15CrMoR鋼變形抗力及連續轉變研究

吳波 邱春林 蘇志敏 杜林秀

（1.天津鋼集團有限公司技術中心，天津 300301;2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819;3.中冶南方工程技術有限公司熱軋事業部，武漢 430223)

15CrMoR鋼變形抗力及連續轉變研究

吳波1邱春林2蘇志敏3杜林秀2

（1.天津鋼集團有限公司技術中心，天津 300301;2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819;3.中冶南方工程技術有限公司熱軋事業部，武漢 430223)

采用真空冶煉15CrMoR中溫壓力容器用鋼,在MS-300熱模擬試驗機上采用單道次壓縮實驗測定了變形抗力,確定了變形抗力模型。采用熱膨脹法測定了15CrMoR鋼的動、靜態CCT曲線。結果表明在接近工業生產的工藝參數條件下，其變形抗力表現為動態回復和動態再結晶型;在靜態和動態條件下，15CrMoR鋼室溫組織為珠光體和鐵素體以及部分貝氏體。塑性變形使CCT曲線向左上方移動。該研究為在寬厚板軋機上進行15CrMoR鋼的生產提供了理論依據。

變形抗力 CCT曲線 金相

1 引言

15CrMoR屬于中溫使用的低合金耐熱容器鋼，可用來制造壓力容器的封頭、法蘭、受熱面管道、集箱和蒸汽管道以及鍋爐的大型鍛件等，其使用溫度在550～560℃以下。常用的低合金耐熱鋼主要是低合金珠光體耐熱鋼，其主要特點是以鉻鉬為主，并加入其他合金元素;15CrMoR鋼與國外的13Cr-Mo44等化學成分和性能相當[1]。

15CrMoR鋼具有足夠的蠕變強度、持久強度和持久塑性，良好的高溫組織穩定性、高溫抗氧化性（耐熱性)，良好的制管、焊接等加工工藝性能，同時具有一定的抗氫腐蝕性能。15CrMoR鋼通常以退火狀態或正火+回火狀態供貨。早期生產的15CrMoR鋼多采用電爐冶煉[2]，采用轉爐連鑄工藝進行中溫壓力容器用鋼的生產。由于其具有較高的純凈度、良好的沖擊韌性以及較低的成本而受到用戶的歡迎，在水電站建設、壓力容器制造等行業的應用越來越廣泛[3]。

本文在實驗室條件下，采用真空電爐冶煉經鍛造開坯后，截取試樣對該鋼的變形抗力、連續相轉變進行了研究，為工業生產中工藝規程的制定提供了理論依據。

2 實驗材料及研究方法

本研究采用真空冶煉，錠重150 kg，其主要化學成分為：0.12%C，0.32%Si，0.65%Mn，0.97%Cr，0.46%Mo。經鍛造開坯成斷面尺寸為100 mm×120 mm的矩形坯，然后取樣分別加工成不同尺寸，進行各項試驗，實驗在東北大學國家重點實驗室自行研制的MMS-300熱模擬試驗機上進行。采用?8 mm×15 mm的圓柱試樣進行單道次壓縮實驗，測試該鋼的變形抗力，試驗溫度從850～1 050℃，溫度間隔50℃。單道次壓縮實驗工藝如圖1所示。CCT曲線測試采用?10 mm×15 mm圓柱試樣。分別測靜態及動態CCT曲線，CCT曲線測試工藝如圖2所示。靜態CCT曲線測試流程為：將試樣以20℃/s的速度加熱到1 200℃，保溫3 min后以10℃/s的冷卻速度冷卻到900℃，保溫30 s后分別以 0.5、1、2、5、15 ℃/s的冷卻速度冷卻到室溫，記錄冷卻過程中的熱膨脹曲線。動態CCT曲線測試與靜態測試的區別是：在900℃保溫30 s后，進行變形量為0.4的單道次壓縮變形，其余與靜態測試相同。測試后，進行金相組織觀察，利用膨脹曲線數據結合金相觀察的結果，繪制CCT曲線。

圖1 單道次壓縮實驗工藝示意圖

3 實驗結果及討論

3.1 變形抗力測試結果

圖2 用熱膨脹法測定CCT曲線的實驗方案

為了得到15CrMoR鋼的變形抗力模型，測試了其在不同變形溫度及變形速率下的變形抗力。以變形速率為0.1 s-1和1.0 s-1為例進行簡要分析。在金屬變形的過程中，存在著硬化和軟化兩個過程，表現在應力應變曲線上就是使曲線隨變形程度增加而升高或降低[4]。圖3是變形速率為0.1 s-1和1.0 s-1的測試結果。可以看出當變形速率為0.1 s-1時，隨著變形程度的增加，變形抗力先增加，達到一定變形程度之后則開始下降。這表明在此變形速率條件下，產生了動態再結晶[4]。而在變形速率為1.0 s-1時，隨著變形程度的增加，變形抗力先增加，達到一定變形程度之后則基本保持不變，說明在此變形條件下，實驗鋼處在回復階段。

從以上變形抗力的變化特征可知，隨著變形速率的增加，實驗鋼具有明顯的從動態回復到動態再結晶的過渡過程，為此選擇考慮了動態回復和再結晶的變形抗力模型如下[5]：

式中，T=（t+273)/1 000，t為變形溫度（℃);ε為真變形;u為變形速率（s-1);σ0為基準變形抗力，即t=1 000℃、ε=0.4和u=10 s-1時的變形抗力，15CrMoR 的實驗值為 135.7 MPa;a1～a6為回歸系數。

圖3 單道次不同溫度應力應變曲線

經回歸計算求得各個系數得到15CrMoR鋼的實際變形抗力模型如下：

變形抗力是制定軋制規程的重要依據，在進行工業生產時，可以利用此模型計算各個道次的軋制壓力，為合理分配變形量提供理論依據。

3.2 15CrMoR鋼的連續轉變曲線

圖4 15CrMoR鋼CCT曲線

根據熱膨脹曲線的實驗結果，結合金相組織確定的15CrMoR鋼的靜態及動態CCT曲線如圖4所示。對比兩曲線可以看出，無論是靜態CCT曲線還是動態CCT曲線，其相區均由鐵素體區、珠光體區及貝氏體區組成，只是各個相區的轉變溫度和相區大小略有區別。由于經過了0.4的真變形，動態CCT曲線的轉變溫度升高，而轉變開始時間略有提前，說明變形對相變具有一定的誘導作用[6]。圖5是未變形奧氏體在不同冷卻速率下相變后的金相組織。可以看出當冷卻速度為0.5℃/s時，冷卻速度小，奧氏體的過冷度小，轉變溫度高。根據熱力學原理，各種元素的擴散能力較強，奧氏體具備可以發生的擴散型相變的條件，從圖中可以看出顯微組織主要由鐵素體、珠光體和少量粒狀貝氏體組成。當冷卻速度增大至1℃/s時，珠光體含量減少，粒狀貝氏體含量增多，并且先共析多邊鐵素體在原始奧氏體晶界處長大。當冷卻速度增加到2℃/s時，先共析鐵素體含量降低。當冷卻速度繼續增大為3℃/s時，由于過冷度增大，奧氏體中的碳、鐵等原子的長程擴散能力減弱，變成半擴散、半切變型的中溫轉變產物，即板條貝氏體。隨著冷速的提高，貝氏體板條變細。

從圖6可以看出，與未變形奧氏體相比，經過形變的奧氏體相變之后獲得了較細的微觀組織。由于變形的影響，使得相變過程與靜態相變有較大的區別。奧氏體變形后，晶粒被拉長，單位體積內的奧氏體晶界面積增多。而且，變形使奧氏體內產生了大量的可以作為鐵素體晶內形核點的形變帶。這樣，鐵素體形核點密度增加。此外，奧氏體變形導致了高的位錯密度，提高了奧氏體自由能，使得先共析鐵素體相變驅動力增加。同時，奧氏體變形增強了沿奧氏體內位錯進行的管道擴散。也就是說當奧氏體發生變形后，奧氏體的狀態發生了變化，使其在隨后的冷卻過程中所發生的相變行為及形成的相變組織與奧氏體未變形時在各相的組成比例上有很大的差別。

圖5 冷卻速率對15CrMoR鋼未變形奧氏體相變組織的影響

圖6 冷卻速率對15CrMoR鋼變形奧氏體相變組織的影響

此外，較細的貝氏體組織對于耐熱鋼是較為理想的組織，可以提高其高溫性能[7]。由于鋼材組織結構的遺傳特征，較細的原始組織在經過熱處理后獲得的最終組織也相對較細，因此，形變誘導細化晶粒對提高耐熱鋼的性能是有利的。再有，對于耐熱鋼而言，從滿足高溫性能的角度出發，其晶粒并非越小越好，而是在一定的晶粒度等級時具有較好的耐高溫性能，而且這一最佳的晶粒度等級取決于其服役溫度。同時，影響其高溫使用性能的另外一個因素是晶粒度的均勻程度，晶粒大小越均勻，其高溫性能越好，一般要求其晶粒度的差別不超過3[7]。這些都是在進行耐熱鋼生產時需要注意的問題，對比圖5及圖6可以看出，變形后的奧氏體相變后得到的組織均勻程度也好于未變形奧氏體，即變形也能起到一定的改善耐熱鋼性能的作用。

4 結論

（1)通過單道次壓縮實驗獲得了15CrMoR鋼的變形抗力并回歸出數學模型。在變形速率小于1 s-1時，其應力應變曲線為動態回復及動態再結晶型。隨著變形速率增加，硬化逐漸占主導地位。

（2)在接近工業生產的冷卻速率下，無論是變形還是未變形奧氏體，相變后產物均由鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成;變形加速了15CrMoR鋼的相變過程，使CCT曲線向左上方移動。同時變形使相變后組織細化，細小的貝氏體組織為獲得良好的耐熱性能提供了組織準備。

（3)研究工作為在寬厚板軋機上生產15CrMoR壓力容器鋼提供了理論依據。

[1]潘家禎.壓力容器材料實用手冊——碳鋼及合金鋼[M].北京:化學工業出版社，2000：322-329.

[2]謝良法.壓力容器用15CrMoR鋼板的研制[J].壓力容器，1991（5)：7-17.

[3]郭愛民，陳曉，董漢雄，等.轉爐連鑄型15CrMoR（WHZ1)鋼的研制[J].壓力容器，1998（4)：14-20.

[4]劉全昆.材料成形基本原理[M].2版.北京：機械工業出版社，2010：224-225.

[5]周紀華，管克智.金屬塑性變形阻力[M].北京：機械工業出版社，1989：223-229.

[6]楊忠民，趙燕，王瑞珍，等.形變誘導鐵素體的形成機制[J].金屬學報，2000，36（8)：818-822.

[7]章燕謀.鍋爐與壓力容器用鋼（修訂本)[M].西安:西安交通大學出版社，1997：128-131.

Study on 15CrMoR Steel Deformation Resistance and Continuous Transition

Wu Bo,Qiu Chunlin,Su Zhimin,Du Linxiu

The deformation resistance of vacuum melted medium temperature vessel steel 15CrMoR was measured by single pass compression test on MS hot simulating machine and the deformation resistance model was determined.Dynamic and static CCT curves of 15CrMoR steel were measured and plotted with heat expansion method.Results showed that the deformation resistance presented as dynamic recovery and dynamic recrystallizaion type under the process parameter condition close to industrial production.Under static and dynamic conditions,the structure of 15CrMoR steel at indoors temperature consisted of pearlite,ferrite and partial bainite.Plastic deformation moved CCT curve towards left top.The study provides theoretical basis for the production of 15CrMoR steel on wide heavy plate rolling mill.

deformation resistance,CCT curve,metallograph

（收稿 2011－12－10 編輯 潘娜)

吳波，女，教授級高工，主要從事科研開發與管理工作。