回火溫度對12Cr2Mo1鋼鍛件力學性能的影響*

蒙 騫，史 偉,3，俄 馨,3，張 平,3，靳海軍

(1.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室，甘肅 蘭州 730314；3.甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

12Cr2Mo1鋼是一種重要的工業用低合金鋼，主要用于承壓設備的制造，如核電設備、火電設備、壓力容器以及石化煉油行業的加氫反應器等，由于承壓設備工作環境苛刻，需要在高溫高壓條件下服役， 因此要求其具有良好的力學性能，如具有較高的抗蠕變、抗氫蝕能力、同時又具有良好的力學性能和淬透性。試驗通過研究不同回火溫度對12Cr2Mo1鋼鍛件顯微組織和力學性能的影響規律，確定適宜的回火工藝，以期為該材質的理論研究和實際生產提供借鑒。

1 實 驗

實驗用12Cr2Mo1鋼的化學成分(質量分數/%)為0.12C、0.005S、0.008P、0.02Si、0.45Mn、2.26Cr、0.08Ni、0.98Mo、0.09Cu。鍛件熱處理狀態為：正火+回火，拉伸試驗采用HUT605A 型微機控制電液伺服萬能試驗機，按照國標GB/T229-2007要求制取沖擊試樣(10 mm×10 mm×55 mm)，用2602N-3金屬擺錘沖擊試驗機進行沖擊試驗，金相顯微鏡型號為GX51奧林巴斯倒置式金相顯微鏡。

各試樣淬火溫度均為910 ℃，保溫1.5 h，而回火溫度分別為0 ℃、680 ℃、695 ℃、710 ℃、725 ℃、740 ℃、755 ℃、77 ℃，保溫時間均為3h，模擬焊后熱處理溫度均為690 ℃，保溫時間為26 h。如表1所列。

表1 不同編號試樣回火熱處理工藝

表2是經過不同回火熱處理工藝后力學性能測試結果，從測試數據分析，隨著回火溫度的提高，強度逐漸降低，塑性指標變好，低溫沖擊功沒有出現明顯的變化，當溫度超過740 ℃時抗拉強度低于標準要求值。塑性和韌性指標沒有呈現較明顯的變化，均符合技術規范要求。圖1是不同回火溫度試樣的金相組織分析照片。

表2 不同回火工藝熱處理后力學性能測試結果

圖1 不同回火溫度試樣顯微組織

試樣經4%硝酸酒精腐蝕，放大倍數為500×，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#試樣顯微組織均為貝氏體回火組織。8#試樣為貝氏體回火組織+少量鐵素體。除了沒有經過回火的1#試樣外，隨著回火溫度的增加，貝氏體的板條結構逐漸消失，逐漸向粒狀貝氏體轉變。

2 分析與討論

鉻鉬鋼回火的主要目的是使固溶體中析出細小而彌散的碳化物相起沉淀強化作用，并使不穩定組織趨向于穩定狀態，同時使合金元素在α固溶體和碳化物之間合理分配，以便在鋼中進一步發揮有益作用[1-2]。

1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#試樣的顯微組織為均勻的貝氏體回火組織，1#試樣沒有經過回火而是淬火后直接進行了模擬焊后熱處理，貝氏體鐵素體針比較尖銳，隨著回火溫度的增加，板條貝氏體的形態逐漸消失，貝氏體鐵素體針逐漸粗化、合并，并逐漸向粒狀貝氏體轉變，這與其熱處理工藝是吻合的，但是8#試樣的顯微組織中出現少量的鐵素體，在淬火和模擬焊后熱處理的工藝相同的前提下，說明8#試樣在770℃回火時回火溫度已經達到了12Cr2Mo1鋼的相變溫度，顯微組織中析出了鐵素體，并在隨后的冷卻中保留了下來，因此12Cr2Mo1鋼的回火溫度不應過高。

1#試樣沒有經過回火，但是由于隨后進行690℃×26 h模擬焊后熱處理。因此其力學性能相比較于2#、3#、4#試樣，其強度指標略高，而塑性、韌性指標沒有出現明顯的變化，但在實際生產中是不允許淬火后不進行回火的。5#、6#、7#、8#試樣由于回火溫度較高，強度指標出現了明顯下降，6#、7#、8#試樣抗拉強度均低于標準要求值。所有試樣的塑性指標、韌性指標變化不大，均符合技術規范要求。NB/T 47008-2010《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標準要求12Cr2Mo1鋼的回火溫度是680 ℃以上，從試驗數據分析在680～710 ℃內回火，均能夠獲得良好的性能指標，當回火溫度過高時，強度指標將會受影響低于標準要求值。根據以上試驗結果可知，熱處理制度對12Cr2Mo1鋼的性能有明顯的影響，只有采用合適的回火溫度，才能得到良好的綜合性能。

沒有經過回火的1#試樣以及在不同溫度下回火的2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#試樣，回火組織均為貝氏體回火組織，其力學性能有所差異主要是由于碳化物在基體中分布狀態的不同所導致的[3-4]。回火溫度較高時，一方面碳氮化物析出粒子逐漸長大，并粗化，貝氏體鐵素體基體內碳化物析出，碳濃度進一步降低，這些碳化物部分分布在鐵素體基體的邊沿，或者分布在原奧氏體的晶界[5]，在這種情況下位錯開始脫離析出物的釘扎，因而使位錯強化、析出強化效果明顯減弱，同時貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發生合并，形成多邊形鐵素體，因此強度和硬度則隨之下降[6-7]。因此對于1#、2#、3#、4#、5#試樣而言，貝氏體板條的粗化及碳化物的析出長大不明顯，其強度指標是滿足標準要求的，而對于6#、7#、8#試樣而言，由于回火溫度較高，碳化物的長大及貝氏體板條的粗化，最終逐漸轉變為粒狀貝氏體，所以強度指標技術規范要求。8#試樣由于回火溫度已經高于相變溫度，顯微組織中析出鐵素體，但是由于鐵素體的含量較少，因此對強度的影響機理與6#、7#試樣是相同的，但如果析出的鐵素體數量過多，則會顯著影響到鋼的強度和沖擊功[8]。

而對于沖擊功而言，所有試樣的變化不是很明顯，均維持在300 J以上較高的水平上，這是由于隨著回火溫度的升高，板條狀貝氏體向粒狀貝氏體轉變，均能夠得到好的沖擊韌性，但是如果回火溫度足夠高，保溫時間足夠長，碳化物過度長大或在原奧氏體晶界上析出的碳化物析出相較多的話，一方面容易導致在低溫情況下位錯在較大碳化物前的位錯塞積，導致低溫下的解離斷裂[9-10]，另一方面位錯強化、析出強化效果明顯減弱[11]，這樣會嚴重惡化鋼的沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉變溫度，使鋼回火脆性評定試驗不合格，所以在選擇合適回火溫度的同時，應該避免在回火時對12Cr2Mo1鋼的長時間保溫。

3 結 論

通過研究不同回火溫度下12Cr2Mo1鋼鍛件的力學性能和顯微組織演變，分析了回火溫度對12Cr2Mo1鋼鍛件力學性能的影響規律，找出了12Cr2Mo1鋼鍛件適宜的回火溫度，得出了以下結論：

(1) 12Cr2Mo1鋼宜選擇在680℃-710℃的溫度區間進行回火，這樣能夠獲得良好的力學性能。

(2) 12Cr2Mo1鋼在725℃-755℃的溫度區間進行回火時，由于碳化物的析出長大及貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發生合并，形成粒狀貝氏體，導致屈服強度和抗拉強度低于標準要求值。

(3) 12Cr2Mo1鋼在770℃左右回火時，由于回火溫度高于該鋼的相變溫度，其顯微組織中有鐵素體析出，鋼的屈服強度和抗拉強度明顯下降，低于標準要求值。