楚覺非 ，雷曉榮 ，，何烈云 ，王青峰

（1.南京鋼鐵股份有限公司技術質量部，南京 21003 5；2.燕山大學材料科學與工程學院，河北秦皇島 066004）

5NiCrMo低溫鋼調質熱處理工藝研究

楚覺非1，雷曉榮1，2，何烈云1，王青峰2

（1.南京鋼鐵股份有限公司技術質量部，南京 21003 5；2.燕山大學材料科學與工程學院，河北秦皇島 066004）

研究了5NiCrMo低溫鋼的調質熱處理工藝，分析了回火溫度對該鋼組織和力學性能的影響。結果表明：試驗鋼經調質熱處理后，形成了回火馬氏體和逆轉變奧氏體的混合組織。560～640℃回火時，隨溫度提高，屈服強度呈降低趨勢，-100℃沖擊功先升高、在620℃回火時達到峰值后降低。深冷后保留的逆轉變奧氏體顯著影響試驗鋼的低溫韌性。拉伸和沖擊性能均滿足要求的回火溫度是580～620℃。

低溫鋼；調質熱處理；顯微組織；力學性能；逆轉變奧氏體

1 引言

近年來，隨著石油化工裝備向大型化的方向發(fā)展，對高強度低溫鋼有迫切而明確的需求。大型低溫儲罐因儲存量大、節(jié)省投資，在國際上已經廣泛應用[1-3]。新一代 Ni低溫鋼作為大型液化石油氣船（LPG）液貨艙和液化乙烯儲罐的主要結構材料，要求屈服強度達到ReL≥590MPa級、抗拉強度（Rm）達到680～840MPa，-100℃沖擊功不低于80J[4-5]。在傳統(tǒng)390MPa級5Ni鋼Fe-Mn-Ni合金系的基礎上，添加適量的Cr、Mo等合金元素，可以使強度提高到590MPa級[6-7]，但如何使5NiCrMo鋼獲得良好的低溫韌性，需要探索合適的熱處理工藝。

5Ni低溫鋼常用的熱處理工藝為淬火+回火的調質處理。其中，淬火溫度可能影響晶粒度的大小，回火溫度可能影響逆轉變奧氏體的析出量及穩(wěn)定性，因此，強度與韌性的匹配可能受不同淬火+回火溫度的影響[8-10]。早期工作已發(fā)現(xiàn)逆轉變奧氏體對低溫鋼具有顯著的韌化作用。研究表明：9Ni鋼經過Q T處理形成一定數(shù)量的逆轉變奧氏體，是該鋼具有優(yōu)異低溫韌性的主要因素[11-13]。Kim和Schwartz[14]認為，9Ni鋼較高的低溫韌性是由于逆轉變奧氏體在裂紋尖端處發(fā)生了相變誘發(fā)塑性（TRIP）。Kim和 Morris[15]認為，F(xiàn)e-5.5Ni合金中的逆轉變奧氏體具有凈化效應，從而有利于低溫韌性。

本文研究了新一代590MPa級5 NiCrMo低溫鋼的調質熱處理工藝，分析了回火溫度對組織和力學性能的影響，確定了試驗鋼獲得良好強韌性匹配的回火溫度范圍，探討了該鋼的低溫韌化機理。

2 試驗材料和試驗方法

試驗鋼為16mm厚的5NiCrMo鋼板，采用50kg真空感應爐冶煉、氬氣保護鑄錠、加熱開坯和TMCP軋制的工藝制備。試驗鋼的化學成分如表1所示。

表1 5NiCrMo鋼的化學成分 /wt%

采用熱膨脹法測得試驗鋼的臨界點Ac1為645℃、Ac3為775℃。調質熱處理試驗的具體方案如下：淬火工藝為經850℃保溫45min后水冷，回火工藝為經560～640℃保溫60min后空冷。

熱處理后，沿樣坯軋向切取Φ10mm×150mm的標準拉伸試樣，按照GB/T229—2007標準，以3mm/min的恒定夾頭移動速率在MTSNEW810型拉伸試驗機上進行室溫拉伸，測試了試驗鋼的常溫拉伸性能。垂直于軋向切取10mm×10mm×55mm的標準沖擊試樣，按照GB/T13239—2006標準，在NCS系列500J儀器化擺錘式沖擊試驗機上進行-100℃的沖擊試驗，測試了試驗鋼的低溫沖擊性能。

分別從Q、QT熱處理樣坯上切割金相樣品，經磨制、機械拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Axiover-200MAT型金相顯微鏡下觀察了各熱處理狀態(tài)的顯微組織。在JOEL-2010型透射電子顯微鏡（TEM）下觀察了各熱處理狀態(tài)的微結構。進一步采用D-max-2500型X射線衍射儀對不同熱處理樣品在室溫、-100℃深冷和-100℃沖擊后等3種狀態(tài)下逆轉變奧氏體的含量進行了測定。

3 試驗結果

3.1 力學性能

試驗鋼按8 50℃淬火5 60～6 40℃回火工藝進行調質熱處理后，室溫拉伸性能和-100℃沖擊性能的測試結果如圖1所示。

圖1 5NiCrMo鋼在不同回火溫度下的拉伸性能

在5 60～6 20℃的溫度范圍內，隨回火溫度的升高，屈服強度（ReL）和抗拉強度（Rm）呈降低的趨勢；而-100℃沖擊功呈上升趨勢。當回火溫度進一步提高到640℃時，屈服強度和沖擊功急劇下降，抗拉強度顯著升高，已超出上限值。綜合以上性能測試結果，調質處理5NiCrMo鋼在580～620℃的回火溫度范圍內，常溫拉伸性能和-100℃沖擊性能均可滿足要求。

3.2 顯微組織

采用光學顯微鏡和TEM觀察了試驗鋼的回火組織。試驗鋼調質處理后主要形成回火馬氏體組織。隨著回火溫度的升高，回火馬氏體組織逐漸粗化。當回火溫度低于600℃時，馬氏體板條特征比較明顯。當回火溫度升高到620℃時，馬氏體板條合并形成塊狀結構（見圖2（a））。當回火溫度為6 40℃時，出現(xiàn)出現(xiàn)了一些粗大的塊狀鐵素體，推測因回火溫度已接近試驗鋼下臨界點，回火時局部進入兩相區(qū)。

TEM觀察表明，試驗鋼580℃回火后，馬氏體的板條特征仍較明顯，多數(shù)板條內含有少量的位錯，板條邊界上有少量顆粒狀析出物。經620℃回火后，板條馬氏體特征已基本消失，并形成短棒狀和條狀的析出物，且大部分分布在晶界上（見圖2（b））。經衍射花樣標定，條狀或短棒狀的析出物為逆轉奧氏體（見圖 2（c））。

3.3 逆轉變奧氏體的含量

圖2 5NiCrMo鋼620℃回火樣品的組織觀察

采用X-射線衍射儀對各調質處理樣品在室溫、-100℃深冷和-100℃沖擊后3種狀態(tài)下逆轉變奧氏體（RA）的數(shù)量進行了測試，結果如圖3所示。試驗鋼經560～580℃回火后形成少量逆轉變奧氏體，高于580℃回火時，逆轉變奧氏體的數(shù)量隨回火溫度的升高先增加，在620℃達到最大值，然后急劇減少。-100℃深冷處理后，各回火樣品中逆轉變奧氏體的數(shù)量均有所降低，特別是高于600℃回火時，逆轉變奧氏體經深冷后數(shù)量急劇降低。據(jù)推測，QT處理后逆轉變奧氏體的形成是由于鋼中存在的成分起伏引起的。受點陣缺陷原子擴散和溶質原子擴散的影響，其成分起伏的程度比較小，因此逆轉變奧氏體合金元素富集很少，穩(wěn)定性較差，在深冷過程中大部分轉變?yōu)轳R氏體。與較低的回火溫度相比，640℃回火時形成的逆轉變奧氏體穩(wěn)定性更低，經深冷后，絕大部分轉變成馬氏體。620℃回火樣品經-100℃深冷后，逆轉變奧氏體的含量最高，再經-100℃沖擊時，剩余逆轉變奧氏體發(fā)生應變誘發(fā)馬氏體轉變，使沖擊樣品中逆轉變奧氏體的數(shù)量進一步降低，但仍有一定數(shù)量的逆轉變奧氏體保留下來，可見在該回火溫度下試驗鋼中逆轉變奧氏體的穩(wěn)定性很高。

4 分析與討論

從上述組織觀察和性能測試結果可以看出，逆轉變奧氏體對5NiCrMo鋼具有顯著的低溫韌化作用。下面對該作用的機理進行分析。

當淬火馬氏體在較低的溫度下回火時，一般在馬氏體板條邊界附近先析出滲碳體。一般認為，滲碳體為脆性相，因此對鋼的低溫韌性不利。本試驗鋼淬火馬氏體在較低的溫度下回火時或在較高溫度下回火的初期，一般也首先析出滲碳體，低溫沖擊功因此相對較低。但隨著回火溫度的升高，形成逆轉變奧氏體時，滲碳體作為形核核心會逐漸被吸收，從而有利于低溫韌性的提高，這被稱為逆轉變奧氏體的凈化效應。

620℃回火樣品在-100℃深冷和-100℃沖擊后兩種狀態(tài)下逆轉變奧氏體的含量分別為4.09%和1.72%，如圖3所示。沖擊后樣品測試的區(qū)域為沖擊產生的塑性變形區(qū)，即在該區(qū)域經深冷后保留的逆轉變奧氏體已大部分轉變?yōu)轳R氏體。在-100℃沖擊過程中，裂紋尖端塑性變形區(qū)的逆轉變奧氏體發(fā)生應變誘發(fā)相變，降低了裂紋尖端的應力集中，使裂紋擴展受阻；如裂紋要進一步擴展，則需要更多的能量，因此沖擊功進一步提高。此外，逆轉變奧氏體發(fā)生馬氏體轉變時，產生的相關應變會使局部應力釋放，從而進一步促進韌性斷裂。上述現(xiàn)象被稱為逆轉變奧氏體的TRIP效應。

圖3 5NiCrMo鋼在室溫、-100℃深冷和-100℃沖擊后的逆轉變奧氏體含量

因此，5NiCrMo鋼中的逆轉變奧氏體因凈化效應和TRIP效應而產生了顯著的低溫韌化作用。

5 結論

（1）5NiCrMo鋼經調質處理后形成回火馬氏體和逆轉變奧氏體的混合組織。

（2）調質處理5NiCrMo鋼滿足常溫拉伸性能和-100℃低溫沖擊性能要求的回火溫度是5 80～6 20℃。

（3）逆轉變奧氏體因凈化效應和TRIP效應對調質處理5 NiCrMo鋼具有顯著的低溫韌化作用。

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Study on Heat Treatment Process of Quenching and Tempering for 5NiCrMo Low Temperature Steel

CHU Jue-fei1,LEI Xiao-rong1,2,HE Lie-yun1and WANG Qing-feng2

(1.Technology and Quality Department,Nanjing Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210035,China;2.Material Science and Engineering Institute,Yanshan University,Qinhuangdao,Heibei Province066004,China)

The authors study the heat treatment process of quenching and tempering for 5NiCrMo low temperature steel and analyze the influence of tempering temperature on the steel structure and mechanical properties.Results show,after quenching and tempering treatment,a complex forms with tempered martensite as base and certain amount of reverted austenite in the tested steel.When the steel is tempered at 560-640℃,with the rise of the temperature,yield strength drops and-100℃ impact energy goes up at first and then down after hitting the peak value at 620℃.The retained reverted austenite after deep cooling prominently influences the low temperature toughness of the tested steel.The range of tempering temperature is 580-620℃in which both the tensile and impact properties can be met.

low temperature steel;quenching and tempering treatment;microstructure;mechanical property;reverted austenite

2013-01-10

2013-02-05

國家863項目（2007AA03Z506）

楚覺非（1965—），男，湖南人，高級工程師，主要從事先進鋼鐵材料方面的研究工作。

王青峰（1966—），男，湖北人，博士研究生，教授，博士生導師，E-mail：wqf67@ysu.edu.cn。

（編輯 潘娜）