模擬焊后熱處理對12Cr2Mo1鍛件力學(xué)性能的影響 *

楊建剛，王瑞明，劉海金，陳維剛，史偉,3

(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評價(jià)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730314；3.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

12Cr2Mo1鋼鍛件是承壓設(shè)備常用的材料，由于其服役環(huán)境苛刻，對其力學(xué)性能要求較高[1-2]。焊接是承壓設(shè)備制造過程中必不可少的環(huán)節(jié)，為了消除焊接應(yīng)力，焊接后必須進(jìn)行焊后去應(yīng)力退火處理，焊后熱處理溫度對其力學(xué)性能有著重要的影響。筆者旨在探討12Cr2Mo1鋼鍛件最佳的模擬焊后熱處理溫度，并對溫度過高或過低造成其力學(xué)性能指標(biāo)偏差的原因進(jìn)行分析，以期為生產(chǎn)實(shí)際提供指導(dǎo)。

1 試 驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分

采用QSN750型直讀光譜儀對12Cr2Mo1鋼鍛件試樣進(jìn)行化分成分分析(見表1)，化學(xué)成分符合NB/T 47008-2017 《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 模擬焊后熱處理試驗(yàn)試樣化學(xué)成分 /%

1.2 試樣模擬焊后熱處理試驗(yàn)工藝

模擬焊后熱處理試驗(yàn)熱處理工藝如表2所列，各試樣淬火溫度均為910 ℃，保溫1.5 h，回火溫度710 ℃，保溫3 h，模擬焊后熱處理溫度分別選擇0 ℃，670 ℃，690 ℃，710 ℃，730 ℃，750 ℃，保溫時(shí)間為26 h。

表2 模擬焊后熱處理試驗(yàn)不同試樣熱處理工藝

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)采用HUT605A 型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，按照國標(biāo)GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》要求制取沖擊試樣(10 mm×10 mm×55 mm)，用2602N-3金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。表3是模擬焊后熱處理試驗(yàn)各試樣力學(xué)性能測試結(jié)果，1#試樣沒有經(jīng)過模擬焊后熱處理，強(qiáng)度指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，沖擊韌性也比較低，隨著模擬焊后的提高，強(qiáng)度逐漸降低，塑性指標(biāo)變好，在670 ℃～690 ℃時(shí)強(qiáng)韌性最好，當(dāng)溫度為730 ℃時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，當(dāng)溫度為750℃時(shí)強(qiáng)度及沖擊韌性指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 模擬焊后熱處理試驗(yàn)各試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 金相分析

金相顯微鏡型號為GX51奧林巴斯倒置式金相顯微鏡，圖1是不同模擬焊后熱處理試樣的金相分析照片，試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕，放大倍數(shù)為1000×，各試樣顯微組織均為貝氏體回火組織。隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，貝氏體鐵素體針逐漸粗化，發(fā)生板條狀貝氏體逐漸向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)模擬焊后熱處理溫度達(dá)到730 ℃時(shí)，晶界明顯粗化，并在晶界處出現(xiàn)明顯較多的析出相，晶內(nèi)碳化物也隨著溫度的升高逐漸聚集長大。

2 分析與討論

1#試樣沒有經(jīng)過模擬焊后熱處理，其強(qiáng)度指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，塑性和韌性指標(biāo)較低。2#、3#試樣的強(qiáng)韌度最為理想，但是隨著溫度的升高強(qiáng)韌度又開始下降，當(dāng)溫度達(dá)到750 ℃時(shí)，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高至-30 ℃以上。

如果不進(jìn)行焊后熱處理，勢必會導(dǎo)致焊縫的開裂，如果模擬焊后熱處理溫度過低，強(qiáng)度指標(biāo)會偏高，同時(shí)沖擊韌性、塑性會偏低，更為重要的是對實(shí)際生產(chǎn)就缺乏具體的指導(dǎo)意義。

圖1 不同模擬焊后熱處理溫度顯微組織

模擬焊后熱處理溫度均低于相變溫度，主要是由于改變了合金元素的析出及析出相的分布導(dǎo)致了性能發(fā)生變化。適宜的模擬焊后熱處理溫度，雖然晶界上有少量碳化物相析出，但晶內(nèi)和晶界上析出的數(shù)量變化不大，新析出的碳化物的數(shù)量和尺寸增加不明顯，這樣就能保證該鋼具有良好的低溫韌性，并具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變傾向[3]。

對于主要的合金化元素Cr元素而言，模擬焊后熱處理后，析出相已發(fā)生明顯長大，且有大量含Cr的合金碳化物從鋼中析出。通常情況下，Cr元素主要是以固溶方式存在于基體，固溶時(shí)可以有效地降低碳的擴(kuò)散速度，增加鋼的淬透性，提高鋼的回火穩(wěn)定性。但如果Cr元素從鋼中析出，就會引起晶界弱化，促進(jìn)回火脆性的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生準(zhǔn)解理斷口，其改善回火脆性的能力就會降低，從而引起材料沖擊韌性的下降，導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高[4]。模擬焊后熱處理同樣改變了碳化物的分布或者使其沿晶界析出，使得碳化物對于解離裂紋的傳播的阻礙作用被削弱。另一方面改變了位錯(cuò)的運(yùn)動形式，提高了位錯(cuò)濃度，更加有利于位錯(cuò)的塞積，從而提高了材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度[5-7]，若模擬焊后熱處理溫度過高，就會導(dǎo)致沖擊韌性下降甚至低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

對于強(qiáng)度及硬度指標(biāo)而言，假如模擬焊后熱處理溫度過高，由于碳化物的聚集長大，位錯(cuò)開始脫離析出物的釘扎，因而使位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化的效果明顯減弱，同時(shí)貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發(fā)生合并，形成多邊形鐵素體或者粒狀貝氏體，再加上碳化物在晶界上的析出，導(dǎo)致晶界弱化，因此強(qiáng)度和硬度則隨之下降[8-9]。

可見隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，是由于析出相在晶界的聚集長大，弱化了晶界，在晶內(nèi)的長大削弱了固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化作用，同時(shí)改變了位錯(cuò)運(yùn)動的形式，導(dǎo)致了12Cr2Mo1鋼鍛件強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性的下降。

3 結(jié) 論

通過熱處理試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等手段分析了模擬焊后熱處理溫度對12Cr2Mo1鋼鍛件力學(xué)性能影響得出如下結(jié)論。

(1) 12Cr2Mo1鋼鍛件的模擬焊后熱處理溫度宜選擇在670～690 ℃左右，這樣就能夠得到良好的力學(xué)性能。

(2) 模擬焊后熱處理溫度過低，強(qiáng)度就會高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，得不到最優(yōu)的沖擊韌性和塑性指標(biāo)，且缺乏對生產(chǎn)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

(3) 模擬焊后熱處理溫度過高，析出相就會聚集長大，降低固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等作用，并弱化晶界，同時(shí)改變了位錯(cuò)的運(yùn)動形式，導(dǎo)致了12Cr2Mo1鋼鍛件的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性的下降。

研究內(nèi)容可以為12Cr2Mo1鋼鍛件產(chǎn)品制造過程中退火工藝的優(yōu)化提供借鑒，為原材料復(fù)驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)分析提供指導(dǎo)。