用于低温状态的碳低合金钢牌号的发展.doc

用于低温状态的碳低合金钢牌号的发展
Taher El-Bitar a, Mohammed Gamilb,∗, Ibrahim Mousab, Fouad Helmyb
埃及开罗中央冶金研究与发展研究所
埃及本哈大学工程学院
文章信息
文章历史：
2010年10月27日收到
2011年4月15日收到修订稿
2011年4月22日录用
2011年4月30日可供网上下载
关键词：
低合金钢
热处理
韧性
低温铸件
回火脆性
提要
为了符合低温应用的要求需对低合金钢进行处理。除了化学成分，钢还应该经过一个适当的热处理，以确保钢在低温下能达到所需要的机械性能。换言之，对钢进行设计以降低韧脆转变温度从而抵抗零摄氏度以下的动态载荷。用于液化天然气管道配件的合金钢，可以作为较低零下冲击转变温度应用的例子。
本工作的主要目的是要为合金LC2和LC2-1找到一个合适的热处理程序。此外，它的目地是在不同的零下温度时使冲击韧性和微观结构、断裂面关联起来。
进行调查的钢是镍、铬和钼的低碳合金钢。LC2合金钢已成功进行处理，通过添加铬和钼改造成LC2-1合金钢。通过900◦C油冷淬火然后595◦C回火来改善韧性。已经在室温下进行了硬度，拉伸及冲击试验。零下温度时的进一步冲击试验用来分析合金的表现。金相实验和扫描电镜断口分析加上X射线衍射定性分析也已经进行。
通过淬火回火处理，使LC2中的非均匀马氏体-铁素体铸态结构转变成均匀回火马氏体，这导致ITT下降至-73。C。铬和钼的添加在LC2-1合金中创建了一个非常精细的马氏体结构。LC2-1的淬火 - 回火使冲击转变温度迅速达到-30◦C。据预期，该钢经受回火脆化是由于铬、钼的合金化导致磷在晶界上偏析，得出的结论并没有牌号可供参考[6]。
Elsevier B.V.出版

1. 引言
镍在任何低碳合金钢中都不形成任何碳化物，它仍溶解在铁素体中强化和增加铁素体相的韧性。镍钢很容易进行热处理，因为镍降低了临界冷却速率。用铬、镍相组合来生产合金钢可以获得比碳素钢具有更大淬透性、较高的冲击强度和更大的疲劳抗生的合金钢[1]。镍，像锰一样，可用于提高钢在低温下的缺口韧性[2]。
添加铬提高的淬透性提供了足够的现成能源产生马氏体组织[2]。此外，铬有助于形成能够提高基体强度的碳化物[3]。
钼经常被用来增加淬透性，并且它通过影响微观结构来影响缺口韧性。可以往合金钢中添加0.5-1.0％的钼来减少它的回火脆化敏感性[2]。钼有助于碳化物的形成，碳化物有助于提高基体强度，促进晶粒细化，因此可以改善韧性[3]。
通过对低碳合金钢进行淬火和回火处理，使产生更细的聚集的回火马氏体来提高强度和缺口韧性。回火温度不能低于595◦C[4]。李先生在2000年发表的作品中总结出[5]，进行淬火和回火处理的钢铸件比只进行浇铸、退火、或正火的同类铸件具有更高的缺口韧性。
Zabi´lSkii在发表的一篇处理结构合金钢回火脆性的评论文章中，对铬、锰、镍和钼合金化的影响进行了讨论[6]。考虑到冷却速度，回火脆化温度范围为400-600C[7]。含磷大于0.05%的钢的回火脆化有一个显著的未来是晶间（穿晶）断裂的性质以及随之而来的较高的韧脆转变温度[8]。回火脆性的真正原因是界面活性添加剂如磷和锑在有碳化物形成元素如铬、锰和钼存在时在晶界偏析[6]。具有高的碳磷比的普通碳素钢没有回火脆性是由于碳和磷原子的竞争，即有用的碳从晶界把有害的磷替换掉[6]。
这项研究的主要目的是获得进一步的证据或认识把这些钢的热处理与组织和相应零度以下的韧性联系起来。
2. 实验内容
感应炉被用来熔化废钢和合金元素以弥补这些元素在熔体中的缺陷。LC2合金是把金属液浇注到两块各重20公斤的Y型模具中进行砂模铸造。一种改进方法被用于剩于部分的熔液（60公斤），通过向熔液中添加铁-铬和铁-钼来获得LC2-1合金。铸造两块Y型块代表LC2-1合金。这两种合金的化学成分示于表1。
表1
处理后的合金的化学组合物。

图1 两种合金的淬火和回火处理周期
硬化（淬火） - 回火周期用于开发有针对性的性能。图1是两个处理周期的实际记录。
在室温下已经进行了的硬度、拉伸强度和冲击试验。更进一步的零下温度冲击试验旨在表征合金的特性。金相和扫描电镜断口分析再加上X射线衍射定性分析都已经完成。
3. 结果与讨论
两个处理等级的LC2和LC2-1的化学组成，与ASTM A352所述的匹配。这两个等级适用于应用于低温状态的阀门、法兰、管件和其他压力容器部件。

图2 LC2铸态和热处理微观结构
图2表示LC2合金的铸态以及热处理的微观结构。图2显示的示微组织包括马氏体基体与一些铁素体聚集。这种显微组织是一种多相的微观结构，这将导致较低的机械性能，因此为获得均匀的马氏体显微组织与更好的机械性能，一个合适的类似淬火 - 回火的热处理周期是必需的。
淬火工艺，将铁素体聚集转变成完全硬脆马氏体相。回火加工是为了产生如图2（b）所示的较脆的马氏体（回火马氏体）和消除淬火过程产生的内部应力。淬火 - 回火处理后，将获得具有高的机械性能的均匀精细的显微组织[9]。

图3 LC2合金铸态和热处理条件下的硬度和UTS
合金LC2的机械性能列于图3中。图3（a）表示铸态和热处理的LC2试样的硬度的平均值。很显然，经热处理的试样的硬度提高了9.4[HRA]，它反映了所进行的的热处理流程的积极效果。此外，材料的拉伸性能示于图3（b）确保调质试样的UTS高于铸态试样。UTS的结果证实了硬度测量所获得的结果确认了该热处理周期是正确的选择。目前的结果符合ASTM A352标准中规定的要求[4]。伴随着热处理周期的机械性能的改进，归功于图2（b）所示的均匀细化的显微组织。

图4 合金LC2铸态和热处理状态的韧性
冲击实验是描述合金钢在室温和零下温度时的特性必需的最重要的实验其中之一。图4表示LC2合金的铸态和热处理条件下在不同温度时的冲击结果。在室温条件下，很明显，铸态的冲击值（17.2 J）比热处理条件时的冲击值（61.5 J）要低。这清楚地反映了热处理周期的成功的作用并且证实了先前做出的推断[9]。
另一方面，它观测到两种情况下韧性都随着测试温度的降低而连续降低。此外，热处理条件下的韧性总是高于铸态条件的韧性，这是热处理周期的另一种积极的影响[10]。

图5 LC2合金的断裂面和晶界析出物的X射线衍射定性分析
通过扫描型电子显微镜（SEM）对断裂面进行检查，以确定冲击试样的断裂模式。图5（a）表示室温下铸态试样的冲击统计测试的断裂面，，而图5（b）表示对LC2合金晶界上的析出物的X射线衍射定性分析。
大部分停止的断裂面是沉淀物薄膜嵌入小刻面之间的解理面。这种断裂模式反映了在室温下较低的韧性值。图5（a）所示的断裂模式证实了冲击和其他机械性能试验的结果。连续碳化硅膜形成网状形状，促进了裂纹的扩展[11]。
表2
LC2合金铸态晶界析出物的X射线衍射分析。

表2显示晶界析出物的X射线衍射定性分析得出的化学组成。可以概括地说析出物主要是渗碳体在LC2合金的晶界上析出。

图6 铸态LC2在-60◦C的SEM断口分析
图6表示LC2在-60◦C的铸态包含河流型花样的断裂面。
李先生发表的研究证明，河流花样表明合金在-60◦C时比在室温时变得更脆同时降低测试温度会导致冲击韧性降低[10]。

(a) 淬火-回火后LC2在室温下的SEM断口形貌 （b）淬火-回火后LC2在−40 ◦C的SEM断口形貌
图7 淬火-回火后LC2在室温下和−40 ◦C时的SEM断口形貌
图7表示在室温和−40 ◦C时进行过淬火 - 回火热处理的LC2的扫描电镜断口形貌。
这两个图表清楚地显示了合金LC2上施加的热处理周期的成功效果。图7（a所示的断裂面包含有全面精细的韧窝破裂，这反映出高值的冲击韧性，这些细韧窝显示出相当大的延展性[10]。
图7（b）表示热处理过的合金LC2在-40◦C时的断裂模式。断裂模式表明该合金向脆性转变，断口从室温时的完整的微细韧窝转变为韧窝和相当量的晶面的混合物。韧窝部分确定了合金的韧性水平[9]。
4. LC2-1合金

（a） 铸态组织 （b）淬火-回火状态
图8 合金LC2-1铸态和淬火回火条件下的微观结构
图8代表合金LC2-1铸态（a）和淬火回火条件下（b）的微观结构。
由于铬钼使合金性质改变，铸态显微组织完全是马氏体结构凝固过程中早期形成的碳化钼（Mo3C）和碳化铬（Cr3C）导致形成精细的马氏体结构，两种碳化物都可作为马氏体形成的核或种子。埃尔-比塔尔和埃尔 - 版纳早期的研究成果证实了这个结果[11]。
图8（b）所示的显微结构含有因不适当的淬火 - 回火处理周期而产生的损坏的（非均相）马氏体结构的混合物。在一篇处理回火脆化问题的评论中[6]，证实铬、钼和镍相结合合金化会促进回火脆化过程，这将导致冲击性能受到破坏[11]。

图9 合金LC2-1铸态和淬火-回火状态的硬度和拉伸强度性能
图9表示合金LC2-1的硬度和拉伸强度性能。
LC2-1合金淬火 - 回火处理后，硬度并没有明显增加，表明热处理没有效果。然而，处理后极限拉伸强度降低，表明淬火 - 回火处理对于提高机械性能是不恰当的[6]。

图10 LC2-1合金淬火 - 回火处理之前和之后的冲击韧性结果
图10表示合金LC2-1在不同温度下的淬火 - 回火之前和之后的冲击韧性的结果。
冲击结果反映了施加不适当热处理流程的负面效应，特别是在低温下（-30◦C至-73◦C）热处理过的冲击值比铸态的要低。先前关于回火脆化的评论文章证明了目前的结果[6]。

图11
图11表示：
(a)铸态LC2-1合金在室温下测试的断口；
(b)LC2-1合金的晶界上的析出物的X射线衍射定性分析;
(c)铸态LC2-1合金在-50 ◦C时测试的断口。
图11（a）所示的断裂面表示粗韧窝的破裂和韧窝之间连续的碳化硅膜被阻碍。从图10可以知到受阻碍的连续碳化物膜反映了合金LC2-1在室温下具有低的冲击值。

LC2-1断裂表面上三相点处的定性分析（XRD）示于图11（b）中。表3中有所含元素的峰值。比较XRD图形和表3可以得出晶界析出物是碳化铬。
表3
LC2-1合金铸态的X射线衍射分析。

图12 LC2-1合金淬火 - 回火处理后在室温下和-50◦C时冲击试验的断口
图12（a）示出LC2-1合金淬火 - 回火处理，然后在室温下进行冲击试验后的断裂面。断裂面清楚地显示粗韧窝在一些阻碍碳化物作用下破裂。然而，图12（b）表示合金在-50◦C被测试的断口。断裂面明显包含具有许多阻碍片状碳化物（暗）的完整小面，这些碳化物被认为是强大的微裂纹引发剂。作为不当的淬火 - 回火周期的结果，这将严重影响零度以下的冲击韧性。
5. 结论
1.通过加入Cr和Mo，熔融的LC2钢合金可以变成LC2-1。
2.900◦C油淬火然后在600◦C回火本质上是使LC2合金的非均匀马氏体、铁素体铸态组织转变为均匀的回火马氏体组织。
3. 未检测到调质的LC2合金的冲击转变温度（ITT）下降到-73◦C。
4. 把LC2钢合金和钼和铬熔融合金化可以产生合金LC2-1中的良好的马氏体结构。
5. 合金LC2-1的不正确的淬火 - 回火处理会导致回火脆化，形成具有薄片状碳化物的阻碍面。
参考文献
[1] ASM，性能与选择：铁，钢材，高性能合金，第一卷，1990年，355页。
[2] JR·Davis，ASM专业手册，第一次印刷，1996年3月，第269-281页。
[3] C.C. Menzemer，T.S.Srivatsan， R. Ortiz, M. Al-Hajri, M. Petraroli,，材料与设计22（2001）659-667。
[4] ASTM A352/ A352M-93（1998年重新批准）。
[5] C.-J.李，材料和设计21（2000）27-30。
[6] V.V. Zabi´lSkii,，合金结构钢的回火脆化（审查）（(Metallovedenie I termicheskaya Obrabotaka Metallov No. 1），1987年，24-32页。
[7] I.Olefjord，“回火脆性”。 Int. Met. Rev., 23，第4号，（1978）149-163。
[8] D.F. Stein，材料科学年度审查7（1977）123-153。
[9] ASM国际，热处理，第四卷，1991。
[10] U.-J.李，材料和设计21（2000）27-30。
[11] T.A. El-Bitar, E.M. El-Banna，加拿大冶金季刊39（2000）361-436。