楊 訊，張 冰

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

1 引言

12Cr1MoVG是合金管的一種材質(zhì)，是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入一種或數(shù)種合金元素，用來提高鋼的力學(xué)性能，主要用途是制作高壓鍋爐管產(chǎn)品，通常以正火加回火狀態(tài)交貨。標(biāo)準(zhǔn)對于成品無縫管的顯微組織規(guī)定金相組織應(yīng)為鐵素體加珠光體（包括粒狀貝氏體），不得存在如黃塊馬氏體等的兩相區(qū)不完全轉(zhuǎn)變產(chǎn)物[1]。12Cr1MoVG高壓鍋爐管產(chǎn)生黃塊馬氏體的主要原因是熱處理不當(dāng)，正火溫度不足或回火超溫，這種組織在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)黃色，產(chǎn)生的黃塊馬氏體混合組織使鋼的室溫強(qiáng)度提高，從而使其持久強(qiáng)度降低，尤其是回火超溫出現(xiàn)的混合組織對持久強(qiáng)度影響更大。

在12Cr1MoVG無縫鋼管的生產(chǎn)中，金相組織中往往存在另一種黃塊組織，這種組織雖然也呈黃色，但不同于黃塊馬氏體，其顯微硬度較低，在光學(xué)顯微鏡下觀察為鐵素體形態(tài),因此在金相檢測中往往被認(rèn)定為鐵素體組織，其黃色的表象也被認(rèn)為是由于取向的不同而導(dǎo)致的光學(xué)現(xiàn)象。從金相組織入手，通過掃描電鏡進(jìn)行形貌和能譜分析，結(jié)合顯微硬度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此類鐵素體形態(tài)的黃塊組織既不是黃塊馬氏體，也不是鐵素體，而應(yīng)為未完全轉(zhuǎn)變的貝氏體組織，此類組織的產(chǎn)生對12Cr1MoVG鍋爐管產(chǎn)品的性能并無影響。

2 試驗及分析

2.1 力學(xué)性能

試驗選用TPCO生產(chǎn)的鍋爐管12Cr1MoVG，采用斜軋穿孔+連軋的方式進(jìn)行熱成型加工，規(guī)格為?273.00 mm×22.00 mm，熱處理工藝為980℃×40 min空冷+720℃×60 min空冷，使用萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，測量材料的常規(guī)力學(xué)性能，室溫下的強(qiáng)度結(jié)果為屈服強(qiáng)度410 MPa，拉伸強(qiáng)度為545 MPa，夏比沖擊功采用10 mm×10 mm×55 mm試樣，縱向沖擊功為Akv=262 J，力學(xué)性能均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 金相分析

在成品管上切金相試樣并經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后，用蔡司公司的A1m正立智能材料顯微鏡觀察試樣的顯微組織。圖 1（a）、（b）是12Cr1MoVG 的低倍和高倍金相組織，從圖1（b）中可以看出生產(chǎn)的12Cr1MoVG鍋爐管金相組織主要以鐵素體形態(tài)的黃塊組織為主，鐵素體、珠光體和少量的粒狀貝氏體組織。

圖1 12 Cr1MoVG金相組織

標(biāo)準(zhǔn)GB5310—2008中對12Cr1MoVG組織的要求為鐵素體+粒狀貝氏體或鐵素體+珠光體或鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體，允許存在索氏體，但不允許存在相變臨界溫度Ac1～Ac3之間的不完全相變產(chǎn)物（如黃塊狀組織）。因此，對于圖1中鐵素體形狀黃塊組織是否為標(biāo)準(zhǔn)要求不允許的兩相區(qū)黃塊組織需要進(jìn)行試驗證明，以定義其組織狀態(tài)。

2.3 CCT曲線分析

為了明確不同熱處理狀態(tài)下12Cr1MoVG的組織形態(tài)，使用DT-1000淬火膨脹儀對此鋼種進(jìn)行了CCT曲線的繪制，如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)為時間（s），縱坐標(biāo)為溫度（℃）。隨著冷卻時間的增加，冷卻速度降低。圖2中標(biāo)識了12Cr1MoVG在各種冷卻速度下經(jīng)過的顯微組織區(qū)域，通過圖中標(biāo)識表明，冷卻速度超過200℃/s的情況下，得到馬氏體組織，冷卻速度在60～200℃/s之間為貝氏體組織，低于60℃/s為鐵素體+貝氏體，直至1℃/s左右為鐵素體+珠光體+貝氏體，低于1℃/s為鐵素體+珠光體。此鋼種生產(chǎn)采用的熱處理工藝為正火+回火，正火為空冷，速度應(yīng)小于10℃/s，CCT曲線上顯示為鐵素體+珠光體+貝氏體組織，對比2.2節(jié)中的金相分析結(jié)果，除黃色塊狀組織外都符合。

圖2 12 Cr1MoVG鋼CCT曲線

2.4 熱處理工藝對比

圖3 不同熱處理工藝下12 Cr1MoVG金相組織

為了排除生產(chǎn)意外情況導(dǎo)致的組織異常，根據(jù)CCT曲線的結(jié)果，制定了三種熱處理工藝對12Cr1MoVG鋼進(jìn)行重新熱處理，以驗證生產(chǎn)過程中是否有異常情況產(chǎn)生。三種熱處理工藝分別為A：980℃×40 min空冷+720℃×60 min回火；B：980℃×40 min風(fēng)冷+720×60 min回火；C：980 ℃×40 min油冷+720×60 min回火。圖3是3種不同熱處理工藝下的金相組織。其中，第一種工藝為正常生產(chǎn)工藝，第二種工藝試圖得到50℃/s的冷卻速度，第三種工藝試圖得到150℃/s的冷卻速度，以觀察不同冷速狀態(tài)下金相組織的形態(tài)。

圖3中的組織與CCT曲線一致，說明生產(chǎn)工藝過程不存在問題，同時黃塊組織在（a）、（b）兩種熱處理工藝下皆產(chǎn)生，經(jīng)CCT曲線判斷此兩種工藝不可能產(chǎn)生馬氏體組織，因此排除黃塊馬氏體組織的可能。

2.5 顯微硬度

為確定鐵素體形態(tài)黃塊組織的具體組織類型，對應(yīng)圖1（b）中的金相組織，使用德國Z w i c k公司的Z H V 1-m顯微維氏硬度計對12 Cr1MoVG中不同組織部位進(jìn)行了顯微硬度的測量，其中白色鐵素體維氏硬度H V 0.1為190，珠光體為313，黃色塊狀組織為220。黃塊組織H V 0.1的硬度為220，接近粒狀貝氏體的顯微硬度值，從硬度上看是一種貝氏體組織，但由于光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)不足以觀察到黃塊組織是否為貝氏體組織形態(tài)，因此需要進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析。

2.6 掃描電鏡分析

使用EVO50XVP掃描電鏡對12 Cr1MoVG進(jìn)行組織分析，組織照片如圖4所示，其中圖4（a）為1200 X下的組織，深色部分（標(biāo)識為F）為鐵素體組織，含有析出相的部分（標(biāo)識為P）為珠光體組織，區(qū)別于深色部分的鐵素體形態(tài)的（標(biāo)識為Y）為黃塊組織。為了觀察黃塊組織的微觀形態(tài)，把黃塊部分組織放大到2000倍，如圖4（b）所示，可見晶粒中有片狀的析出相產(chǎn)生。

圖4 不同倍數(shù)下12 Cr1MoVG鋼掃描電鏡結(jié)果

黃塊組織中的析出相不僅以片狀存在，通過掃描電鏡觀察的其他的黃塊組織中，析出相同樣也以顆粒狀或有取向地進(jìn)行分布，如圖5所示。

由圖4、圖5可知，鐵素體形態(tài)的黃塊組織存在析出相，因此不是一種鐵素體組織，應(yīng)該為貝氏體組織，但析出相僅限于從晶界向內(nèi)的微量析出，對比珠光體中的析出相，黃塊組織中的析出相尺度較小，應(yīng)為未完全轉(zhuǎn)變的貝氏體組織。

圖5 不同倍數(shù)下12 Cr1MoVG鋼掃描電鏡結(jié)果

黃塊組織在顯微鏡下雖然形態(tài)和鐵素體相似，但在顯微鏡下呈現(xiàn)黃色表象，鐵素體因為其不含有析出相而在金相制樣的腐蝕過程中呈現(xiàn)均勻腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下入射光由于樣品表面腐蝕均勻而反射回大部分的入射光，因此鐵素體在顯微鏡下為白亮色。黃塊組織在光鏡下呈現(xiàn)黃色，主要因為其鐵素體基體上有微量細(xì)小的析出相產(chǎn)生，散射了部分入射光，因此反射光呈現(xiàn)黃色，不同于珠光體的情況，珠光體由于析出相的顆粒較大，因此入射光幾乎完全被散射，在光鏡下看為深黑色。

判斷黃塊組織為未完全轉(zhuǎn)變的貝氏體組織的另兩個參考因素為CCT曲線和顯微硬度，通過CCT曲線，結(jié)合熱處理工藝發(fā)現(xiàn)12 Cr1MoVG在生產(chǎn)工藝下只能得到鐵素體+珠光體+貝氏體的組織，同時顯微硬度值也表明黃塊組織是一種貝氏體組織。由于厚壁12 Cr1MoVG鍋爐管厚度在22m m，在正火過程中芯部冷速會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)外表面，造成冷速的不均勻，冷卻過程中應(yīng)僅僅在短時間內(nèi)跨越CCT曲線中的貝氏體區(qū)域，從圖1（b）中可知，常見的貝氏體組織極少，在跨越貝氏體區(qū)域過程中已經(jīng)初步形成貝氏體組織，由于冷速過慢導(dǎo)致沒有充分析出而形成未完全轉(zhuǎn)變的貝氏體組織。從性能上看，此類組織對產(chǎn)品的力學(xué)性能沒有影響。

3 結(jié)論

本文通過金相組織、CCT曲線、顯微硬度、熱處理試驗、掃描電鏡等多種手段研究了12 Cr1MoVG厚壁鍋爐管中的鐵素體形態(tài)黃塊組織，得出以下結(jié)論：

（1）從金相組織上觀察，黃塊組織形態(tài)類似于鐵素體。

（2）結(jié)合熱處理工藝，從CCT曲線上分析，黃塊組織不是黃塊馬氏體組織。

（3）從顯微硬度值上分析，黃塊組織應(yīng)屬于貝氏體組織。

（4）從掃描電鏡上觀察，黃塊組織是一種鐵素體基體上析出輕微細(xì)小析出相的組織，其不同于鐵素體組織，也由于析出相的少量細(xì)小而不同于珠光體組織，結(jié)合CCT曲線和厚壁管的冷速分析推斷為一種未完全轉(zhuǎn)變的貝氏體組織。

[1]GB5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管[S].