鄭建能

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)有限公司國家能源極端裝備虛擬制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618013)

2.25Cr-1Mo鋼屬低合金熱強(qiáng)鋼，具有較高的抗蠕變、抗氫蝕能力，同時(shí)具有合適的強(qiáng)韌性匹配，在石油、化工、電站鍋爐和原子能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。2.25Cr-1Mo鋼使用時(shí)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(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，由于-30℃正處于2.25Cr-1Mo鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線上下平臺之間的過渡區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)沖擊功離散性較大的現(xiàn)象，導(dǎo)致沖擊功平均值合格而單個(gè)最小值不能滿足要求。

本文通過化學(xué)分析、金相顯微鏡、掃描電鏡對2.25Cr-1Mo鋼鍛件出現(xiàn)-30℃沖擊功離散性較大的試樣進(jìn)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(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自經(jīng)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(jìn)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(yàn)鋼化學(xué)成分見表1。試樣經(jīng)模擬焊后熱處理后進(jìn)行-30℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出，-30℃沖擊功表現(xiàn)出兩高一低或一高兩低的現(xiàn)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(xì)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(jīng)小模擬和大模擬后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和面縮率均滿足要求。

2 試驗(yàn)結(jié)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(jīng)觀察，1#、4#試樣整個(gè)斷口幾乎沒有纖維區(qū)或塑性頸縮區(qū)，斷口的放射區(qū)很大，為典型的脆性斷裂。斷裂機(jī)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(qū)和剪切唇，為典型的塑韌性斷裂。

表1 2.25Cr-1Mo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo steel (Mass, %)

表2 不同試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)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(shí)的斷口為纖維狀斷口，有大量的細(xì)小韌窩，最后斷裂區(qū)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(xì)小、均勻，晶界上也有碳化物析出，呈不連續(xù)分布。從能譜成分分析看，個(gè)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(xiàn)出很大的不均勻性，特別是含硫較高的區(qū)域?qū)?yīng)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(chǎn)生與屈服強(qiáng)度Re、斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化有關(guān)。由于熱激活對裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件作用不明顯，斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化很小。具有面心立方結(jié)構(gòu)的材料，屈服強(qiáng)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(shí)先發(fā)生屈服，之后發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂。具有體心立方的材料，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力σi隨著溫度的降低而增大，σi的增大導(dǎo)致Re隨之增加。當(dāng)Re大于斷裂強(qiáng)度σc時(shí)，材料在屈服前發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂。

2.25Cr-1Mo屬鐵素體型鋼，體心立方結(jié)構(gòu)，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(xué)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(zhì)元素會(huì)偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

(2)晶粒尺寸。細(xì)化晶粒能夠同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性。細(xì)化晶粒提高韌性的原因包括：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

(3)顯微組織。強(qiáng)度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)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(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、分布、第二相性質(zhì)及與基體的結(jié)合力等因素。

3.2 討論

鋼中殘雜質(zhì)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和面縮率相近且滿足設(shè)計(jì)要求，表明鋼中C、Mn、Cr、Mo主要元素設(shè)計(jì)合理，也間接表明P、As、Sn、Sb等殘余雜質(zhì)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(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物和大顆粒析出相。從1#、2#、5#試樣的化學(xué)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(zhì)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(qiáng)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(xiàn)出很大的不均勻性，特別是含硫較高區(qū)域?qū)?yīng)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(fā)達(dá)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(diǎn)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(diǎn)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(nèi)部分區(qū)域韌性不夠，類似于材料內(nèi)部出現(xiàn)大尺寸的缺陷，當(dāng)這樣的區(qū)域位于沖擊試樣缺口附近時(shí)，成為斷裂時(shí)的裂紋源，另一方面Mo含量低的區(qū)域弱化了阻止殘余雜質(zhì)元素晶界偏聚。

采用熱處理的方法改善晶內(nèi)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(yán)重的鍛件，可以通過正回火細(xì)化晶粒，提高-30℃韌性；對于枝晶偏析嚴(yán)重的鍛件，通過高溫?cái)U(kuò)散退火+正回火處理均勻組織，保證-30℃沖擊功的均勻性。根據(jù)1#、4#試樣斷口分析，解理斷裂是試樣主要的斷裂形式，當(dāng)Re大于斷裂強(qiáng)度σc時(shí)，斷裂形式表現(xiàn)為解理斷裂。材料低溫跪性的產(chǎn)生與屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化有關(guān)，由于熱激活對裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件作用不明顯，斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化很小。具有面心立方結(jié)構(gòu)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(shí)先發(fā)生屈服，之后發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂。對于具有體心立方結(jié)構(gòu)的材料，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力σi隨著溫度的降低而增大，σi的增大導(dǎo)致Re隨之增加，當(dāng)Re大于斷裂強(qiáng)度σc時(shí)，材料在屈服前發(fā)生斷裂，宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂，見圖4。由于Re隨試驗(yàn)溫度的降低而增大，通過降低材料常溫時(shí)的屈服強(qiáng)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(biāo)，還是1個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)。由于Re、Rm隨溫度變化規(guī)律接近而Rm具有范圍要求，通過調(diào)整回火參數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)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(yán)重的鍛件，可以通過正回火細(xì)化晶粒，提高-30℃韌性、改善沖擊功的離散。對于枝晶偏析嚴(yán)重的鍛件，通過高溫?cái)U(kuò)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(diào)整回火參數(shù)將抗拉強(qiáng)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。

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