2.25Cr-1Mo鋼-30℃沖擊功離散性分析

鄭建能

(中國第二重型機械集團有限公司國家能源極端裝備虛擬制造重點實驗室，四川618013)

2.25Cr-1Mo鋼屬低合金熱強鋼，具有較高的抗蠕變、抗氫蝕能力，同時具有合適的強韌性匹配，在石油、化工、電站鍋爐和原子能等領域得到廣泛應用[1]。2.25Cr-1Mo鋼使用時的組織為貝氏體回火組織或貝氏體+先共析鐵素體回火組織，屬鐵素體型鋼，具有明顯的低溫脆性[2]。大型石化容器用2.25Cr-1Mo鋼筒體、封頭要求在-30℃進行低溫沖擊試驗，由于-30℃正處于2.25Cr-1Mo鋼的韌脆轉變曲線上下平臺之間的過渡區，經常出現沖擊功離散性較大的現象，導致沖擊功平均值合格而單個最小值不能滿足要求。

本文通過化學分析、金相顯微鏡、掃描電鏡對2.25Cr-1Mo鋼鍛件出現-30℃沖擊功離散性較大的試樣進行分析，從顯微組織角度探求2.25Cr-1Mo鋼-30℃沖擊功離散的原因。

1 試驗材料及試驗方法

試驗材料取自經正火+回火處理后的2.25Cr-1Mo筒體，相對180°切取試料A和試料B。對試料A和試料B下料后的坯料進行模擬焊后熱處理，小模擬(SPWHT min)采用690℃保溫8 h，大模擬(SPWHT max)采用690℃保溫32 h。試驗鋼化學成分見表1。試樣經模擬焊后熱處理后進行-30℃沖擊試驗，試驗結果見表2。

從表2可以看出，-30℃沖擊功表現出兩高一低或一高兩低的現象，沖擊功離散性較大。通過金相顯微鏡(LOM)觀察，各試樣A、B、C、D及DS夾雜物粗系、細系均小于1.5級，組織為100%貝氏體回火組織，晶粒度大于5級。試料A和試料B切取的拉伸試樣經小模擬和大模擬后屈服強度、抗拉強度、延伸率和面縮率均滿足要求。

2 試驗結果及分析

2.1 掃描電鏡(SEM)斷口分析

圖1是1#～4#試樣的SEM斷口形貌。經觀察，1#、4#試樣整個斷口幾乎沒有纖維區或塑性頸縮區，斷口的放射區很大，為典型的脆性斷裂。斷裂機制主要為解理斷裂，存在大量的解理扇或河流花樣，還存在較多的撕裂棱和一些二次裂紋，還能看出存在沿晶斷裂的特征。2#、3#試樣斷口有明顯的纖維區和剪切唇，為典型的塑韌性斷裂。

表1 2.25Cr-1Mo鋼化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo steel (Mass, %)

表2 不同試樣的沖擊試驗結果Table 2 Impact test results of different samples

圖2是2#試樣開始斷裂和最后斷裂的形貌。開始斷裂時的斷口為纖維狀斷口，有大量的細小韌窩，最后斷裂區為典型的脆性解理斷裂，纖維面積越大沖擊功越高。

(a)1#試樣(b)2#試樣(c)3#試樣(d)4#試樣

圖1 試樣斷口的SEM形貌Figure 1 SEM morphology of sample fracture

圖2 2#試樣斷口的SEM形貌Figure 2 SEM morphology of 2# sample fracture

圖3 試樣SEM組織分析及能譜分析
Figure 3 SEM structure analysis and energy spectrum analysis of sample

2.2 掃描電鏡(SEM)組織分析和能譜分析

圖3是1#、2#、5#試樣的組織和能譜分析。通過掃描(SEM)圖片可以看出，各試樣析出的第二相顆粒細小、均勻，晶界上也有碳化物析出，呈不連續分布。從能譜成分分析看，個別部位C、S、Cr和Mo含量較高，這是由于分析位置靠近析出的碳化物或硫化物。除2#試樣外，1#、5#試樣中的Mo元素表現出很大的不均勻性，特別是含硫較高的區域對應的Mo含量較低。

3 分析及討論

3.1 影響2.25Cr-1Mo低溫韌性的因素

材料低溫脆性的產生與屈服強度Re、斷裂強度σc隨溫度的變化有關。由于熱激活對裂紋擴展的力學條件作用不明顯，斷裂強度σc隨溫度的變化很小。具有面心立方結構的材料，屈服強度Re隨溫度的下降變化不大，近似為水平線，即使在很低的溫度仍未與σc曲線相交，材料斷裂時先發生屈服，之后發生斷裂，宏觀表現為韌性斷裂。具有體心立方的材料，位錯在晶體中運動的阻力σi隨著溫度的降低而增大，σi的增大導致Re隨之增加。當Re大于斷裂強度σc時，材料在屈服前發生斷裂，宏觀表現為脆性斷裂。

2.25Cr-1Mo屬鐵素體型鋼，體心立方結構，具有明顯的低溫脆性，影響2.25Cr-1Mo低溫脆性的因素主要包括：

(1)化學成分。C、Mn、Cr、Mo等主要元素影響筒體熱處理后的組織，P、S、As、Sn、Sb等雜質元素會偏聚于晶界，降低晶界表面能，產生沿晶脆性斷裂。

(2)晶粒尺寸。細化晶粒能夠同時提高材料的強度和韌性。細化晶粒提高韌性的原因包括：晶界是裂紋擴展的阻力，晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。

(3)顯微組織。強度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。

(4)第二相。鋼中碳化物及夾雜物等第二相對鋼的脆性的影響程度取決于第二相質點的大小、形狀、分布、第二相性質及與基體的結合力等因素。

3.2 討論

鋼中殘雜質元素的晶界偏聚、大顆粒夾雜物以及大顆粒析出相是引起低溫脆性的重要因素[3]。沖擊試樣臨近位置的室溫和高溫屈服強度、抗拉強度、延伸率和面縮率相近且滿足設計要求，表明鋼中C、Mn、Cr、Mo主要元素設計合理，也間接表明P、As、Sn、Sb等殘余雜質元素的晶界偏聚尚沒有影響常溫塑性。金相組織檢查表明，各試樣熱處理后組織均為100%貝氏體回火組織，沒有發現大顆粒夾雜物和大顆粒析出相。從1#、2#、5#試樣的化學成分、非金屬夾雜物和析出相對比分析來看，極低的殘余雜質元素和非金屬夾雜物含量、彌散析出的第二相保證了材料的室溫、高溫強度和塑性。

材料性能宏觀的離散性反映了材料的組織均勻性不夠。從能譜分析可以看出，試樣各位置Mo元素表現出很大的不均勻性，特別是含硫較高區域對應的Mo含量較低。這可能是由于鋼錠澆注溫度過高、凝固過慢，柱狀晶發達加重凝固過程的枝晶偏析造成的。鋼錠在澆注過程中，高熔點組元Mo先凝固成枝晶主干部分，后凝固的分枝及枝間部分富含如硫化物之類的低熔點組元，能譜分析反映的合金分布具有枝晶偏析的特征。Mo含量不均勻，一方面加重了材料的不均勻性，使晶內部分區域韌性不夠，類似于材料內部出現大尺寸的缺陷，當這樣的區域位于沖擊試樣缺口附近時，成為斷裂時的裂紋源，另一方面Mo含量低的區域弱化了阻止殘余雜質元素晶界偏聚。

采用熱處理的方法改善晶內偏析、均勻組織是改善低溫沖擊功離散的重要措施。對于枝晶偏析不嚴重的鍛件，可以通過正回火細化晶粒，提高-30℃韌性；對于枝晶偏析嚴重的鍛件，通過高溫擴散退火+正回火處理均勻組織，保證-30℃沖擊功的均勻性。根據1#、4#試樣斷口分析，解理斷裂是試樣主要的斷裂形式，當Re大于斷裂強度σc時，斷裂形式表現為解理斷裂。材料低溫跪性的產生與屈服強度和斷裂強度σc隨溫度的變化有關，由于熱激活對裂紋擴展的力學條件作用不明顯，斷裂強度σc隨溫度的變化很小。具有面心立方結構的材料，Re隨溫度的下降變化不大，近似為水平線，即使在很低的溫度仍未與σc曲線相交，材料斷裂時先發生屈服，之后發生斷裂，宏觀表現為韌性斷裂。對于具有體心立方結構的材料，位錯在晶體中運動的阻力σi隨著溫度的降低而增大，σi的增大導致Re隨之增加，當Re大于斷裂強度σc時，材料在屈服前發生斷裂，宏觀表現為脆性斷裂，見圖4。由于Re隨試驗溫度的降低而增大，通過降低材料常溫時的屈服強度是避免低溫脆性斷裂的有效措施，這也能從另外的角度說明，對于2.25Cr-1Mo，-30℃沖擊功不僅僅是韌性指標，還是1個重要的強度指標。由于Re、Rm隨溫度變化規律接近而Rm具有范圍要求，通過調整回火參數將Rm按照下限控制是提高-30℃沖擊功、降低沖擊功離散性的有效方法。

圖4 體心立方結構的材料Re和σc隨溫度變化示意圖Figure 4 Diagram of temperature with changes of Re, and σc for the body-centered-cubic structure of steel

4 結論

(1)鋼錠澆注溫度過高、凝固冷卻過慢造成的枝晶偏析是造成2.25Cr-1Mo鋼-30℃沖擊功離散的主要原因。

(2)對于枝晶偏析不嚴重的鍛件，可以通過正回火細化晶粒，提高-30℃韌性、改善沖擊功的離散。對于枝晶偏析嚴重的鍛件，通過高溫擴散退火+正回火處理均勻組織，保證-30℃沖擊功的均勻性。

(3)通過調整回火參數將抗拉強度按照下限控制是提高-30℃沖擊功、降低沖擊功離散性的有效方法。

[1] 劉正東，楊鋼，程世長，等. 2.25Cr-1Mo鋼回火過程中碳化物析出順序的研究[J]. 金屬熱處理鍋爐制造，2005(4)：32-34.

[2] 張文輝，張國利，呂玉衡，等. 加氫反應器用2.25Cr-1Mo 鋼鍛件的熱處理[J]. 大型鑄鍛件，1996(4)：11-15.

[3] 劉正東，張光中，吳光大，等. 合金碳化物與21/4Cr-1Mo鋼的韌化機制[J]. 鋼鐵，1998(2)：50-53.

[4] 崔忠折. 金屬學與熱處理(第1版)[M]. 北京：機械工業出版社，1988：195-196.