临界区高温侧正火对COST-FB2钢组织与性能的影响.pdf

第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；国家重点研发计划项目（）作者简介：李扬（），男，硕士研究生，：通讯作者：耿鑫（），男，副教授，：年 月 ：临界区高温侧正火对 钢组织与性能的影响李 扬，耿 鑫，姜周华，陶学儒，彭雷朕（东北大学 冶金学院，沈阳；中国第二重型机械集团有限公司，四川 德阳）摘 要：采用扫描电镜、光学显微镜、力学性能测试等手段研究了临界区高温侧正火工艺对 钢的显微组织与力学性能的影响 结果表明：临界区高温侧正火促进了 钢中的球状奥氏体增加，同时抑制了针状奥氏体的发展，三次临界区高温侧正火能达到消除组织遗传的目的；最终热处理后的显微组织表明，临界区高温侧正火处理能够优化 钢中的析出相，使 析出相呈细小状弥散分布；临界区高温侧正火处理明显提高了 钢的强度和韧性，其中三次临界区高温侧正火后钢的抗拉强度和屈服强度都提高了 左右，但随着临界区高温侧正火次数的增加，组织中开始出现粗化的 相，使钢的冲击韧性稍有下降关键词：临界区高温侧正火；钢；析出相；强韧性中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；大型锻件因具有尺寸大、质量大等特点，锻造及热处理过程工序多，这造成了锻件内部有很多的组织缺陷 钢大型锻件锻造后的组织为非平衡态的马氏体组织，这种非平衡态组织的合金钢在一定的加热条件下，奥氏体晶粒继承了原奥氏体粗大晶粒（包括晶粒尺寸、形状及位向），造成了组织遗传，影响了钢的性能目前较为可行的消除混晶、细化晶粒的锻后热处理工艺有很多，这些工艺主要是促进球状奥氏体的发展，减少针状奥氏体的形成国外对大锻件的锻后热处理，大部分采用的都是两到三次的正火处理近年来，相关研究结果表明，在靠近（奥氏体完全转变温度）的高温侧加热保温，即临界区高温侧正火，球状奥氏体的形成占优势，由于球状奥氏体与母相之间不存在位向关系，因此在此温度区间加热保温会消除粗大组织的遗传，使晶粒尺寸得到细化还有研究结果表明，多次循环正火处理可显著细化 钢的晶粒尺寸，提高合金的强韧性，但对其机理并没有过多研究在分析国内外相关研究工作的基础上，本文中对 钢进行不同道次的临界区高温侧正火预备热处理，对比不同工艺后试样的组织与性能的变化规律，探究能够切断组织遗传、强化 钢性能的热处理方法 实验材料和方法 实验材料实验钢采用真空感应炉冶炼，钢锭质量为，车削除去氧化皮并切除铸锭头部缩孔后进行锻造，开锻温度 为 ，终 锻 温 度 高 于，锻造过程中镦粗 次，锻造比大于 ，锻造后埋砂冷却实验钢的化学成分如表 所列 实验方法为模拟大型锻件的实际生产过程，先将 钢进行粗晶化处理将锻造好的棒材切割成 直 径 、高 的 小 段，然 后 在 下粗化 ，获得粗大的马氏体组织采用截点法得到钢粗化前后的晶粒度，粗化前大约为 级，粗化后晶粒度能达到 级，且具有一定的不均匀度，粗化效果明显预备热处理时在 下分别进行不同次数的临界区高温侧正火处理和一组空白对照实验，最后统一进行 钢的常规一次淬火加两次回火热处理，热处理工艺如表 所列将预备热处理后的试样分别打磨、抛光，用体积分数为 的硝酸酒精溶液腐蚀，然后在光学显微镜下观察其组织形貌最终热处理后的试样经打磨、抛光后，用维乐试剂腐蚀 ，之后对其进行 分析室温冲击试样按照国标 规定的夏比 型缺口冲击试样的形状和尺寸进行加工，尺寸为 ，缺口深度为 ，夹角，底部曲率半径为 ，每组平行试样 个参照金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法（）进行实验钢的室温拉伸实验，试样标距为，平行段长度为 ，实验过程中应变速率为 每组实验钢进行 次平行实验，测试结果为 组平行实验结果的平均值最后在扫描电镜下对拉伸后钢的断口形貌进行观察表 实验钢化学成分（质量分数）（）其余表 热处理工艺参数 分组编号预备热处理最终热处理对照组无 空冷实验组 空冷 空冷 空冷 空冷 空冷 油冷 空冷 空冷 实验结果与分析 临界区高温侧正火对锻后实验钢组织的影响图 为不同道次临界区高温侧正火后实验钢的金相组织图从图中可以发现，对比未经过正火处理的 实验钢中大尺寸的马氏体板条状组织，一次高温侧正火后的实验钢在原奥氏体的晶界、马氏体板条的边界上生成了许多细小、均匀的球状奥氏体，在马氏体的板条边界之间沿着板条的方向生成了针状奥氏体这些针状奥氏体沿着马氏体板条束分布，长短与马氏体板条一致，呈平行第 期 李 扬等：临界区高温侧正火对 钢组织与性能的影响排列，取向十分明显两次高温侧正火后的实验钢除了在原奥氏体的晶界、马氏体板条的边界上生成球状奥氏体之外，原奥氏体晶内也开始出现大量球状奥氏体，针状奥氏体的占比逐渐减少经过三次高温侧正火后，无论是在原奥氏体晶粒内部还是在晶粒的边界上，都生成了大量的球状奥氏体，而几乎观察不到针状奥氏体0#50 m1#50 m2#50 m3#50 m图 不同道次临界区高温侧正火后实验钢的组织 对于 这种马氏体耐热钢来说，在加热过程中，非平衡态的马氏体组织会发生再结晶，生成两种奥氏体晶粒形态：一种是针状奥氏体，另一种是球状奥氏体研究结果表明，在靠近（奥氏体开始转变温度）的低温侧加热，钢组织中会生成大量的针状奥氏体，这种针状奥氏体和原始马氏体板条之间存在着严格的 位向关系在一定的加热条件下，这些位向一致的针状奥氏体长大合并，使得新奥氏体晶粒恢复到原始奥氏体晶粒的大小、形状和位向，造成组织遗传当加热温度靠近 的两相区高温侧时，会促使钢组织中球状奥氏体的形成，并抑制针状奥氏体的形成球状奥氏体与马氏体板条之间不存在明确的位向关系，从而不会造成粗大马氏体组织的遗传因此，在临界区高温侧加热保温可得到大量细小且均匀的球形奥氏体，利用这一原理，可消除钢中粗大晶粒的遗传，从而细化晶粒结果显示，三次临界区高温侧正火基本能达到消除组织遗传的目的 临界区高温侧正火对最终热处理后实验钢组织的影响最终热处理后实验钢的显微组织如图 所示从图中可以看出，未经过正火的实验钢在原奥氏体晶界和马氏体板条边界出现少量析出相，晶内析出相数量相对较少且尺寸不均匀，存在大尺寸的 相而经过不同道次的高温侧正火后的、和 实验钢中 析出相数量显著增加，晶内出现了大量细小的碳氮化物析出相随着高温侧正火次数的增加，经过两次和三次临界区高温侧正火的实验钢中的析出相细小弥散且分布均匀但是随着高温侧正火次数的增加，实验钢中 相出现轻微的球状化或粗化现象材 料 与 冶 金 学 报 第 卷0#1 m2#1 m1#1 m3#1 m图 最终热处理后实验钢的显微组织 在 钢中，相大多沿晶界和板条边界析出，细小弥散的 相会阻碍界面的运动，对界面起到钉扎作用，阻止马氏体板条发生回复，并且细化晶粒，提高钢的持久强度，是 钢获得较好强韧性的重要保障未经过热处理的钢中 相在晶界和板条边界聚集成团，需经过淬火加回火使大尺寸的 相重新固溶入基体，然后再分配，以得到细小弥散的析出相但是长时间的高温淬火会使晶粒发生异常长大，反而不利于钢的持久性能在最终热处理前先进行多次临界区高温侧正火可以解决这一问题多次的临界区高温侧正火使球状 析出相反复回溶，大尺寸的析出相逐渐消失，并在最终热处理后 钢重新析出均匀分布的细小 相，从而提高了自身的强度但是由于相在高温下的不稳定性，三次高温侧正火后的实验钢中的 相出现轻微的球状化或粗化现象，这会对钢的性能有一定影响 临界区高温侧正火对实验钢最终力学性能的影响对最终热处理后的 实验钢进行拉伸性能测试，测试结果如图 所示从图（）中可以看出，随着临界区高温侧正火次数的增加，实验钢的抗拉强度和屈服强度均有明显增大，尤其是三次高温侧正火下的 钢的抗拉强度和屈服强度分别增大了 和 计算实验钢拉伸后的伸长率，发现其伸长率的变化和强度变化基本一致，如图（）所示对实验钢室温拉伸断口进行分析，结果如图 所示从图中可以发现，未经过正火处理的 实验钢宏观断口存在许多亮面，属于脆性断裂此时，杂质元素和脆性相主要在晶界析出，实验钢沿晶界发生脆性断裂，断裂面较为平整而经过正火处理后的实验钢具有典型的韧性断裂特征，断口包括中心纤维区、放射区和剪切唇区，断口均有明显颈缩，断面处有大量韧窝形成，放射线明显在高倍镜下观察发现，未经过正火的实验钢的断口微观结构中韧窝细小且浅平，此时发生的主要是沿晶界的脆性断裂而随着正火次数的增加，实验钢的断口微观结构中存在分散的大而深的韧窝，韧窝底部存在第二相，容易引起应力集中试样在载荷作用下，先在第二相附近形成微孔，当微孔连通形成裂纹后，随着裂纹的扩展，试样断裂第 期 李 扬等：临界区高温侧正火对 钢组织与性能的影响(a)强度/MPa105010009509008508007507006500#1#2#3#编号抗拉强度屈服强度(b)伸长率/%0#1#2#3#编号19.018.518.017.517.016.516.015.515.0图 实验钢的拉伸性能 （）强度；（）伸长率 0#500 m1#500 m2#500 m0#5 m1#5 m元素w/%OAlFeCrMo总量42.0728.3421.442.513.80100.002#5 m元素FeBCrMo总量45.5828.1011.5214.80100.00w/%材 料 与 冶 金 学 报 第 卷3#500 m5 m元素BNFeCrO总量48.2431.8815.772.591.52100.003#w/%图 实验钢室温拉伸断口分析 对实验钢进行冲击和硬度（）检测后发现，临界区高温侧正火处理会增强实验钢的冲击韧性并降低其硬度，如图 所示从图中可以看出，临界区高温侧正火虽然能增强实验钢的冲击韧性，但随着正火次数的增加，冲击功反而略有下降，如图（）所示0#1#2#3#编号冲击功/J9080706050403020100(a)0#1#2#3#编号HRC302928272625(b)图 实验钢的冲击性能和硬度 （）冲击功；（）硬度 图 为实验钢的冲击断口形貌图从图 中可以看出，钢冲击试样的断口表面由河流花样和许多撕裂棱构成对比不同热处理工艺后的断口试样可以发现，随着高温侧正火次数的增加，断口起伏程度逐渐减弱，表面变得更为平整，撕裂棱数量减少，冲击性能呈现逐渐下降的趋势对于 钢来说，最终热处理后析出的碳氮化物的形貌、尺寸对其强韧性有很大影响未经过预备热处理的实验钢，相主要集中在奥氏体晶界处且尺寸较大，使基体产生应力集中，对冲击韧性不利此时析出强化作用较弱，固溶强化作用明显，实验钢的韧性较低增加了临界区高温侧正火处理后的实验钢，最终热处理后析出的碳氮化物的形貌、尺寸有了明显变化位于晶界和板条边界上的大尺寸 相在经过几次高温侧正火后充分固溶入基体，并在最终回火后得到细小且弥散的碳氮化物此时 相的析出强化作用增强，固溶强化作用减弱，钢的硬度减小，韧性得到明显提升，并且在两种强化的共同作用下，钢的强度也有所提高但是与一次高温侧正火处理后实验钢的冲击韧性相比，两到三次高温侧正火处理后实验钢的冲击韧性反而有所下降，这是由 相的高温不稳定性造成的随着高温侧正火次数的增加，相出现轻微的球状化或粗化现象，后续淬火加回火不能消除这种粗化现象，材料断裂过程中容易在此处形成裂纹，影响材料的冲击性能第 期 李 扬等：临界区高温侧正火对 钢组织与性能的影响0#10 m1#10 m3#10 m2#10 m图 实验钢的冲击断口形貌 结 论（）钢在进行临界区高温侧正火处理后，在原奥氏体晶界和马氏体板条边界处生成了球状奥氏体，在马氏体的板条边界之间沿着板条的方向生成了针状奥氏体晶粒，随着临界区高温侧正火次数的增加，球状奥氏体数量增加并抑制了针状奥氏体的长大，原奥氏体晶界消失，有效地消除了组织遗传（）临界区高温侧正火处理能够使 钢中 析出相呈细小弥散分布，且随着临界区高温侧正火次数的增加，析出相分布得更加均匀但是由于 相的高温不稳定性，临界区高温侧正火次数的增加也会造成 相轻微球化或粗化（）临界区高温侧正火处理明显提高了 钢的强度和韧性，其中三次临界区高温侧正火后钢的抗拉强度和屈服强度都提高了左右，但随着临界区高温侧正火次数的增加，粗化的 相开始出现，这使钢的冲击韧性有所下降 参考文献 王凤喜 大锻件生产行业与锻造技术发展 锻压机械，（）：李骏骋，蒋新亮，董涛大型铸锻件行业及热处理领域技术发展 机械，（）：曾骁 热处理工艺对 钢组织和力学性能的影响 昆明：昆明理工大学，殷会芳，杨钢，赵吉庆，等 回火工艺对 转子钢组织与性能的影响 钢铁研究学报，（）：田晓，徐慧，秦承鹏，等 高效超超临界机组用 钢高温持久过程组织演变分析 动力工程学报，（）：张煜 固溶工艺对 转子钢组织与性能的影响 昆明：昆明理工大学，王健 大型锻件汽轮机低压转子用 钢组织遗传研究 青岛：山东科技大学，党淑娥，刘燕，侯微，等 低压转子钢的组织遗传特征 金属热处理，（）：牟军，张丰，康大韬 大锻件组织遗传的细化工艺的比较研究 材料导报，（）：宋传宝，金嘉瑜，刘志颖，等 汽轮机低压转子晶粒细化与均匀化的热处理工艺方法研究 大型铸锻件，（）：王凯 钢热处理过程混晶形成机理及控制 太原：太原科技大学，材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 李海昭，梁军，徐连勇，等 循环正火处理对 钢组织及冲击韧性的影响 材料热处理学报，（）：叶中飞，伍川，李清，等 回火温度对高 铁素体 马氏体耐热钢组织与力学性能的影响 热加工工艺，（）：崔占全 转子钢的奥氏体再结晶及其消除组织遗传 钢铁，（）：，王凯，党淑娥，何艳，等 钢消除混晶的方法 大型铸锻件，（）：田仲良，包汉生，何西扣，等 汽轮机转子用耐热合金的强化机理 钢铁研究学报，（）：李丹 热处理对马氏体耐热钢组织与性能的影响 成都：西华大学，周强国，石全强，严伟，等 正火温度对含硅型高铬马氏体耐热钢性能的影响 材料研究学报，（）：于君燕 铁素体 马氏体耐热钢的显微组织和力学性能研究 淄博：山东理工大学，李红英 金属拉伸试样的断口分析 山西大同大学学报（自然科学版），（）：杨百勋，丁玲玲，田晓，等 转子钢低周疲劳断口分析 中国电力，（）：弘扬科学家精神专题宣传 姚桐斌（年 月 年 月），冶金学和航天材料专家。我国第一代航天材料工艺专家和技术领路人，对现代冶金学有关金属和合金黏性、流动性的研究卓有成绩。年组织制定了国防部五院材料工艺的研究方向，并按“材料要先行”的要求，安排组织材料工艺的预先研究。主持了液体火箭发动机材料的振动疲劳破坏问题和液体火箭焊接结构的振动疲劳破坏问题的研究，并应用到型号的研制工作上，对火箭部件的设计、选材和制造起了指导性的作用。年获国家科学技术进步奖特等奖。年被追授“两弹一星”功勋奖章。入选“庆祝中华人民共和国成立 周年大型成就展”年英雄模范人物。第 期 李 扬等：临界区高温侧正火对 钢组织与性能的影响