杜瑜宾1,2,胡小锋1,,姜海昌1,闫德胜1,戎利建1

1 中国科学院金属研究所中国科学院核用材料与安全评价重点实验室 沈阳 110016
2 中国科学技术大学材料科学与工程学院 沈阳 110016

摘要

关键词：Fe-Cr-Ni-Mo;高强钢;回火时间;碳化物;强度;低温冲击韧性

高强钢的抗拉强度可达2000 MPa以上,但强度的不断提高对高强钢的塑韧性损害较大[1]。为了满足工业发展需求,尤其是对低温冲击韧性要求较高的领域,开发强韧性匹配良好的高强钢是近年来的发展方向之一[2]。改善高强钢强韧性匹配的常用技术手段包括优化合金成分、调整加工工艺和热处理工艺等,以获得不同的基体组织和析出相,尤其是析出相的类型、尺寸、分布等[3~5]。作为高强钢的一种,Fe-Cr-Mo系合金钢由于其包含一定的合金元素以及少量的微合金化元素,与传统C-Mn钢相比,该合金钢具有较高的强度、良好的韧性、一定的焊接性和较低的成本[6,7]等优点,常用来制造大型水电站水轮机组的部件、压力容器以及船用部件等[8~10]。为了获得良好的强韧性匹配,Fe-Cr-Mo合金钢常用的热处理工艺为调质处理[11],其中回火过程析出的碳化物是决定其强韧性的关键因素。近年来,针对Fe-Cr-Mo合金钢回火工艺的影响展开了广泛研究,其中对回火温度的研究相对较多[4,12~15]。与回火温度相比,回火时间对合金钢碳化物的析出行为研究相对较少,例如Vyrostková等[16]研究了回火时间对0.1C-0.9Cr-V钢中碳化物演变的影响,发现在580 ℃经100 h回火后,碳化物的类型主要为M3C、M7C3和MC,延长回火时间到5000 h后,碳化物的类型未发生变化,但M3C和M7C3型碳化物中Fe/Cr的比值呈现下降趋势;Thomson和Miller[17]研究发现,2.25Cr-1Mo-0.15C钢在350 ℃回火5 min后,形成Mo2C,延长回火时间到40 h后,除了Mo2C外还形成了M3C型碳化物,但由于回火温度较低,Cr、Mo、Mn元素未发生扩散。综上可知,对回火时间的研究主要集中在1 h之后的长时间回火(最长1000 h以上),而对较高温度回火初期(比如20 min)碳化物的析出行为及其对后续碳化物的转变和合金钢的强韧性关注较少。

Wen等[18]研制了一种含V的Fe-Cr-Ni-Mo合金钢,通过控制V元素的添加量(0.03%~0.10%,质量分数),可使该合金钢具有良好的强韧性匹配,其抗拉强度不低于1100 MPa,低温(-50 ℃)冲击功可达70 J以上。本课题组前期工作[11]表明,在较低温度(如400 ℃)回火时,先析出较粗大的M3C型碳化物(尺寸约为1 μm),随着回火温度的升高,逐渐转变为尺寸细小的M2C和MC型碳化物(尺寸小于100 nm),这种细小弥散分布的碳化物起到了良好的二次硬化效果,使得Fe-Cr-Ni-Mo合金钢的强度在较宽回火温度范围内(450~600 ℃)基本不变,而冲击功和延伸率呈现升高的趋势,从而可以获得良好的强韧性匹配。本工作选用不同V含量的Fe-Cr-Ni-Mo合金钢,通过改变回火时间(10、20、40 和120 min),重点研究短时间(如20 min)回火时合金钢中碳化物的形貌,通过与回火120 min后碳化物的形貌进行对比分析,系统研究了回火时间对Fe-Cr-Ni-Mo合金钢中碳化物的析出行为及其对合金钢强韧性的影响机制。

1 实验方法

选用3种不同V含量(0、0.08%、0.14%,质量分数)的Fe-Cr-Ni-Mo合金钢,依据V含量的不同分别标记为0V、008V和014V,具体化学成分如表1所示。采用真空感应炉熔炼,浇铸为25 kg的铸锭。铸锭先经过热锻,然后热轧为12 mm厚的板材。

图7008V钢淬火态与610 ℃回火20 min后的-50 ℃冲击和室温拉伸断口形貌的SEM像

Fig.7SEM fractographs of 008V steel quenched at 860 ℃ (a, c) and then tempered at 610 ℃ for 20 min (b, d) after Charpy impact test at -50 ℃ (a, b) and tensile test at room temperature (c, d)

4 结论

(1) 不含V的0V钢淬火时发生自回火,在晶界处会析出数量不多的M7C3型碳化物,而添加V后,V降低了C在铁素体中的扩散能力,使淬火态008V和014V合金钢中没有碳化物析出;由于0V钢中析出了碳化物,对合金钢起到了沉淀强化效果,使得淬火态0V合金钢的强度高于含V合金钢,但塑韧性较低。

(2) 短时间(20 min)回火后,0V钢中析出了M3C型碳化物,该碳化物沿着晶界析出,且尺寸较粗大(150~300 nm),而008V和014V钢中除了在晶界处析出M3C外,还析出M2C (以及少量的M7C3),该碳化物以晶内析出为主且尺寸较小(20~80 nm)。随着回火时间的延长(120 min),0V钢中的M3C以晶格重组的形式逐渐转变成了M23C6,而含V合金钢中的M3C将发生溶解,其中在008V钢中将逐渐析出数量更多的M6C和M2C,而014V钢中碳化物将全部转变成MC。

(3) 随着回火时间的延长,0V钢因析出的碳化物尺寸均较大,其强度呈现持续下降的趋势;而008V和014V钢因析出了尺寸更加细小的M2C和MC等合金碳化物,起到了较强的沉淀强化效果,因此合金钢的强度基本不变。V在提高合金钢回火稳定性的同时,还细化了原始奥氏体晶粒,使合金钢的延伸率和冲击功仍保持较高水平。

来源--金属学报