐點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的組織，可以確定不同冷速下變形奧氏體連續(xù)冷卻的相變點(diǎn)(表2)．

2.3 動(dòng)態(tài)CCT 曲線

根據(jù)表2 中膨脹曲線確定的相變點(diǎn)，用origin軟件繪制實(shí)驗(yàn)鋼種的動(dòng)態(tài)CCT 曲線(圖4)．

圖3 動(dòng)態(tài)熱模擬的連續(xù)冷卻膨脹曲線和冷卻速度Fig.3 The dilatometric curves of thermal simulation experiment at different cooling rates

表2 變形奧氏體連續(xù)冷卻相變點(diǎn)Table 2 Phase transformation point at different cooling rates

3 分析與討論

2Cr2Mo1R 鋼變形后，奧氏體連續(xù)冷卻時(shí)發(fā)生三種不同類型的轉(zhuǎn)變，即過(guò)冷奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變．冷卻速度在0.1～0.5 ℃/s 時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和珠光體，轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度在851～870℃之間，轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度在708～718 ℃之間，且隨著冷卻速度的增大，鐵素體與珠光體組織逐漸細(xì)化．當(dāng)冷卻速度增加到1 ℃/s 時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)貝氏體組織，但仍然有較多的多邊形鐵素體不連續(xù)地分布在貝氏體之間，鐵素體晶粒尺寸基本相同．當(dāng)冷卻速度達(dá)到5 ℃/s時(shí)，由于冷速較大，很難發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，組織由貝氏體和極少量的鐵素體組成．當(dāng)冷卻速度增加到10 ℃/s 時(shí)，不能發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，組織為貝氏體和馬氏體．冷卻速度繼續(xù)增加到20 ℃/s時(shí)，組織為馬氏體和少量的貝氏體．冷卻速度達(dá)到30 ℃/s 時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物全部為馬氏體．

圖4 動(dòng)態(tài)CCT 曲線Fig.4 Dynamic CCT curve of test steel

圖5 為本實(shí)驗(yàn)鋼種的靜態(tài)CCT 曲線．與靜態(tài)CCT 曲線相比，動(dòng)態(tài)CCT 曲線的鐵素體與珠光體區(qū)向左上方移動(dòng)，貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低．奧氏體變形增大了奧氏體的缺陷密度，使得畸變能增加，有利于鐵原子和碳原子的擴(kuò)散［10］．此外，變形奧氏體內(nèi)產(chǎn)生大量變形帶，為形核提供了更多有利位置，使得鐵素體和珠光體的形核速率增加，從而縮短了鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變的孕育期，且轉(zhuǎn)變溫度提高，轉(zhuǎn)變后的組織更加細(xì)?。?/p>

圖5 實(shí)驗(yàn)鋼種的靜態(tài)CCT 曲線Fig.5 Static CCT curve of test steel

蔣善玉研究了同一壓力容器鋼的CCT 曲線，發(fā)現(xiàn)奧氏體變形后，貝氏體轉(zhuǎn)變溫度升高［8］．但本研究結(jié)果表明，奧氏體預(yù)變形使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度降低．奧氏體變形加快了鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，多余的碳原子擴(kuò)散到未轉(zhuǎn)變的奧氏體中，使未轉(zhuǎn)變奧氏體中固溶了更多碳原子;碳原子濃度增大，奧氏體相趨于穩(wěn)定．此外，變形奧氏體晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，抑制了貝氏體長(zhǎng)大，奧氏體的化學(xué)穩(wěn)定化和機(jī)械穩(wěn)定化的共同作用使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度降低．

對(duì)于馬氏體相變，Bhadeshia［11，12］認(rèn)為奧氏體預(yù)變形后引起奧氏體的力學(xué)穩(wěn)定化，使馬氏體轉(zhuǎn)變受阻，馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度降低．形變使基體位錯(cuò)密度增加，成為切變的阻力，因而降低Ms．同時(shí)馬氏體相變是一種原子沿相界面作協(xié)作運(yùn)動(dòng)使發(fā)生形狀改變的相變，相變時(shí)，由于基體強(qiáng)化，使不易協(xié)作應(yīng)變，則馬氏體繼續(xù)形成和長(zhǎng)大都發(fā)生困難［13］．

4 結(jié) 論

用熱膨脹法測(cè)定了12Cr2Mo1R 壓力容器鋼的動(dòng)態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線，觀察和分析了不同冷卻速度下的相變和組織，繪制了實(shí)驗(yàn)鋼種的動(dòng)態(tài)CCT 曲線，得到以下結(jié)論:

(1)奧氏體變形后，鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?cè)杏诳s短，轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變區(qū)域向左上方移動(dòng);

(2)由于奧氏體化學(xué)穩(wěn)定化和機(jī)械穩(wěn)定化的共同作用，奧氏體變形后貝氏體轉(zhuǎn)變溫度降低;

(3)由于奧氏體機(jī)械穩(wěn)定化的作用，奧氏體變形后馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度降低．

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