锻态2.25Cr1Mo 0.25V钢奥氏体晶粒长大规律的研究

闫佳佳 安红萍

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

2.25Cr1Mo 0.25V钢是国际上新近发展起来的高温高压反应器大锻件材料，在强度、抗氢性能、抗回火脆化能力、抗氢致剥离能力等方面都较2.25Cr1Mo钢有明显提高。大锻件的成形要经过反复的加热和多次变形才能实现。在变形间歇和回炉加热过程中，材料的内部组织会发生变化。变形过程中产生的细化组织会在该阶段发生晶粒长大，而奥氏体晶粒长大会降低大锻件的力学性能[1]。本文主要研究了经总锻比为9.79的多向锻造工艺加工后的2.25Cr1Mo0.25V钢在不同温度、不同保温时间下的晶粒长大规律，制定合适的锻造温度和加热时间，确保锻件的质量，并建立了晶粒长大模型，预测晶粒长大规律。

1 试验材料及过程

1.1 试验材料

试验材料为2.25Cr1Mo 0.25V钢，其化学成分如表1所示。

1.2 材料状态及锻后热处理

实验用的2.25Cr1Mo 0.25V钢是由铸态材料经总锻比为9.79的多向锻造工艺加工而成。

为了防止变形、开裂，提高锻件的尺寸稳定性，消除因变形加工而产生的残余内应力，将锻后的试样加热到850℃，保温1 h后，随炉冷却到500℃后，出炉空冷。

1.3 晶粒粗化及测定

将按照前述工艺加工处理后的材料加工成15 mm×15 mm×15 mm的小方块，把所有试样加热到940℃，保温2.5 h，取出后水淬，将其作为初始晶粒尺寸，尺寸为12.665 6 μm。金相组织如图1所示。然后再将试样分别在950℃、1 000℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃温度下保温0.5 h、1 h、3 h、5 h、8 h后进行水淬处理，经研磨抛光后用过饱和苦味酸、活化剂及蒸馏水按一定比例配制成的溶液在40℃的水浴中侵蚀，在光学金相显微镜下观察，显示出原奥氏体晶界后，按照ASTM晶粒度测量标准，采用定量金相法测出平均晶粒截线长度D(单位mm)，计算相应的晶粒度等级。

表1 试验用2.25Cr1Mo 0.25V钢的化学成分 (质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 2．25Cr-lMo-0．25V steel for test(mass faction,%)

图1 初始晶粒(100×)Figure 1 Initial grain(100×)

图2 加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响Figure 2 The influence of heating temperature on austenite grain size

图3 不同温度下保温1h的金相组织(200×)Figure 3 Metallographic structure under holding for 1 hour at different temperatures(200×)

图4 保温时间对晶粒长大的影响Figure 4 The influence of holding time on grain growth

2 实验结果

2.1 晶粒尺寸随加热温度的变化规律

试样经不同温度加热和不同时间保温、水淬后，奥氏体晶粒平均尺寸随温度的变化趋势如图2所示。从图2可以看出，温度较低时，平均晶粒尺寸较小，随着温度的升高，平均晶粒尺寸逐渐增大。当温度达到1 250℃、时间≥5 h时，晶粒尺寸均可达到120 μm，而后不再发生变化。

从图3可以看到，在950℃时，晶粒中能看到原始奥氏体晶界，一些细小的晶粒开始沿着晶界形成。当温度达到1 000℃时，原始晶界已经被新形成的晶粒所覆盖，已经形成的细小晶粒也开始向晶粒内部长大。当温度在1 100℃时，组织中出现少量的混晶。温度达到1 150℃时，晶粒尺寸出现明显的增大现象。达到1 250℃时，晶粒尺寸已经达到120 μm。

这是因为在低温阶段V、Nb、Ti等合金元素形成的碳氮化物和第二相质点的钉扎作用，晶粒尺寸变化不明显。在温度升高的过程中，部分第

二相粒子溶解，用于阻碍晶粒粗化的第二相质点的体积分数降低，使得晶粒急剧长大[2]。当达到1 250℃、晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力相平衡时，奥氏体晶粒达到稳定尺寸。

2.2 晶粒尺寸随保温时间的变化规律

图4是平均晶粒尺寸随保温时间的变化规律。图5所示为加热温度为1 200℃、不同保温时间下的组织图。

图5 加热温度为1200℃、不同保温时间下的组织图(100×)Figure 5 Microstructure under heating temperature 1200℃ and different holding times (100×)

从图4可以看出，保温时间在0.5 h～3 h之间时，平均晶粒尺寸的增长是比较明显的。当时间在5 h后，晶粒尺寸的变化趋于平稳状态。从金相组织中可以看到，在100倍下相同的视场内，随着保温时间的延长，晶粒尺寸明显增大，晶粒个数逐渐减少。

从图2和图4可以看出，加热温度对平均晶粒尺寸的影响明显大于保温时间。在实际工艺中，主要通过调整加热温度获得所需要的金相组织，保温时间则作为辅助手段。

3 晶粒长大模型的建立

目前预报奥氏体晶粒正常长大晶粒尺寸多采用Sellars模型[3]：

式中Dt、D0分别为保温时间0 s和ts的晶粒平均直径(μm)；n、A为相关系数；R为气体常数(8.314 J/mol.K)；Q为晶粒生长激活能(J/mol)。

由于本试验中的初始晶粒尺寸与保温t时刻后的长大晶粒尺寸相比较小，可以忽略保温过程中的晶粒长大，即D0可以省略[4]。因此晶粒直径与温度、保温时间有如下的近似关系：

当时间一定时，对式子两边取对数，则有：

图 6 lnD与1/T的关系Figure 6 The relationship between lnD and 1/T

图6为在不同保温时间下lnD与1/T的关系。拟合后基本呈直线关系，且斜率很接近。将直线斜率取平均值，即Q/nR=10 960.65，将其代入上式中，采用实验得到的数据进行拟合可得出：A=1.21×1010，n=2.646。由此可以得到Q=241 121.5 J/mol。故锻态2.25Cr1Mo0.25V钢的晶粒长大模型方程为：

4 总结

(1)该钢的粗化温度达到了1 100℃，当时间一定时，随着加热温度的升高，晶粒平均尺寸逐渐增大。当温度达到1 250℃、尺寸达到120 μm后，晶粒不会再有明显的长大规律。在不同的加热温度下，晶粒尺寸在一定的时间内迅速增加，而后增大趋势越来越缓慢。

(2)加热温度对平均晶粒尺寸的影响明显大于保温时间。在实际工艺中，主要通过调整加热温度来控制晶粒的大小变化。

(3)应用Sellars模型建立了锻态2.25Cr1Mo0.25V钢的晶粒长大动力学模型，为研究晶粒的长大规律提供了理论依据。

[1] 焦永振.铸态2.25Cr1Mo0.25V钢热变形过程中组织演变的研究[D].太原：太原科技大学，2012:51.

[2] 周维海，王存宇，等.2.25Cr1Mo0.25V钢晶粒长大规律[J].金属热处理，2005，30(11):37.

[3] L Gavard，F Montheillet，J Le Coze . Recrystallization and grain growth in high purity austenitic stainless steels.Scripta Materialia，1998，39(8)：1095-1099 .

[4] Hee Y. Kim and Soon H.Hong. High temperature deformation behavior and microstructural evolution of Ti-47Al-2Cr-4Nb intermetallic alloys. Scripta Materialia，Vol.38，(1988)，No.10，pp.1517-1523.