超細晶雙相鋼無縫鋼管的中頻感應熱處理工藝研究*

張明亞

（山東鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 250101）

由于中頻感應熱處理裝置本身的特點，實現(xiàn)對試件的連續(xù)循環(huán)加熱和冷卻是簡易可行的：多次循環(huán)加熱+淬火處理不會對試件表面造成過分的氧化和脫碳；從理論上可以推斷，將試件在連續(xù)數(shù)次的奧氏體化+淬火處理后進行臨界區(qū)處理，得到基體為超細晶組織的雙相無縫鋼管是可行的。將試驗材料先進行數(shù)次循環(huán)奧氏體化+淬火處理，對淬火后基體為全馬氏體組織的鋼管進行臨界區(qū)加熱+回火處理，研究不同循環(huán)周期對其組織性能的影響。

根據(jù)Hall-Petch關系式可知，隨著基體內(nèi)的晶粒直徑減小，材料的屈服強度和抗拉強度均呈線性增加［1-3］。從理論上說，晶粒細化可以使材料在受到應力時產(chǎn)生的形變更分散地分配到更多的晶粒中，材料將產(chǎn)生均勻形變而不至于造成局部應力過于集中，從而在一定程度上推遲裂紋的產(chǎn)生和擴展；然而，過于細小的晶粒卻會使材料的塑性降低，屈強比增高，加工硬化能力降低［4-6］，不利于成形。此外，細化晶粒產(chǎn)生的強化效應增大了對晶界運動的阻礙作用，系數(shù)值也因此增加。在以上兩點的共同作用下，材料的屈服強度增加。所以，晶粒細化到何種程度，還應根據(jù)實際需要進行處理。

1 熱處理試驗材料及裝置

超細晶雙相鋼無縫鋼管的中頻感應熱處理工藝研究采用Φ42 mm×3.5 mm規(guī)格普通熱軋Q345B無縫鋼管，化學成分（質(zhì)量分數(shù)）為：C 0.16%，Si 0.31%，Mn 1.36%，Nb 0.042%，S 0.001%，P 0.009%，V 0.09%，試驗裝置如圖 1 所示［7］。

圖1 超細晶雙相無縫鋼管感應加熱試驗裝置示意

2 試驗過程及結(jié)果分析

試驗過程中采用的加熱速度相同，試樣在托輥上的運行速度相同，電源的功率和頻率也相同，只是試樣所經(jīng)歷的循環(huán)熱處理次數(shù)不同。試驗中，對鋼管進行奧氏體區(qū)加熱+淬火處理的循環(huán)加熱處理工藝，循環(huán)次數(shù)分別為1次、2次、3次、5次、8次和10次，再對循環(huán)熱處理后的試樣分別進行臨界區(qū)加熱+淬火后回火處理，然后分別對其組織進行比較分析。

圖2所示為試樣經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)熱處理后的金相組織，其中白色部分為鐵素體組織，灰黑色或黑色部分為馬氏體。

圖2 試樣經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)熱處理后的金相組織

從圖2可以看出：隨著循環(huán)熱處理次數(shù)的增多，基體內(nèi)的鐵素體含量逐漸減少，馬氏體含量不斷增加。造成鐵素體含量很小的原因可能是：在臨界區(qū)加熱處理的時間不足。經(jīng)多次循環(huán)加熱+淬火處理的鋼管，由于加熱速度很快，且加熱后馬上進行淬火處理，基體中將得到很細小的馬氏體組織。在隨后的臨界區(qū)感應熱處理后，其基體內(nèi)晶粒的平均尺寸隨循環(huán)熱處理次數(shù)的增加而減小，循環(huán)熱處理次數(shù)超過3次之后，晶粒雖然還在細化，但細化程度逐漸降低。

圖3所示為試樣經(jīng)1次、2次、3次、5次和8次循環(huán)熱處理后的透射電子顯微像及經(jīng)8次循環(huán)熱處理后的選區(qū)電子衍射花樣，其衍襯像為同一放大倍數(shù)。由于每次循環(huán)熱處理后只經(jīng)過了短暫的臨界區(qū)處理，導致其衍襯像大部分為板條馬氏體，只有極少量的鐵素體，如圖3（a）中的箭頭所示。

圖3 試樣經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)熱處理后的透射電子顯微像

從圖3可以看出：馬氏體為經(jīng)典板條狀，且板條內(nèi)部有高密度位錯。前幾次循環(huán)熱處理后的板條差別不大，但是經(jīng)8次循環(huán)熱處理后，在觀察其衍襯像時發(fā)現(xiàn)，整個視場中有很多如圖3（e）箭頭所指的原奧氏體晶界很清晰的馬氏體板條束，由于在同一個放大倍數(shù)下，能在透射電鏡下看見如此細小的組織結(jié)構(gòu)，充分說明多次循環(huán)熱處理對晶粒有明顯的細化作用，圖3（e）中箭頭所指原奧氏體的晶粒尺寸僅約3 μm。在圖3（e）中還可以發(fā)現(xiàn)原奧氏體晶粒內(nèi)部的板條束中的板條按不同方向分布，如虛線所示，這種板條束的邊界幾乎都是大角晶界［8］，能阻礙滑移變形和裂紋擴展，并且對強韌性也有一定的影響；因此板條束的大小就是有效的晶粒尺寸，考慮這一點，說明中頻感應淬火循環(huán)熱處理對鋼管晶粒的細化作用相當顯著。

鋼管在經(jīng)過一次相變熱處理之后，馬氏體通過相變冷作硬化，所增加的高密度位錯遺傳給逆轉(zhuǎn)變奧氏體［9］，為再結(jié)晶提供了儲存能，增加了再結(jié)晶驅(qū)動力，形核率也跟著增加，使得逆轉(zhuǎn)變奧氏體初步細化。隨著組織的細化和位錯密度的升高以及中頻感應相變熱處理次數(shù)的增加，相變再結(jié)晶也不斷增加，使得最終形成的奧氏體的晶粒尺寸不斷減小，從而得到細小的馬氏體組織，如圖3（e）箭頭所示。

雖然經(jīng)循環(huán)奧氏體化+淬火處理的試樣在臨界區(qū)熱處理后，僅得到鐵素體含量很少而屈服強度很高但塑性很差的超細晶無縫鋼管，其結(jié)果卻驗證了循環(huán)熱處理可以獲得細小的晶粒組織。為了改善塑性等綜合性能，根據(jù)本研究規(guī)律，對循環(huán)熱處理的均熱溫度進行了優(yōu)化，即試樣僅在臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)進行循環(huán)熱處理。本次循環(huán)熱處理選用的臨界區(qū)熱處理溫度為800℃，試樣分別經(jīng)1次、2次、3次、5次、6次和8次循環(huán)熱處理。

圖4所示為試樣經(jīng)不同次數(shù)的臨界區(qū)循環(huán)熱處理后的透射電子顯微像，為了比較晶粒尺寸，衍襯像為同一放大倍數(shù)。圖中標有白色M字體的部位即為細小的板條狀馬氏體。從圖4（a）到圖4（f），觀察區(qū)域內(nèi)的鐵素體晶粒數(shù)目不斷增加，充分說明隨著臨界區(qū)循環(huán)熱處理次數(shù)增加，鐵素體相的再結(jié)晶過程循環(huán)進行，鐵素體晶粒被不斷地細化，圖4（f）中有些小的鐵素體晶粒尺寸甚至達到1 μm左右。臨界區(qū)循環(huán)熱處理后的試樣中鐵素體的含量相當可觀，馬氏體的細化程度不斷增大，而且馬氏體晶粒的細化情況與圖3具有相同的規(guī)律。馬氏體晶粒細化主要是靠相變細化，而鐵素體晶粒的細化主要是靠再結(jié)晶，再結(jié)晶主要涉及到位錯的作用。

圖4 試樣經(jīng)不同次數(shù)的臨界區(qū)加熱+淬火循環(huán)熱處理后的透射電子顯微像

試樣經(jīng)1次、2次、3次和5次臨界區(qū)循環(huán)熱處理后的位錯變化情況如圖5所示。從圖5（a）可以看出，晶界處的位錯密度明顯高于晶粒內(nèi)部；而圖5（b）中晶粒內(nèi)部呈現(xiàn)的高密度位錯，說明兩次循環(huán)熱處理較一次循環(huán)實現(xiàn)了增殖，而且位錯增殖源就在晶界處。這是因為晶界處缺陷較多，原子排列十分復雜，在淬火應力的作用下，整個界面處的原子受力是極不均勻的。受力較大的部位，比如凸起或是凹陷的部位，就有可能達到原子運動的力，使得一部分原子沿著整個晶面滑動，滑入晶粒內(nèi)部，導致晶粒內(nèi)部位錯密度增加［10］。由于晶界處原子排列十分紊亂，因此無論原子如何滑動都不可能使晶面變得平整，總會有凸起或凹陷的部分，致使晶界成為使位錯不斷增殖的位錯源。

隨著中頻感應循環(huán)次數(shù)的增加，位錯密度不斷增大，當位錯密度增大到一定程度時，位錯會經(jīng)過滑移和攀移形成如圖5（a）中箭頭所指的胞狀亞結(jié)構(gòu)。胞內(nèi)位錯密度很低，胞壁處集中著纏結(jié)的位錯，且位錯密度很高。增加中頻感應循環(huán)次數(shù)，也相當于延長位錯回復時間，胞壁中的位錯逐漸形成低能態(tài)的位錯網(wǎng)絡，胞壁變得明晰而成為亞晶界，如圖5（c）中箭頭所指部位。這些亞晶粒本身是不穩(wěn)定的，在進行回復、再結(jié)晶退火，通過亞晶界遷移時會逐漸增大［11-12］，如圖5（d）中箭頭所指部位。

3 結(jié) 論

（1）中頻感應淬火循環(huán)熱處理工藝可以獲得強塑性良好的超細晶雙相無縫鋼管。

（2）隨著循環(huán)熱處理次數(shù)的增加，馬氏體和鐵素體晶粒細化的程度也會不斷地增加，但兩者的細化機制不一樣，即馬氏體晶粒的細化靠相變實現(xiàn)，而鐵素體晶粒的細化靠再結(jié)晶來實現(xiàn)。

（3）隨著中頻感應循環(huán)次數(shù)的增加，位錯密度會不斷增加，從而使得再結(jié)晶驅(qū)動力不斷增加，形核率就不斷增大，致使形成的晶粒尺寸不斷減小，直至達到超細晶狀態(tài)。

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