5NiCrMo低温钢调质热处理工艺研究

楚觉非 ，雷晓荣 ，，何烈云 ，王青峰

（1.南京钢铁股份有限公司技术质量部，南京 21003 5；2.燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛 066004）

5NiCrMo低温钢调质热处理工艺研究

楚觉非1，雷晓荣1，2，何烈云1，王青峰2

（1.南京钢铁股份有限公司技术质量部，南京 21003 5；2.燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛 066004）

研究了5NiCrMo低温钢的调质热处理工艺，分析了回火温度对该钢组织和力学性能的影响。结果表明：试验钢经调质热处理后，形成了回火马氏体和逆转变奥氏体的混合组织。560～640℃回火时，随温度提高，屈服强度呈降低趋势，-100℃冲击功先升高、在620℃回火时达到峰值后降低。深冷后保留的逆转变奥氏体显著影响试验钢的低温韧性。拉伸和冲击性能均满足要求的回火温度是580～620℃。

低温钢；调质热处理；显微组织；力学性能；逆转变奥氏体

1 引言

近年来，随着石油化工装备向大型化的方向发展，对高强度低温钢有迫切而明确的需求。大型低温储罐因储存量大、节省投资，在国际上已经广泛应用[1-3]。新一代 Ni低温钢作为大型液化石油气船（LPG）液货舱和液化乙烯储罐的主要结构材料，要求屈服强度达到ReL≥590MPa级、抗拉强度（Rm）达到680～840MPa，-100℃冲击功不低于80J[4-5]。在传统390MPa级5Ni钢Fe-Mn-Ni合金系的基础上，添加适量的Cr、Mo等合金元素，可以使强度提高到590MPa级[6-7]，但如何使5NiCrMo钢获得良好的低温韧性，需要探索合适的热处理工艺。

5Ni低温钢常用的热处理工艺为淬火+回火的调质处理。其中，淬火温度可能影响晶粒度的大小，回火温度可能影响逆转变奥氏体的析出量及稳定性，因此，强度与韧性的匹配可能受不同淬火+回火温度的影响[8-10]。早期工作已发现逆转变奥氏体对低温钢具有显著的韧化作用。研究表明：9Ni钢经过Q T处理形成一定数量的逆转变奥氏体，是该钢具有优异低温韧性的主要因素[11-13]。Kim和Schwartz[14]认为，9Ni钢较高的低温韧性是由于逆转变奥氏体在裂纹尖端处发生了相变诱发塑性（TRIP）。Kim和 Morris[15]认为，Fe-5.5Ni合金中的逆转变奥氏体具有净化效应，从而有利于低温韧性。

本文研究了新一代590MPa级5 NiCrMo低温钢的调质热处理工艺，分析了回火温度对组织和力学性能的影响，确定了试验钢获得良好强韧性匹配的回火温度范围，探讨了该钢的低温韧化机理。

2 试验材料和试验方法

试验钢为16mm厚的5NiCrMo钢板，采用50kg真空感应炉冶炼、氩气保护铸锭、加热开坯和TMCP轧制的工艺制备。试验钢的化学成分如表1所示。

表1 5NiCrMo钢的化学成分 /wt%

采用热膨胀法测得试验钢的临界点Ac1为645℃、Ac3为775℃。调质热处理试验的具体方案如下：淬火工艺为经850℃保温45min后水冷，回火工艺为经560～640℃保温60min后空冷。

热处理后，沿样坯轧向切取Φ10mm×150mm的标准拉伸试样，按照GB/T229—2007标准，以3mm/min的恒定夹头移动速率在MTSNEW810型拉伸试验机上进行室温拉伸，测试了试验钢的常温拉伸性能。垂直于轧向切取10mm×10mm×55mm的标准冲击试样，按照GB/T13239—2006标准，在NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机上进行-100℃的冲击试验，测试了试验钢的低温冲击性能。

分别从Q、QT热处理样坯上切割金相样品，经磨制、机械抛光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在Axiover-200MAT型金相显微镜下观察了各热处理状态的显微组织。在JOEL-2010型透射电子显微镜（TEM）下观察了各热处理状态的微结构。进一步采用D-max-2500型X射线衍射仪对不同热处理样品在室温、-100℃深冷和-100℃冲击后等3种状态下逆转变奥氏体的含量进行了测定。

3 试验结果

3.1 力学性能

试验钢按8 50℃淬火5 60～6 40℃回火工艺进行调质热处理后，室温拉伸性能和-100℃冲击性能的测试结果如图1所示。

图1 5NiCrMo钢在不同回火温度下的拉伸性能

在5 60～6 20℃的温度范围内，随回火温度的升高，屈服强度（ReL）和抗拉强度（Rm）呈降低的趋势；而-100℃冲击功呈上升趋势。当回火温度进一步提高到640℃时，屈服强度和冲击功急剧下降，抗拉强度显著升高，已超出上限值。综合以上性能测试结果，调质处理5NiCrMo钢在580～620℃的回火温度范围内，常温拉伸性能和-100℃冲击性能均可满足要求。

3.2 显微组织

采用光学显微镜和TEM观察了试验钢的回火组织。试验钢调质处理后主要形成回火马氏体组织。随着回火温度的升高，回火马氏体组织逐渐粗化。当回火温度低于600℃时，马氏体板条特征比较明显。当回火温度升高到620℃时，马氏体板条合并形成块状结构（见图2（a））。当回火温度为6 40℃时，出现出现了一些粗大的块状铁素体，推测因回火温度已接近试验钢下临界点，回火时局部进入两相区。

TEM观察表明，试验钢580℃回火后，马氏体的板条特征仍较明显，多数板条内含有少量的位错，板条边界上有少量颗粒状析出物。经620℃回火后，板条马氏体特征已基本消失，并形成短棒状和条状的析出物，且大部分分布在晶界上（见图2（b））。经衍射花样标定，条状或短棒状的析出物为逆转奥氏体（见图 2（c））。

3.3 逆转变奥氏体的含量

图2 5NiCrMo钢620℃回火样品的组织观察

采用X-射线衍射仪对各调质处理样品在室温、-100℃深冷和-100℃冲击后3种状态下逆转变奥氏体（RA）的数量进行了测试，结果如图3所示。试验钢经560～580℃回火后形成少量逆转变奥氏体，高于580℃回火时，逆转变奥氏体的数量随回火温度的升高先增加，在620℃达到最大值，然后急剧减少。-100℃深冷处理后，各回火样品中逆转变奥氏体的数量均有所降低，特别是高于600℃回火时，逆转变奥氏体经深冷后数量急剧降低。据推测，QT处理后逆转变奥氏体的形成是由于钢中存在的成分起伏引起的。受点阵缺陷原子扩散和溶质原子扩散的影响，其成分起伏的程度比较小，因此逆转变奥氏体合金元素富集很少，稳定性较差，在深冷过程中大部分转变为马氏体。与较低的回火温度相比，640℃回火时形成的逆转变奥氏体稳定性更低，经深冷后，绝大部分转变成马氏体。620℃回火样品经-100℃深冷后，逆转变奥氏体的含量最高，再经-100℃冲击时，剩余逆转变奥氏体发生应变诱发马氏体转变，使冲击样品中逆转变奥氏体的数量进一步降低，但仍有一定数量的逆转变奥氏体保留下来，可见在该回火温度下试验钢中逆转变奥氏体的稳定性很高。

4 分析与讨论

从上述组织观察和性能测试结果可以看出，逆转变奥氏体对5NiCrMo钢具有显著的低温韧化作用。下面对该作用的机理进行分析。

当淬火马氏体在较低的温度下回火时，一般在马氏体板条边界附近先析出渗碳体。一般认为，渗碳体为脆性相，因此对钢的低温韧性不利。本试验钢淬火马氏体在较低的温度下回火时或在较高温度下回火的初期，一般也首先析出渗碳体，低温冲击功因此相对较低。但随着回火温度的升高，形成逆转变奥氏体时，渗碳体作为形核核心会逐渐被吸收，从而有利于低温韧性的提高，这被称为逆转变奥氏体的净化效应。

620℃回火样品在-100℃深冷和-100℃冲击后两种状态下逆转变奥氏体的含量分别为4.09%和1.72%，如图3所示。冲击后样品测试的区域为冲击产生的塑性变形区，即在该区域经深冷后保留的逆转变奥氏体已大部分转变为马氏体。在-100℃冲击过程中，裂纹尖端塑性变形区的逆转变奥氏体发生应变诱发相变，降低了裂纹尖端的应力集中，使裂纹扩展受阻；如裂纹要进一步扩展，则需要更多的能量，因此冲击功进一步提高。此外，逆转变奥氏体发生马氏体转变时，产生的相关应变会使局部应力释放，从而进一步促进韧性断裂。上述现象被称为逆转变奥氏体的TRIP效应。

图3 5NiCrMo钢在室温、-100℃深冷和-100℃冲击后的逆转变奥氏体含量

因此，5NiCrMo钢中的逆转变奥氏体因净化效应和TRIP效应而产生了显著的低温韧化作用。

5 结论

（1）5NiCrMo钢经调质处理后形成回火马氏体和逆转变奥氏体的混合组织。

（2）调质处理5NiCrMo钢满足常温拉伸性能和-100℃低温冲击性能要求的回火温度是5 80～6 20℃。

（3）逆转变奥氏体因净化效应和TRIP效应对调质处理5 NiCrMo钢具有显著的低温韧化作用。

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Study on Heat Treatment Process of Quenching and Tempering for 5NiCrMo Low Temperature Steel

CHU Jue-fei1,LEI Xiao-rong1,2,HE Lie-yun1and WANG Qing-feng2

(1.Technology and Quality Department,Nanjing Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210035,China;2.Material Science and Engineering Institute,Yanshan University,Qinhuangdao,Heibei Province066004,China)

The authors study the heat treatment process of quenching and tempering for 5NiCrMo low temperature steel and analyze the influence of tempering temperature on the steel structure and mechanical properties.Results show,after quenching and tempering treatment,a complex forms with tempered martensite as base and certain amount of reverted austenite in the tested steel.When the steel is tempered at 560-640℃,with the rise of the temperature,yield strength drops and-100℃ impact energy goes up at first and then down after hitting the peak value at 620℃.The retained reverted austenite after deep cooling prominently influences the low temperature toughness of the tested steel.The range of tempering temperature is 580-620℃in which both the tensile and impact properties can be met.

low temperature steel;quenching and tempering treatment;microstructure;mechanical property;reverted austenite

2013-01-10

2013-02-05

国家863项目（2007AA03Z506）

楚觉非（1965—），男，湖南人，高级工程师，主要从事先进钢铁材料方面的研究工作。

王青峰（1966—），男，湖北人，博士研究生，教授，博士生导师，E-mail：wqf67@ysu.edu.cn。

（编辑 潘娜）