12Cr2Mo1R壓力容器鋼動態CCT曲線研究

王 敏，徐 光，胡海江，周明星，張 益

(1．武漢科技大學 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，武漢430081;2．武漢科技大學 高性能鋼鐵材料及其應用湖北省協同創新中心，武漢430081)

鋼的連續冷卻轉變(CCT—Continuous Cooling Transformation)曲線能夠系統反映冷卻速度對相變開始點、相變進行程度和相變所得組織的影響規律，可較好地模擬實際生產條件，為制訂實際生產工藝提供參考．為了在控冷后獲得所需的組織和性能，對熱變形奧氏體連續冷卻轉變的研究變得十分重要，也是制定合理變形工藝制度的前提條件．因此，研究人員對各種金屬材料的CCT 曲線進行了研究［1～6］，有的還精確繪制了CCT曲線［7］．

石油、化工、煤炭液化和氣化等行業主要生產設施有容器和管道．此類容器內主要為含氫的氣態或液體介質，這些介質在高溫高壓下完成合成或裂解等化學反應，這些容器通常稱為臨氫設備或容器．制造臨氫設備用的鋼板稱為臨氫鋼，也稱臨氫壓力容器鋼或加氫反應器用鋼．石油、化工行業中典型的臨氫精煉裝置有:反應器、分離塔、吸收塔、熱交換器等．加氫反應器是臨氫裝置設備中最為關鍵的設備，其使用條件苛刻，材料長期處于高溫、高壓及臨氫工況下．熱壁加氫反應器大多采用鉻鉬鋼制造，根據使用溫度和壓力的差異選用不同的Cr－Mo 鋼，其中12Cr2Mo1R 壓力容器鋼板最為常用．目前，對該鋼種CCT 曲線的研究較少，蔣善玉研究了一種臨氫壓力容器鋼CCT 曲線［8］，奧氏體變形后，鐵素體和珠光體轉變溫度升高，同時，貝氏體轉變溫度升高．

本文研究了12Cr2Mo1R 鋼的動態CCT 曲線，分析了奧氏體變形對連續冷卻轉變的影響，CCT的測定和分析為該鋼種熱加工工藝和熱處理工藝制度的制定提供依據．

1 實驗材料和方案

實驗材料為12Cr2Mo1R 壓力容器鋼，其化學成分(質量分數/%)為0.091C、0.09Si、0.34Mn、0.008P、0.005S、2.118Cr、0.978Mo．將實驗鋼加工成Φ7 mm×12 mm 的圓柱體試樣，在Gleeble－1500 熱模擬機上進行實驗．動態CCT 曲線的熱模擬實驗工藝見圖1，將試樣以5 ℃/s 加熱至1 100 ℃保溫15 min，然后以5 ℃/s 冷卻到900 ℃，以5 s－1變形速度變形50% 后，分別以0.1、0.5、1、5、10、20、30 ℃/s 的冷速冷卻至室溫，記錄試樣冷卻過程中的膨脹、溫度、時間等數據．

將熱模擬實驗后的試樣切割、鑲樣、研磨，再經拋光機拋光，最后用4%的硝酸酒精溶液侵蝕成金相試樣，在ZEISS 光學顯微鏡下觀察組織形貌．

圖1 動態CCT 曲線熱模擬實驗工藝Fig.1 Thermal simulation experiment scheme for dynamic CCT curve

2 實驗結果

2.1 金相組織圖

變形奧氏體試樣在不同冷卻速度下獲得的組織見圖2，表1 給出了不同冷卻速度下對應的組織．

圖2 變形奧氏體在不同冷速下(℃/s)連續冷卻的轉變組織圖Fig.2 Morphology of structures of test steel at different cooling rates(℃/s)

表1 變形奧氏體連續冷卻轉變組織Table 1 Structures of test steel at different cooling rates

2.2 連續冷卻膨脹曲線

隨著溫度的變化，鋼鐵材料將發生熱脹冷縮現象．當鋼發生固態相變時，常伴隨著體積的不連續變化，從而引起熱膨脹的不連續變化，因此通過分析熱膨脹的變化就可以研究相變的情況［9］．用切線法取膨脹曲線的拐點來確定相變臨界點．圖3a 和3b 分別為變形奧氏體冷卻速度為10、20 ℃/s 時的膨脹曲線，根據膨脹曲線拐點及其對應的組織，可以確定不同冷速下變形奧氏體連續冷卻的相變點(表2)．

2.3 動態CCT 曲線

根據表2 中膨脹曲線確定的相變點，用origin軟件繪制實驗鋼種的動態CCT 曲線(圖4)．

圖3 動態熱模擬的連續冷卻膨脹曲線和冷卻速度Fig.3 The dilatometric curves of thermal simulation experiment at different cooling rates

表2 變形奧氏體連續冷卻相變點Table 2 Phase transformation point at different cooling rates

3 分析與討論

2Cr2Mo1R 鋼變形后，奧氏體連續冷卻時發生三種不同類型的轉變，即過冷奧氏體向鐵素體和珠光體轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變．冷卻速度在0.1～0.5 ℃/s 時，轉變產物為鐵素體和珠光體，轉變開始溫度在851～870℃之間，轉變結束溫度在708～718 ℃之間，且隨著冷卻速度的增大，鐵素體與珠光體組織逐漸細化．當冷卻速度增加到1 ℃/s 時，開始出現貝氏體組織，但仍然有較多的多邊形鐵素體不連續地分布在貝氏體之間，鐵素體晶粒尺寸基本相同．當冷卻速度達到5 ℃/s時，由于冷速較大，很難發生鐵素體轉變，組織由貝氏體和極少量的鐵素體組成．當冷卻速度增加到10 ℃/s 時，不能發生鐵素體轉變，組織為貝氏體和馬氏體．冷卻速度繼續增加到20 ℃/s時，組織為馬氏體和少量的貝氏體．冷卻速度達到30 ℃/s 時，轉變產物全部為馬氏體．

圖4 動態CCT 曲線Fig.4 Dynamic CCT curve of test steel

圖5 為本實驗鋼種的靜態CCT 曲線．與靜態CCT 曲線相比，動態CCT 曲線的鐵素體與珠光體區向左上方移動，貝氏體和馬氏體轉變溫度降低．奧氏體變形增大了奧氏體的缺陷密度，使得畸變能增加，有利于鐵原子和碳原子的擴散［10］．此外，變形奧氏體內產生大量變形帶，為形核提供了更多有利位置，使得鐵素體和珠光體的形核速率增加，從而縮短了鐵素體和珠光體轉變的孕育期，且轉變溫度提高，轉變后的組織更加細小．

圖5 實驗鋼種的靜態CCT 曲線Fig.5 Static CCT curve of test steel

蔣善玉研究了同一壓力容器鋼的CCT 曲線，發現奧氏體變形后，貝氏體轉變溫度升高［8］．但本研究結果表明，奧氏體預變形使貝氏體轉變溫度降低．奧氏體變形加快了鐵素體和珠光體轉變，多余的碳原子擴散到未轉變的奧氏體中，使未轉變奧氏體中固溶了更多碳原子;碳原子濃度增大，奧氏體相趨于穩定．此外，變形奧氏體晶粒破碎，位錯密度增加，抑制了貝氏體長大，奧氏體的化學穩定化和機械穩定化的共同作用使貝氏體轉變溫度降低．

對于馬氏體相變，Bhadeshia［11，12］認為奧氏體預變形后引起奧氏體的力學穩定化，使馬氏體轉變受阻，馬氏體轉變開始溫度降低．形變使基體位錯密度增加，成為切變的阻力，因而降低Ms．同時馬氏體相變是一種原子沿相界面作協作運動使發生形狀改變的相變，相變時，由于基體強化，使不易協作應變，則馬氏體繼續形成和長大都發生困難［13］．

4 結 論

用熱膨脹法測定了12Cr2Mo1R 壓力容器鋼的動態連續冷卻轉變(CCT)曲線，觀察和分析了不同冷卻速度下的相變和組織，繪制了實驗鋼種的動態CCT 曲線，得到以下結論:

(1)奧氏體變形后，鐵素體和珠光體轉變孕育期縮短，轉變溫度升高，轉變區域向左上方移動;

(2)由于奧氏體化學穩定化和機械穩定化的共同作用，奧氏體變形后貝氏體轉變溫度降低;

(3)由于奧氏體機械穩定化的作用，奧氏體變形后馬氏體轉變開始溫度降低．

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