正火溫度對高強度貝氏體鋼管組織和性能的影響

Effect of normalizing　tempprature　on　microStructure　and properties　of　High　Strength　Bainitic　Steel　pipe

為了研究正火溫度對新研制的高強度貝氏體鋼管組織和性能的影響，將其經(jīng)過熱處理試驗后，采用拉伸及沖擊試驗進行力學(xué)性能測試，運用掃描電子顯微鏡及光學(xué)顯微鏡進行組織形貌觀察，利用X射線衍射進行物相分析。研究結(jié)果表明：隨著正火溫度的提高，貝氏體鋼管的抗拉強度呈降低的趨勢，當(dāng)正火溫度為930℃時，鋼管的抗拉強度、延伸率及斷面收縮率較高，沖擊功出現(xiàn)最大值，為最佳正火溫度。不同正火溫度加熱，貝氏體鋼管的顯微組織均為無碳化物貝氏體和少量的鐵素體，930℃加熱組織細化程度較高，超過930℃加熱，組織中板條貝氏體的比例增加，板條組織長度增加，組織粗化。930℃加熱空冷、300℃回火，無碳化貝氏體鋼管的力學(xué)性能為強度(rm)為971Mpa，延伸率(a)為18.3％，斷面收縮率(z)為69％，沖擊功Akv為82.6J。

關(guān)鍵詞：無碳化物貝氏體鋼；正火溫度；顯微組織；力學(xué)性能

鋼管作為鋼鐵產(chǎn)品的重要組成部分，根據(jù)其制造工藝分為無縫鋼管、焊接鋼管和鑄造鋼管[1]，無縫鋼管一般以圓胚通過熱軋獲得，焊接鋼管用熱軋板卷或帶坯成型后焊接而成，鑄造鋼管通過鑄造的方法獲得。鋼管為了提高強韌性一般需要進行熱處理，對于高強度鋼管采用的熱處理方式為淬火＋高溫回火，淬火熱處理變形較大，甚至出現(xiàn)缺陷[2]。

高強度貝氏體鋼熱處理采用正火方式獲得，熱處理變形較少，可避免淬火缺陷，獲得較高的強韌行及耐磨性。各種類型的貝氏體鋼已應(yīng)用于礦山、電力、石油及工程機械等方面[3－5]。對于鋼管材料，采用合適的正火溫度可以細化鋼管的組織，提高其力學(xué)性能，對于低強度等級的鋼管，目前已有關(guān)于正火溫度對其組織和性能影響的相關(guān)研究，如文獻[6]研究了正火溫度對強度為491～499Mpa級鋼管組織性能的影響，結(jié)果表明，830℃正火時，其力學(xué)性能最高。

文獻[7]研究了正火溫度對強度為460Mpa高頻電阻焊鋼管組織和性能的影響，結(jié)果表明，在850～1　000℃范圍內(nèi)加熱，當(dāng)加熱超過950℃時的鋼管強度較高，鋼管的焊縫區(qū)在900～1000℃的正火加熱溫度范圍內(nèi)，隨加熱溫度的升高，強度升高。但對于高強度鋼管，正火溫度對其組織和力學(xué)性能的影響文獻較少。因此，本文通過研究正火溫度對新研制的高強度無碳化物貝氏體鋼管組織和力學(xué)性能的影響，確定合適的正火加熱溫度，為實際貝氏體鋼管正火奧氏體化溫度的確定提供了參考，對于無碳化物貝氏體鋼管實際的熱處理工藝參數(shù)制定具有重要的實踐意義。

1實驗材料及方法

實驗材料為一種新研制的貝氏體鋼管，鋼管由廠家協(xié)作制成，試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)ｗ/％)為ｗ(c)＝0.08％～0.15％、ｗ(Si)＝0.8％～1.5％及ｗ(mn)＋ｗ(cr)＋ｗ(mo)＋ｗ(V)≤3％。貝氏體鋼管管材的生產(chǎn)過程為：100t電爐冶煉＋鋼包精煉(ladlE　furnacE，lf)＋真空處理(Vacuum　dEgaSSing，Vd)，連鑄成直徑為430mm的鑄錠。鋼錠經(jīng)加熱、熱穿孔、鋼管連軋、定徑及冷床冷卻，熱軋成尺寸為420mm×16mm的鋼管。試驗材料的力學(xué)性能試樣均取自于熱軋態(tài)鋼管。采用JB－300型擺錘式?jīng)_擊試驗機對試樣進行沖擊，將其加工成10mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣；利用ddl300型拉伸試驗機進行試樣的拉伸，將其加工成直徑為8mm的標(biāo)準(zhǔn)短拉伸試樣；使用niKon　EpiHot－300顯微鏡觀察試樣的金相組織，組織腐蝕液為4％硝酸酒精溶液；采用Ｑuanta　400掃描電子顯微鏡(Scanning　ElEctron　microScopE，SEm)觀察試樣的組織形貌；使用X射線衍射儀(X－raY　diffrac－tomEtEr，Xrd)(型號：Xrd－6000)分析實驗材料物相。根據(jù)實驗材料的ac3相變溫度測定結(jié)果，確定實驗材料的正火熱處理加熱溫度分別為850℃、870℃、890℃、910℃、930℃、950℃和970℃，保溫時間為30min，空冷。由于貝氏體鋼管在250～350℃回火時的強韌性較高[8]，故選擇不同溫度正火后進行300℃回火，熱處理設(shè)備為cY00－1型箱式電阻爐。

2實驗結(jié)果及分析

2.1正火溫度對貝氏體鋼管力學(xué)性能的影響

圖1為正火溫度(t)對高強度貝氏體鋼管力學(xué)性能的影響曲線。從圖1(a)可以看出，貝氏體鋼管的強度(rm)隨正火溫度的上升呈下降趨勢，但變化幅度不大，抗拉強度在1000～962Mpa之間，因此，在不同加熱溫度下貝氏體鋼管均具有較高的強度。圖1(B)為無碳化物貝氏體鋼管沖擊功(Akv)隨正火溫度的變化曲線，由圖1(B)可以看出，隨正火溫度的提高，沖擊功有增加的趨勢，加熱溫度在930℃時沖擊功出現(xiàn)最大值，為82.6J，超過930℃加熱，沖擊功下降。圖1(c)為貝氏體鋼管延伸率(a)隨正火溫度的變化曲線，由圖1(c)可以看出，隨正火加熱溫度提高，延伸率有增加的趨勢，在950℃加熱出現(xiàn)峰值；加熱溫度為930～950℃時，延伸率指標(biāo)較高，在18.3％～18.6％區(qū)間；超過950℃加熱，延伸率下降；在970℃加熱，最低延伸率指標(biāo)為16.5％。圖1(d)為貝氏體鋼管斷面收縮率(z)隨加熱溫度的變化曲線，由圖1(d)可以看出，隨正火加熱溫度的提高，斷面收縮率有增加趨勢，930℃加熱，斷面收縮率出現(xiàn)峰值，超過930℃加熱，斷面收縮率下降。

貝氏體鋼管的力學(xué)性能隨正火溫度變化的原因為，隨正火加熱溫度的提高，奧氏體轉(zhuǎn)變比較充分，奧氏體組織中合金元素的固溶度增加，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，增加了正火熱處理后組織中的殘余奧氏體量，提高韌性，降低強度。但當(dāng)溫度過高時，貝氏體鋼管的組織長大，造成晶粒粗化，降低強度及其塑性。超過950℃加熱，沖擊功有所升高，雖然組織粗大，但是過高的加熱溫度會造成組織中的殘余奧氏體量增加，提高韌性[9－11]。雖然930℃加熱時實驗材料的抗拉強度的值并非最高，但與其他加熱溫度相比，其抗拉強度的降低幅度不大，而延伸率和斷面收縮率較高，沖擊功在930℃加熱時最高。因此，從強度和韌性的配合來看，貝氏體鋼管最佳的正火溫度為930℃。930℃加熱空冷，300℃回火獲得的力學(xué)性能為rm＝971Mpa，a＝18.3％，z＝69％，Akv＝82.6J。

圖1無碳化物貝氏體鋼管力學(xué)性能隨正火溫度的變化曲線

2.2正火溫度對貝氏體鋼管物相及組織的影響

圖2為貝氏體鋼管在不同溫度下(850℃、890℃、930℃和970℃)加熱正火，300℃回火沖擊試樣的Xrd衍射圖譜。由圖2可以看出，不同溫度加熱正火，300℃回火時，貝氏體鋼管的Xrd衍射峰主要有鐵素體峰(α)和奧氏體峰(γ)，無碳化物峰存在，說明組織中無碳化物相存在。因此，在不同正火溫度加熱、300℃回火的條件下，貝氏體鋼管的組織應(yīng)為貝氏體鐵素體和奧氏體組織，為無碳化物貝氏體組織。

圖3為貝氏體鋼管在不同溫度加熱正火，300℃回火的顯微組織形貌圖。結(jié)合圖2的Xrd衍射分析可知，實驗材料在850～970℃加熱，300℃回火時，顯微組織均為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體，即為無碳化物貝氏體組織。由于組織中無碳化物相的存在，典型的貝氏體組織中的碳化物被奧氏體取代，且奧氏體為韌性相，可以提高貝氏體鋼的塑韌性、耐磨性及接觸疲勞壽命[12－14]。因此，無碳化物貝氏體組織具有良好的韌性。

圖2不同正火溫度沖擊試樣的Xrd衍射圖譜

由圖3(a)可知，850℃加熱時的顯微組織主要由粒狀貝氏體組織、板條無碳化物貝氏體組織和少量塊狀鐵素體組成。粒狀貝氏體是由貝氏體鐵素體基體上大體呈方向性排列的馬氏體(m)－奧氏體(a)島組成，m－a島的形成是由于冷卻過程中，碳原子由鐵素體/奧氏體界面向奧氏體內(nèi)擴散，使殘余奧氏體含碳量升高，發(fā)生穩(wěn)定化，隨后冷卻過程中部分富碳奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，與穩(wěn)定化奧氏體形成m－a島[15]。850℃加熱空冷形成的板條狀貝氏體組織的板條較長，組織較為粗大。隨著加熱溫度提高，正火組織有所細化。由圖3(B)可知，870℃空冷下的顯微組織主要由粒狀貝氏體組織和少量塊狀鐵素體組成，與850℃加熱正火組織相比，其組織中長板條較少，組織有所細化。圖3(c)和圖3(d)分別為890℃及910℃加熱空冷的顯微組織，與870℃加熱正火組織形貌一致，也為粒狀貝氏體和少量的塊狀鐵素體。

由圖3(E)可知，930℃加熱正火的顯微組織主要為粒狀貝氏體和板條狀無碳化物貝氏體，與前幾個加熱溫度的組織相比，930℃加熱的組織更加細化，具體表現(xiàn)在一個原奧氏體晶粒內(nèi)出現(xiàn)不同位相

的轉(zhuǎn)變組織，組織細小可以提高實驗材料的沖擊功。由圖3(f)可以看出，930℃加熱正火時，無碳化物貝氏體鐵素體中殘余奧氏體分布在板條貝氏體的板條之間，貝氏體鐵素體之上分布的被奧氏體包圍的島狀物為m－a島[16]。

由圖3(g)可知，950℃加熱正火的顯微組織主要由板條狀貝氏體、粒狀貝氏體和少量鐵素體組織組成，這是由于隨著加熱溫度提高，貝氏體板條長度增加，晶粒有所粗化，晶粒尺寸增加會降低實驗材料的韌性。由圖3(H)可知，970℃加熱正火的顯微組織主要為粒狀貝氏體、板條狀貝氏體及少量的塊狀鐵素體，但與前幾個加熱溫度的組織相比，其板條長度明顯增加，晶粒粗化，但板條束尺寸未粗化，由于板條束較細，再加之殘余奧氏體對韌性的有益作用，實驗材料具有較高的沖擊功。

圖3不同正火溫度加熱，300℃回火下沖擊試樣的組織形貌

3結(jié)論

1)無碳化物貝氏體鋼管隨正火加熱溫度的提高，抗拉強度有降低趨勢，總體降幅較小，當(dāng)正火溫度為930℃時，材料的抗拉強度較高，沖擊功達到最高值，延伸率和斷面收縮率較高。實驗材料最佳的正火加熱溫度為930℃。930℃加熱正火，300℃回火時，無碳化物貝氏體鋼管的力學(xué)性能為：rm＝971Mpa，a＝18.3％，z＝69％，Akv＝82.6J。

2)無碳化物貝氏體鋼管在不同溫度加熱正火，其顯微組織主要為無碳化物貝氏體和少量塊狀鐵素體，在930℃加熱，其組織細化程度較高，超過930℃加熱，隨加熱溫度升高，無碳化物貝氏體鋼管組織中板條貝氏體組織比例增加，板條長度增加，組織粗化。

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