2.25Cr1Mo钢韧脆转变温度影响因素分析

2011-01-23沈冬冬袁泽喜

武汉科技大学学报 2011年6期

沈冬冬，袁泽喜

（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北武汉，430081）

Cr Mo类钢作为石化等行业常用的大型压力容器材料，由于长期工作于高温高压临氢环境会产生明显的第二类回火脆性，其主要表现为室温冲击韧性迅速下降以及韧脆转变温度升高[1]。有关研究认为，造成材料韧脆转变温度变化的主要因素有材料的组织、硬度及杂质原子的晶界偏聚等[2－3]。为进一步弄清Cr Mo类钢韧脆转变温度的变化规律，本文对2.25Cr1Mo钢这种典型的压力容器材料在时效过程中韧脆转变温度的变化及其影响因素进行了研究。

1 试验方法

1.1 试验

材料为实验室真空感应炉熔炼的2.25Cr－1Mo钢，其主要化学成分如表1所示。将熔炼后的钢样于1 200℃热处理炉中均热2.5 h后轧制，开轧温度为1 100℃，终轧温度为900℃，轧制成16 mm×200 mm×Lmm的钢板，再加工成16 mm×16 mm×150 mm的试样，对试样进行正火（920℃保温50 min，空冷）、淬火（980℃保温30 min，油冷）处理，然后在三种不同条件下进行时效处理，1＃试样为650℃时效处理2 h，水冷；2＃试样为560℃时效处理100 h，水冷；3＃试样为480℃时效处理1 200 h，水冷。

表1 2.25Cr1Mo钢主要化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of experimental material

1.2 分析检测

将时效处理后的3组试样分别取出少量加工成标准俄歇试样，用PERKIN－ELEMER PHI 595俄歇能谱仪进行俄歇能谱分析，其余加工成标准的10 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口冲击试样，在JBG－300型冲击试验机上进行系列冲击试验。用HR－150A型洛氏硬度计对3组试样进行硬度测试，用Axioplan 2型多功能ZEISS金相显微镜结合QUANTA 400型扫描电子显微镜（SEM）对3组试样进行显微组织观察和断口表面形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 不同时效处理条件下韧脆转变温度比较

2.25Cr1Mo钢的Akv（冲击吸收功）－T曲线如图1所示，由图1中试验结果，按能量法，取试样低阶能和高阶能均值对应的温度，即冲击吸收功上下平台均值对应的温度为2.25Cr1Mo钢的韧脆转变温度。1＃试样650℃时效2 h后韧脆转变温度为－55℃；2＃试样560℃时效100 h后韧脆转变温度为－25℃；3＃试样480℃时效1 200 h后韧脆转变温度为－10℃。由此可见，不同的时效工艺下，试验钢的韧脆转变温度明显不同，其中，1＃试样650℃时效2 h后的韧脆转变温度最低，3＃试样480℃时效1 200 h后韧脆转变温度最高。

2.2 金相组织与硬度对韧脆转变温度的影响

3组2.2 5Cr1Mo钢显微组织照片如图2所示。从图2中的显微组织照片可以看出，各组试样显微组织主要为板条状马氏体，晶粒大小基本不变，只是随时效时间的延长，有少量板条分解，个别晶粒呈现粒状，总体来说，相组织和晶粒尺寸无明显变化，表明2.25 Cr1Mo钢具有较好的组织稳定性。1＃～3＃试样的硬度值（HRC）分别为22.9、23.2和23.4，3组2.25Cr1Mo钢洛氏硬度值相差不大，HRC值仅相差0.2～0.5，这表明，2.25 Cr1Mo钢显微组织及硬度与其韧脆转变温度不呈明显关联。

2.3 扫描断口形貌及俄歇能谱分析

对处于韧脆转变温度附近的试样冲击断口作扫描电镜分析，利用俄歇能谱仪测试试样中主要元素在晶界处的分布。试样冲击断口形貌照片如图3所示，试样俄歇能谱曲线如图4所示。从图3中可以看出，1＃试样基本上未出现沿晶脆断，脆性断裂方式主要以解理为主；2＃、3＃试样有明显的沿晶断裂。从图4中可看出，1＃试样中P的俄歇能谱峰不明显（图4（a）），表明P在该晶界处未发生大量聚集；2＃、3＃试样中出现了明显的P的俄歇能谱峰（图4中（b）、（c）），表明P在该晶界处发生了明显的偏聚。

图2 2.25Cr1Mo钢显微组织照片Fig.2 Microstructures of the test steel

依据元素浓度同俄歇谱线峰值间的关系，可由式（1）[4]求出该元素的原子百分比浓度。

式中：C′i为近似晶界偏聚浓度；Hi为i元素的俄歇谱峰值；Ki为各元素的灵敏度因子。

图3 试样冲击断口形貌照片Fig.3 SEM images of impact fracture

由式（1）计算出2＃试样在晶界处的P原子偏聚浓度为17.5%，3＃试样在晶界处的P原子偏聚浓度为28.4%。众所周知，P是钢中主要的脆性元素，它在晶界处的偏聚使晶界结合力降低而变得薄弱[5]，从而导致使材料的韧脆转变温度升高，非硬化脆化效应产生[6]，且浓度越高该效应越明显。

综合分析试样扫描断口形貌及俄歇能谱试验结果，经短时间时效处理的1＃试样，晶界处P原子偏聚行为不明显，晶界内聚力未降低，晶界强度高于晶内强度，故断裂从晶内开始（图3（a））；经560℃时效100 h的2＃试样和480℃时效1 200 h的3＃试样，晶界处P原子偏聚浓度升高，晶界内聚力降低而脆性增大，晶界强度低于晶内强度，因而发生从晶界开始的沿晶断裂（图3中（b）、（c））。显然，3＃试样的P原子晶界偏聚浓度最大，韧脆转变温度最高。