回火保溫時間對E690 海工鋼組織演變及耐蝕性影響研究

王冬，王寧，徐振，趙坦

（1. 遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009）

為了更好地對海洋資源進(jìn)行開發(fā)利用， 我國研發(fā)了許多具有高強(qiáng)度、高韌性、良好焊接性和耐腐蝕性的海洋平臺用鋼[1]。 E690 是近些年研究的一種低碳低合金高強(qiáng)度的海洋平臺用鋼， 國內(nèi)生產(chǎn)的E690 多是采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨[2-4]。 調(diào)質(zhì)工藝通常包括淬火+回火， 回火作為工藝的最后一步，對材料的組織以及性能都有著很大的影響。 狄國標(biāo)等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的提高，E690 鋼的強(qiáng)度降低、 組織變得粗大， 碳化物的球化行為明顯。蘇世宇等[6]對Q890D 進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的升高， 鋼中組織由淬火生成的馬氏體向回火馬氏體、索氏體轉(zhuǎn)變，硬度隨之下降。李德剛等[7]通過對930 ℃淬火的Q690D 以不同回火處理發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度升高，淬火組織逐漸轉(zhuǎn)變成為回火馬氏體、托氏體以及索氏體，整體強(qiáng)度下降，屈強(qiáng)比升高。 帥勇和杜曉潔等[8-9]對E690 進(jìn)行不同回火溫度研究發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的升高，組織有板條狀貝氏體向顆粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變， 析出物析出也隨之增加。目前的研究主要是針對回火溫度，而對于回火保溫時間的研究很少， 因此為了探究回火保溫時間的影響， 本文以E690 為研究對象，通過相同的淬火工藝和相同的回火溫度， 探究不同回火保溫時間下的組織演變、 性能變化以及耐蝕性的變化。

1 實驗材料與方法

以E690 為原材料， 試驗鋼化學(xué)成分如表1 所示。采用轉(zhuǎn)爐精煉后澆鑄成板，開軋溫度為1 100 ℃，終軋溫度為870 ℃，生產(chǎn)出40 mm 厚的鋼板。

表1 試驗鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Test Steel（Mass Fraction） %

從軋制以后的鋼板上面取樣進(jìn)行850 ℃淬火處理，淬火之后進(jìn)行550 ℃高溫回火處理，在溫度達(dá)到550 ℃以后分別進(jìn)行30、60、90 min 的不同保溫時間處理。 冷卻到室溫之后對不同工藝的鋼板在心部取樣， 對試樣進(jìn)行組織觀察以及力學(xué)性能測試。

通過ZEISS Axio Vert.A1 型光學(xué)顯微鏡對試樣的微觀組織進(jìn)行分析，利用掃描電鏡以及透射電鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。采用萬能拉伸試驗機(jī)以及沖擊試驗機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試。最后通過電化學(xué)工作站對試樣進(jìn)行電化學(xué)測試以反映其耐蝕性能。

2 實驗結(jié)果

2.1 金相組織

不同回火保溫時間下的金相組織如圖1 所示。

圖1 不同回火保溫時間下的金相組織Fig. 1 Metallographic Structures at Different Holding Time in Tempering

由圖1 可以看出，組織主要由回火馬氏體+鐵素體+碳化物組成。 回火保溫時間為30 min 時，組織主要由馬氏體鐵素體組成，少量的碳化物析出，此時的板條形狀還很明顯； 回火保溫時間增加到60 min 時，碳化物析出數(shù)量增加，此時僅僅能看到邊界形貌，組織內(nèi)部逐漸開始模糊；回火保溫時間為90 min 時，板條形狀變粗，碳化物在馬氏體和鐵素體基體上大量析出。

不同回火保溫時間下的掃描電鏡微觀形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出，隨著回火保溫時間的增加，板條馬氏體的形貌越來越清晰，但是馬氏體內(nèi)部的邊界形貌逐漸變得模糊。

圖2 不同回火保溫時間下的掃描電鏡微觀形貌Fig. 2 SEM Microstructures at Different Holding Time in Tempering

不同回火保溫時間下的馬氏體組織透射電鏡微觀形貌如圖3 所示。 由圖3 可以看出，隨著回火保溫時間的增加， 回火組織中不穩(wěn)定組織M/A 島消失，板條馬氏體的板條寬度逐漸增加。

圖3 不同回火保溫時間下的馬氏體組織透射電鏡微觀形貌Fig. 3 TEM Microstructures of Martensite Structures at Different Holding Time in Tempering

2.2 力學(xué)性能

不同回火保溫時間下的力學(xué)性能測試結(jié)果如表2 所示。

表2 不同回火保溫時間下的力學(xué)性能測試結(jié)果Table 2 Test Results of Mechanical Properties at Different Holding Time in Tempering

有研究指出[8]，在相同的回火溫度下隨著回火保溫時間的增加， 試驗鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所下降，延伸率先上升后下降。由表2 可以看出，隨著保溫時間的增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功均先升高后降低。 當(dāng)回火保溫時間為60 min 時，強(qiáng)度最高，延伸率最大，力學(xué)性能最優(yōu)。 造成這種現(xiàn)象的原因是：①隨著保溫時間的增加， 組織中不穩(wěn)定組織M/A 島逐漸分解為穩(wěn)定態(tài)組織，對強(qiáng)度起到提升作用；但馬氏體和鐵素體均長大，對強(qiáng)度有害；同時碳化物的析出增多，細(xì)小均勻的碳化物析出可以起到析出強(qiáng)化的作用，但時間過久，隨著碳化物長大失去析出強(qiáng)化作用，則會使強(qiáng)度下降。 ②隨著保溫時間的增加，組織逐漸長大，組織越均勻則韌性越高，粗大的組織對韌性有害； 雖然碳化物的析出會使組織的耐沖擊性能提升， 但碳化物的尺寸比較大時會使沖擊功降低。

2.3 耐蝕性

不同回火保溫時間下的開路電位值如表3 所示。 由表3 可以看出，隨著回火保溫時間的增加，耐蝕性先升高后降低。

表3 不同回火保溫時間下的開路電位值Table 3 Open Circuit Potential Values at Different Holding Time in Tempering

不同回火保溫時間下的電化學(xué)阻抗圖如圖4 所示。由圖4 可以看出，不同回火保溫時間下的圓弧半徑不相同。 當(dāng)回火保溫時間為30 min 時，阻抗圖的圓弧半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于60 min 和90 min 的圓弧半徑；60 min 和90 min 時的圓弧半徑大小相差不大。圓弧半徑大小代表了耐腐蝕能力的強(qiáng)弱， 側(cè)面說明了保溫60 min 和90 min 的耐腐蝕性要優(yōu)于30 min。

圖4 不同回火保溫時間下的電化學(xué)阻抗圖Fig. 4 Electrochemical Impedance Diagrams at Different Holding Time in Tempering

結(jié)合上述實驗結(jié)果，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同保溫時間下的電化學(xué)測試結(jié)果，具體如表4所示。由表4 可以看出，開路電位、電流、等效電流密度和年腐蝕速率均隨著保溫時間的增加而先升高后降低。 綜上，當(dāng)回火保溫時間為60 min 時，開路電位處于最大值-0.360 V， 電化學(xué)阻抗圖圓弧半徑最大，耐蝕性最好。

表4 不同回火保溫時間下的電化學(xué)測試結(jié)果Table 4 Electrochemical Test Results at Different Holding Time in Tempering

3 分析與討論

綜合上述實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 回火保溫時間的增加會影響組織內(nèi)部晶粒回復(fù)與再結(jié)晶程度，馬氏體片層逐漸粗化， 組織內(nèi)部晶界會隨著馬氏體片層的粗化逐漸變得模糊， 對晶粒生長限制作用大幅減弱； 組織內(nèi)析出碳化物的形貌由細(xì)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槲㈩w粒狀且大量析出，能夠強(qiáng)化基體組織，但是保溫時間過長， 碳化物會由顆粒狀偏聚變成球團(tuán)狀，使碳化物的析出強(qiáng)化作用減弱；碳化物的析出強(qiáng)化不能夠彌補(bǔ)鐵素體、 馬氏體基體組織生長帶來的強(qiáng)度損失， 從而出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降；碳化物的球化和生長，對強(qiáng)度有害，隨著組織的生長，使組織內(nèi)部晶粒的均勻程度降低，組織的不均勻會惡化耐腐蝕能力。

4 結(jié)論

（1） 隨著回火保溫時間的增加， 馬氏體板條寬度會增大，鐵素體尺寸會增加，碳化物的析出會加劇。 當(dāng)回火保溫時間增加到90 min 時，組織中碳化物的析出最多，析出強(qiáng)化作用最強(qiáng)。

（2） 隨著回火保溫時間的增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功均會先升高后降低。 當(dāng)回火保溫時間為60 min 時，強(qiáng)度最高，延伸率最大，力學(xué)性能最優(yōu)，即回火保溫60 min 為此實驗中的最佳保溫時間。

（3） 當(dāng)回火保溫時間為60 min 時， 開路電位處于最大值-0.360 V， 電化學(xué)阻抗圖圓弧半徑最大，耐蝕性最好。