熱處理工藝對12Cr1MoV鋼顯微組織和力學性能的影響

宋文強, 李尚林(上汽通用五菱汽車股份有限公司, 柳州 545007)

熱處理工藝對12Cr1MoV鋼顯微組織和力學性能的影響

宋文強, 李尚林
(上汽通用五菱汽車股份有限公司, 柳州 545007)

通過熱模擬試驗對12Cr1MoV鋼進行了不同工藝的正火+回火熱處理，研究了熱處理工藝對該鋼顯微組織及力學性能的影響。結(jié)果表明：12Cr1MoV鋼正火+回火后的正常顯微組織為回火貝氏體+鐵素體或回火貝氏體+鐵素體+珠光體或鐵素體+珠光體；如果回火溫度過高或正火冷卻速率不足，則分別會導致鋼中出現(xiàn)兩相區(qū)組織黃塊馬氏體和釩的碳化物沿晶界及晶內(nèi)聚集長大的情況，顯著降低鋼的力學性能。

12Cr1MoV鋼；熱處理工藝；顯微組織；力學性能；黃塊馬氏體；碳化物

12Cr1MoV鋼是一種低合金熱強鋼，A1～A3為765～885 ℃，Ms為430 ℃(其中，A1是亞共析鋼奧氏體、鐵素體、滲碳體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的溫度；A3是奧氏體冷卻時向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度；Ms是過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度)。通過鉻、鎳合金元素固溶強化以及釩碳化物的彌散強化，12Cr1MoV鋼擁有良好穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)且具有較好的熱強性、持久塑性、抗氧化性能及焊接性能，大量應用于高壓鍋爐管的過熱器管(管溫<580 ℃)以及集箱管、蒸汽管等(管溫<570 ℃)。

模擬試驗發(fā)現(xiàn)，12Cr1MoV鋼經(jīng)熱處理后的顯微組織呈現(xiàn)多種形態(tài)。然而復雜化、多樣化的顯微組織形態(tài)既不利于熱處理工藝的調(diào)整,也不利于金相檢驗初學者及生產(chǎn)一線工程技術(shù)人員的辨別[1]。為此，筆者通過熱模擬試驗，對12Cr1MoV鋼常見的顯微組織形態(tài)進行介紹，以利于產(chǎn)品熱處理工藝的調(diào)整和相關(guān)檢驗人員能夠快速準確地辨別出12Cr1MoV鋼在金相檢驗中出現(xiàn)的各種顯微組織。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用12Cr1MoV鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)如下:0.11C，0.22Si，0.51Mn，≤0.01P，≤0.01S，0.22Ni，0.98Cr，0.27Mo，0.19V，0.19Cu，≤0.01Al。12Cr1MoV鋼的熱處理工藝一般為正火+回火，為了得到良好的顯微組織形態(tài)，一般采用控制正火冷卻速率的方法，即強制冷卻法。模擬試驗選取同一爐次的樣件進行不同冷卻速率的熱處理。

模擬試驗分6組進行，具體熱處理工藝見表1。其中，1～4組是根據(jù)正火冷卻速率進行分組試驗(冷卻速率逐漸增加)，5～6組是模擬產(chǎn)生異常顯微組織的試驗。

表1 模擬試驗分組及熱處理工藝Tab.1 Simulation test grouping and heat treatment process

受預磨機磨光盤直徑的限制, 金相試樣的磨面面積通常為150～400 mm2。一般情況下, 磨面越大, 試樣高度越低,試樣在磨拋時的穩(wěn)定度越高, 越有利于對試樣的平穩(wěn)控制[2]。為方便握持制樣,選取20 mm×20 mm×20 mm(長×寬×高)的試樣。通過切割、粗磨、細磨、拋光、4%硝酸酒精溶液(體積分數(shù))侵蝕的制樣程序制成待檢測金相試樣。使用ZEISS AIO IMAGER-A1M正置式光學顯微鏡觀察顯微組織。

力學試樣通過鋸切、車圓等機加工工序制成φ10 mm的拉伸試樣和10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，分別在萬能材料試驗機及沖擊試驗機上進行拉伸和沖擊試驗，試驗結(jié)果取3個試樣的平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 力學性能

由表2可見，第1～4組試樣的抗拉強度和屈服強度逐漸升高，斷后伸長率和沖擊吸收能量隨著冷卻速率的變化有所波動，但總體比較良好。第5組和第6組試樣則出現(xiàn)沖擊吸收能量特別低和斷后伸長率稍有下降的情況。

表2 力學性能試驗結(jié)果Tab.2 Mechanical property test results

2.2 顯微組織

2.2.1 常規(guī)顯微組織

圖1是第1組試樣的顯微組織形貌，為鐵素體+珠光體。其中，深黑色的是珠光體，白色塊狀物和淺灰色塊狀物是鐵素體。鐵素體在光學顯微鏡下，因截面不同導致光線的反射程度不同，從而出現(xiàn)顏色不一樣的情況。

圖1 鐵素體和珠光體形貌Fig.1 Morphology of ferrite and pearlite

圖2是第2組試樣的顯微組織形貌，為鐵素體+珠光體+回火貝氏體。圖2中左邊灰色塊狀物是回火貝氏體，右邊深黑色塊狀物為珠光體，白色塊狀物為鐵素體。12Cr1MoV鋼因為正火冷卻速率不一樣，一般容易形成鐵素體+珠光體或者鐵素體+珠光體+回火貝氏體組織。

圖2 鐵素體+珠光體+回火貝氏體形貌Fig.2 Morphology of ferrite, pearlite and tempered bainite

圖3是第3組試樣的顯微組織形貌，為回火貝氏體+鐵素體。圖3中白色塊狀物為鐵素體，其余為回火貝氏體。

圖3 回火貝氏體+鐵素體形貌Fig.3 Morphology of tempered bainite and ferrite

圖4是第4組試樣的顯微組織形貌，為回火貝氏體。

圖4 回火貝氏體形貌Fig.4 Morphology of tempered bainite

前蘇聯(lián)有關(guān)研究院所及工廠對12Cr1MoVG鋼管進行過大量試驗研究工作，按貝氏體和珠光體的含量將成品管的顯微組織分為9級：1～5級為驗收的合格組織，6～9級為拒收的不合格組織。1級顯微組織中要求有30%～100%(體積分數(shù)，下同)的回火貝氏體，其余為珠光體+鐵素體；2～3級顯微組織中要求有20%～30%的回火貝氏體，其余為珠光體+鐵素體；4～5級顯微組織中要求有15%～20%的回火貝氏體，其余為珠光體+鐵素體[3]。因此，圖3所示的顯微組織形貌是大多數(shù)鋼管生產(chǎn)廠家對12Cr1MoV鋼要求的最優(yōu)良的顯微組織形態(tài)，故強制冷卻速率的控制方式是獲得優(yōu)良顯微組織形態(tài)的關(guān)鍵。

2.2.2 黃塊馬氏體

圖5 黃塊馬氏體形貌,100×Fig.5 Morphology of yellow martensite, 100×

在第5組試樣的顯微組織中出現(xiàn)了黃塊馬氏體，如圖5所示。其中，深黑色塊狀物為珠光體，白色塊狀物為鐵素體，黃色塊狀物為黃塊馬氏體，在部分黃色塊狀物上可以看到隱針狀馬氏體特征。黃塊馬氏體是馬氏體、殘余奧氏體和貝氏體的混合物，在光學顯微鏡下呈黃色或者淡黃色，故被稱為黃塊馬氏體。

如圖6所示，從放大500倍形貌上看黃塊馬氏體一般呈整塊狀，有銳角，而粒狀貝氏體是顆粒狀或聚集形成的島狀形態(tài)。黃塊馬氏體屬于兩相區(qū)出現(xiàn)的非正常組織，出現(xiàn)該組織的原因主要是該組試樣的回火溫度過高。

圖6 黃塊馬氏體形貌,500×Fig.6 Morphology of yellow martensite, 500×

12Cr1MoV鋼中存在黃塊馬氏體的情況在20世紀70年代比較突出，當時對黃塊馬氏體產(chǎn)生的原因及其對材料性能的影響進行過較多的試驗研究工作。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)凡是存在黃塊馬氏體的材料，其室溫強度一般均較高，而沖擊吸收能量和持久強度則較低。12Cr1MoV鋼中的黃塊馬氏體基本上有兩種形態(tài)：一種是在黃塊中有較為清晰的針狀物，而且往往為與粗針狀貝氏體浮生的針狀馬氏體；另外一種則是黃塊中無明顯針狀物，而且往往是單獨存在的馬氏體。黃塊馬氏體的顯微硬度很高，一般可達500～600 HV。統(tǒng)計結(jié)果表明，黃塊馬氏體對12Cr1MoV鋼室溫強度和沖擊韌度的影響程度與其顯微組織中的馬氏體含量有關(guān)。黃塊馬氏體對12Cr1MoV鋼的高溫持久強度影響特別明顯，從580 ℃×10 h的持久強度來看，有黃塊馬氏體12Cr1MoV鋼的持久強度比正常組織的低約50 MPa[3]。

2.2.3 釩的碳化物聚集析出

在光學顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，第6組熱處理試樣的顯微組織中出現(xiàn)了釩的碳化物沿晶界聚集析出和在鐵素體及珠光體晶粒內(nèi)聚集析出的現(xiàn)象。如圖7所示，釩的碳化物沿晶界連續(xù)聚集析出，晶界呈現(xiàn)類似虛線特征，破壞了晶界連續(xù)性，從而導致沖擊試驗測得的沖擊吸收能量特別低，斷口是表面呈現(xiàn)人字條紋狀的沿晶脆性斷口。脆性斷裂包括穿晶脆性斷裂和沿晶脆性斷裂，一般指金屬材料或機械構(gòu)件斷裂時在最終分離前不發(fā)生或發(fā)生較小的宏觀塑性變形的斷裂[4]。另外釩的碳化物沿晶界聚集析出，則釩無法通過彌散析出相起到強化組織的作用，因而鋼的強度也會有所降低。

圖7 碳化物沿晶界聚集析出Fig.7 Carbide preciptating accumulatively along the grain boundary

如圖8所示，在第6組試樣中還發(fā)現(xiàn)釩的碳化物在鐵素體及珠光體晶粒內(nèi)聚集析出的情況, 該組織類似于輕微的珠光體球化特征。碳化物的聚集長大析出讓釩失去了彌散強化的作用，降低了鋼的強度和韌性。沖擊性能測試結(jié)果也驗證了顯微組織分析的正確性。在微合金化元素中，釩具有最高的溶解度，是微合金化鋼最常用、也是最有效的強化元素之一。釩的作用是通過形成碳氮化物V(C，N)影響鋼的組織和性能，有研究表明V(C，N)顆粒大部分是在先共析鐵素體內(nèi)彌散析出，在珠光體內(nèi)的鐵素體區(qū)也有析出，因此析出相的沉淀強化作用可同時強化鐵素體和珠光體[5]。此外，在晶界也會有V(C，N)顆粒析出，通過釘扎晶界，阻止晶粒長大，從而細化晶粒，使鋼的強度顯著提高，鋼中加釩后，強度可以增加150～300 MPa[6]。對于大口徑厚壁鋼管，正火冷卻速率容易受壁厚影響，而該組織是由于正火冷卻速率不足產(chǎn)生的。因此，l2Cr1MoV鋼正火熱處理時采用強制冷卻方法可以避免產(chǎn)生類似不良顯微組織。

圖8 碳化物晶內(nèi)聚集析出Fig.8 Carbide precipitating accumulatively in the grain

3 結(jié)論

(1) 12Cr1MoV鋼正火+回火的正常顯微組織為回火貝氏體+鐵素體，或回火貝氏體+鐵素體+珠光體，或鐵素體+珠光體。

(2) 兩相區(qū)的異常組織黃塊馬氏體的存在對12Cr1MoV鋼的室溫強度和沖擊韌度非常不利，在生產(chǎn)中回火溫度不能過高，以避免出現(xiàn)該組織。

(3) 如果正火冷卻速率不足，就會引起釩的碳化物聚集長大，這對12Cr1MoV鋼的性能會產(chǎn)生不利影響，特別是沿晶界聚集長大析出嚴重時會使材料嚴重脆化，釩的碳化物在鐵素體塊上的聚集長大析出也會影響鋼的強度和韌性。

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Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of 12Cr1MoV Steel

SONG Wen-qiang, LI Shang-lin
(Saic GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China)

The effect of heat treatment process on the microstructure and mechanical properties of 12Cr1MoV steel was studied by heat treatment simulation test with different normalizing and tempering process. The results show that the normal microstructure of 12Cr1MoV steel after normalizing and tempering was bainite and ferrite, or bainite, ferrite and pearlite, or ferrite and pearlite. If the tempering temperature was too high or the normalizing cooling rate was too low, it would generate yellow martensite in two-phase region or carbide containing vanadium precipitating accumulatively along the grain boundary and in the grain respectively, which would significantly reduce the mechanical properties of the steel.

12Cr1MoV steel; heat treatment process; microstructure; mechanical proporty; yellow martensite; carbide

2016-04-11

宋文強(1985-)，男，工程師，本科，從事零部件試驗、理化檢驗工件，Wenqiang.Song@sgmw.com.cn。

10.11973/lhjy-wl201702005

TG142

A

1001-4012(2017)02-0097-04