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        回火保溫時(shí)間對(duì)E690 海工鋼組織演變及耐蝕性影響研究

        2023-12-16 08:05:02王冬王寧徐振趙坦
        鞍鋼技術(shù) 2023年6期

        王冬,王寧,徐振,趙坦

        (1. 遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;2. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 鞍山 114009)

        為了更好地對(duì)海洋資源進(jìn)行開發(fā)利用, 我國研發(fā)了許多具有高強(qiáng)度、高韌性、良好焊接性和耐腐蝕性的海洋平臺(tái)用鋼[1]。 E690 是近些年研究的一種低碳低合金高強(qiáng)度的海洋平臺(tái)用鋼, 國內(nèi)生產(chǎn)的E690 多是采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨[2-4]。 調(diào)質(zhì)工藝通常包括淬火+回火, 回火作為工藝的最后一步,對(duì)材料的組織以及性能都有著很大的影響。 狄國標(biāo)等[5]研究發(fā)現(xiàn),隨著回火溫度的提高,E690 鋼的強(qiáng)度降低、 組織變得粗大, 碳化物的球化行為明顯。蘇世宇等[6]對(duì)Q890D 進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),隨著回火溫度的升高, 鋼中組織由淬火生成的馬氏體向回火馬氏體、索氏體轉(zhuǎn)變,硬度隨之下降。李德剛等[7]通過對(duì)930 ℃淬火的Q690D 以不同回火處理發(fā)現(xiàn),隨著回火溫度升高,淬火組織逐漸轉(zhuǎn)變成為回火馬氏體、托氏體以及索氏體,整體強(qiáng)度下降,屈強(qiáng)比升高。 帥勇和杜曉潔等[8-9]對(duì)E690 進(jìn)行不同回火溫度研究發(fā)現(xiàn),隨著回火溫度的升高,組織有板條狀貝氏體向顆粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變, 析出物析出也隨之增加。目前的研究主要是針對(duì)回火溫度,而對(duì)于回火保溫時(shí)間的研究很少, 因此為了探究回火保溫時(shí)間的影響, 本文以E690 為研究對(duì)象,通過相同的淬火工藝和相同的回火溫度, 探究不同回火保溫時(shí)間下的組織演變、 性能變化以及耐蝕性的變化。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        以E690 為原材料, 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1 所示。采用轉(zhuǎn)爐精煉后澆鑄成板,開軋溫度為1 100 ℃,終軋溫度為870 ℃,生產(chǎn)出40 mm 厚的鋼板。

        表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical Compositions in Test Steel(Mass Fraction) %

        從軋制以后的鋼板上面取樣進(jìn)行850 ℃淬火處理,淬火之后進(jìn)行550 ℃高溫回火處理,在溫度達(dá)到550 ℃以后分別進(jìn)行30、60、90 min 的不同保溫時(shí)間處理。 冷卻到室溫之后對(duì)不同工藝的鋼板在心部取樣, 對(duì)試樣進(jìn)行組織觀察以及力學(xué)性能測(cè)試。

        通過ZEISS Axio Vert.A1 型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的微觀組織進(jìn)行分析,利用掃描電鏡以及透射電鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)以及沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。最后通過電化學(xué)工作站對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試以反映其耐蝕性能。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2.1 金相組織

        不同回火保溫時(shí)間下的金相組織如圖1 所示。

        圖1 不同回火保溫時(shí)間下的金相組織Fig. 1 Metallographic Structures at Different Holding Time in Tempering

        由圖1 可以看出,組織主要由回火馬氏體+鐵素體+碳化物組成。 回火保溫時(shí)間為30 min 時(shí),組織主要由馬氏體鐵素體組成,少量的碳化物析出,此時(shí)的板條形狀還很明顯; 回火保溫時(shí)間增加到60 min 時(shí),碳化物析出數(shù)量增加,此時(shí)僅僅能看到邊界形貌,組織內(nèi)部逐漸開始模糊;回火保溫時(shí)間為90 min 時(shí),板條形狀變粗,碳化物在馬氏體和鐵素體基體上大量析出。

        不同回火保溫時(shí)間下的掃描電鏡微觀形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出,隨著回火保溫時(shí)間的增加,板條馬氏體的形貌越來越清晰,但是馬氏體內(nèi)部的邊界形貌逐漸變得模糊。

        圖2 不同回火保溫時(shí)間下的掃描電鏡微觀形貌Fig. 2 SEM Microstructures at Different Holding Time in Tempering

        不同回火保溫時(shí)間下的馬氏體組織透射電鏡微觀形貌如圖3 所示。 由圖3 可以看出,隨著回火保溫時(shí)間的增加, 回火組織中不穩(wěn)定組織M/A 島消失,板條馬氏體的板條寬度逐漸增加。

        圖3 不同回火保溫時(shí)間下的馬氏體組織透射電鏡微觀形貌Fig. 3 TEM Microstructures of Martensite Structures at Different Holding Time in Tempering

        2.2 力學(xué)性能

        不同回火保溫時(shí)間下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

        表2 不同回火保溫時(shí)間下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Test Results of Mechanical Properties at Different Holding Time in Tempering

        有研究指出[8],在相同的回火溫度下隨著回火保溫時(shí)間的增加, 試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所下降,延伸率先上升后下降。由表2 可以看出,隨著保溫時(shí)間的增加,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功均先升高后降低。 當(dāng)回火保溫時(shí)間為60 min 時(shí),強(qiáng)度最高,延伸率最大,力學(xué)性能最優(yōu)。 造成這種現(xiàn)象的原因是:①隨著保溫時(shí)間的增加, 組織中不穩(wěn)定組織M/A 島逐漸分解為穩(wěn)定態(tài)組織,對(duì)強(qiáng)度起到提升作用;但馬氏體和鐵素體均長(zhǎng)大,對(duì)強(qiáng)度有害;同時(shí)碳化物的析出增多,細(xì)小均勻的碳化物析出可以起到析出強(qiáng)化的作用,但時(shí)間過久,隨著碳化物長(zhǎng)大失去析出強(qiáng)化作用,則會(huì)使強(qiáng)度下降。 ②隨著保溫時(shí)間的增加,組織逐漸長(zhǎng)大,組織越均勻則韌性越高,粗大的組織對(duì)韌性有害; 雖然碳化物的析出會(huì)使組織的耐沖擊性能提升, 但碳化物的尺寸比較大時(shí)會(huì)使沖擊功降低。

        2.3 耐蝕性

        不同回火保溫時(shí)間下的開路電位值如表3 所示。 由表3 可以看出,隨著回火保溫時(shí)間的增加,耐蝕性先升高后降低。

        表3 不同回火保溫時(shí)間下的開路電位值Table 3 Open Circuit Potential Values at Different Holding Time in Tempering

        不同回火保溫時(shí)間下的電化學(xué)阻抗圖如圖4 所示。由圖4 可以看出,不同回火保溫時(shí)間下的圓弧半徑不相同。 當(dāng)回火保溫時(shí)間為30 min 時(shí),阻抗圖的圓弧半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于60 min 和90 min 的圓弧半徑;60 min 和90 min 時(shí)的圓弧半徑大小相差不大。圓弧半徑大小代表了耐腐蝕能力的強(qiáng)弱, 側(cè)面說明了保溫60 min 和90 min 的耐腐蝕性要優(yōu)于30 min。

        圖4 不同回火保溫時(shí)間下的電化學(xué)阻抗圖Fig. 4 Electrochemical Impedance Diagrams at Different Holding Time in Tempering

        結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不同保溫時(shí)間下的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果,具體如表4所示。由表4 可以看出,開路電位、電流、等效電流密度和年腐蝕速率均隨著保溫時(shí)間的增加而先升高后降低。 綜上,當(dāng)回火保溫時(shí)間為60 min 時(shí),開路電位處于最大值-0.360 V, 電化學(xué)阻抗圖圓弧半徑最大,耐蝕性最好。

        表4 不同回火保溫時(shí)間下的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果Table 4 Electrochemical Test Results at Different Holding Time in Tempering

        3 分析與討論

        綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 回火保溫時(shí)間的增加會(huì)影響組織內(nèi)部晶?;貜?fù)與再結(jié)晶程度,馬氏體片層逐漸粗化, 組織內(nèi)部晶界會(huì)隨著馬氏體片層的粗化逐漸變得模糊, 對(duì)晶粒生長(zhǎng)限制作用大幅減弱; 組織內(nèi)析出碳化物的形貌由細(xì)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槲㈩w粒狀且大量析出,能夠強(qiáng)化基體組織,但是保溫時(shí)間過長(zhǎng), 碳化物會(huì)由顆粒狀偏聚變成球團(tuán)狀,使碳化物的析出強(qiáng)化作用減弱;碳化物的析出強(qiáng)化不能夠彌補(bǔ)鐵素體、 馬氏體基體組織生長(zhǎng)帶來的強(qiáng)度損失, 從而出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降;碳化物的球化和生長(zhǎng),對(duì)強(qiáng)度有害,隨著組織的生長(zhǎng),使組織內(nèi)部晶粒的均勻程度降低,組織的不均勻會(huì)惡化耐腐蝕能力。

        4 結(jié)論

        (1) 隨著回火保溫時(shí)間的增加, 馬氏體板條寬度會(huì)增大,鐵素體尺寸會(huì)增加,碳化物的析出會(huì)加劇。 當(dāng)回火保溫時(shí)間增加到90 min 時(shí),組織中碳化物的析出最多,析出強(qiáng)化作用最強(qiáng)。

        (2) 隨著回火保溫時(shí)間的增加,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功均會(huì)先升高后降低。 當(dāng)回火保溫時(shí)間為60 min 時(shí),強(qiáng)度最高,延伸率最大,力學(xué)性能最優(yōu),即回火保溫60 min 為此實(shí)驗(yàn)中的最佳保溫時(shí)間。

        (3) 當(dāng)回火保溫時(shí)間為60 min 時(shí), 開路電位處于最大值-0.360 V, 電化學(xué)阻抗圖圓弧半徑最大,耐蝕性最好。

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