12Cr1MoVG鐵素體形態黃塊組織研究

楊 訊，張 冰

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

1 引言

12Cr1MoVG是合金管的一種材質，是在優質碳素結構鋼的基礎上，適當加入一種或數種合金元素，用來提高鋼的力學性能，主要用途是制作高壓鍋爐管產品，通常以正火加回火狀態交貨。標準對于成品無縫管的顯微組織規定金相組織應為鐵素體加珠光體（包括粒狀貝氏體），不得存在如黃塊馬氏體等的兩相區不完全轉變產物[1]。12Cr1MoVG高壓鍋爐管產生黃塊馬氏體的主要原因是熱處理不當，正火溫度不足或回火超溫，這種組織在光學顯微鏡下呈現黃色，產生的黃塊馬氏體混合組織使鋼的室溫強度提高，從而使其持久強度降低，尤其是回火超溫出現的混合組織對持久強度影響更大。

在12Cr1MoVG無縫鋼管的生產中，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，在光學顯微鏡下觀察為鐵素體形態,因此在金相檢測中往往被認定為鐵素體組織，其黃色的表象也被認為是由于取向的不同而導致的光學現象。從金相組織入手，通過掃描電鏡進行形貌和能譜分析，結合顯微硬度結果發現，此類鐵素體形態的黃塊組織既不是黃塊馬氏體，也不是鐵素體，而應為未完全轉變的貝氏體組織，此類組織的產生對12Cr1MoVG鍋爐管產品的性能并無影響。

2 試驗及分析

2.1 力學性能

試驗選用TPCO生產的鍋爐管12Cr1MoVG，采用斜軋穿孔+連軋的方式進行熱成型加工，規格為?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上進行拉伸試驗，測量材料的常規力學性能，室溫下的強度結果為屈服強度410 MPa，拉伸強度為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，力學性能均符合產品標準要求。

2.2 金相分析

在成品管上切金相試樣并經磨制、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）中可以看出生產的12Cr1MoVG鍋爐管金相組織主要以鐵素體形態的黃塊組織為主，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

標準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準要求不允許的兩相區黃塊組織需要進行試驗證明，以定義其組織狀態。

2.3 CCT曲線分析

為了明確不同熱處理狀態下12Cr1MoVG的組織形態，使用DT-1000淬火膨脹儀對此鋼種進行了CCT曲線的繪制，如圖2所示，圖中橫坐標為時間（s），縱坐標為溫度（℃）。隨著冷卻時間的增加，冷卻速度降低。圖2中標識了12Cr1MoVG在各種冷卻速度下經過的顯微組織區域，通過圖中標識表明，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。此鋼種生產采用的熱處理工藝為正火+回火，正火為空冷，速度應小于10℃/s，CCT曲線上顯示為鐵素體+珠光體+貝氏體組織，對比2.2節中的金相分析結果，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

為了排除生產意外情況導致的組織異常，根據CCT曲線的結果，制定了三種熱處理工藝對12Cr1MoVG鋼進行重新熱處理，以驗證生產過程中是否有異常情況產生。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下金相組織的形態。

圖3中的組織與CCT曲線一致，說明生產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生，經CCT曲線判斷此兩種工藝不可能產生馬氏體組織，因此排除黃塊馬氏體組織的可能。

2.5 顯微硬度

為確定鐵素體形態黃塊組織的具體組織類型，對應圖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，但由于光學顯微鏡的放大倍數不足以觀察到黃塊組織是否為貝氏體組織形態，因此需要進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（標識為F）為鐵素體組織，含有析出相的部分（標識為P）為珠光體組織，區別于深色部分的鐵素體形態的（標識為Y）為黃塊組織。為了觀察黃塊組織的微觀形態，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生。

圖4 不同倍數下12 Cr1MoVG鋼掃描電鏡結果

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行分布，如圖5所示。

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

圖5 不同倍數下12 Cr1MoVG鋼掃描電鏡結果

黃塊組織在顯微鏡下雖然形態和鐵素體相似，但在顯微鏡下呈現黃色表象，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均勻腐蝕，在光學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黃色，主要因為其鐵素體基體上有微量細小的析出相產生，散射了部分入射光，因此反射光呈現黃色，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，結合熱處理工藝發現12 Cr1MoVG在生產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遠低于內外表面，造成冷速的不均勻，冷卻過程中應僅僅在短時間內跨越CCT曲線中的貝氏體區域，從圖1（b）中可知，常見的貝氏體組織極少，在跨越貝氏體區域過程中已經初步形成貝氏體組織，由于冷速過慢導致沒有充分析出而形成未完全轉變的貝氏體組織。從性能上看，此類組織對產品的力學性能沒有影響。

3 結論

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黃塊組織，得出以下結論：

（1）從金相組織上觀察，黃塊組織形態類似于鐵素體。

（2）結合熱處理工藝，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小而不同于珠光體組織，結合CCT曲線和厚壁管的冷速分析推斷為一種未完全轉變的貝氏體組織。

[1]GB5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管[S].