12Cr2Mo1R压力容器钢动态CCT曲线研究

王 敏，徐 光，胡海江，周明星，张 益

(1．武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉430081;2．武汉科技大学 高性能钢铁材料及其应用湖北省协同创新中心，武汉430081)

钢的连续冷却转变(CCT—Continuous Cooling Transformation)曲线能够系统反映冷却速度对相变开始点、相变进行程度和相变所得组织的影响规律，可较好地模拟实际生产条件，为制订实际生产工艺提供参考．为了在控冷后获得所需的组织和性能，对热变形奥氏体连续冷却转变的研究变得十分重要，也是制定合理变形工艺制度的前提条件．因此，研究人员对各种金属材料的CCT 曲线进行了研究［1～6］，有的还精确绘制了CCT曲线［7］．

石油、化工、煤炭液化和气化等行业主要生产设施有容器和管道．此类容器内主要为含氢的气态或液体介质，这些介质在高温高压下完成合成或裂解等化学反应，这些容器通常称为临氢设备或容器．制造临氢设备用的钢板称为临氢钢，也称临氢压力容器钢或加氢反应器用钢．石油、化工行业中典型的临氢精炼装置有:反应器、分离塔、吸收塔、热交换器等．加氢反应器是临氢装置设备中最为关键的设备，其使用条件苛刻，材料长期处于高温、高压及临氢工况下．热壁加氢反应器大多采用铬钼钢制造，根据使用温度和压力的差异选用不同的Cr－Mo 钢，其中12Cr2Mo1R 压力容器钢板最为常用．目前，对该钢种CCT 曲线的研究较少，蒋善玉研究了一种临氢压力容器钢CCT 曲线［8］，奥氏体变形后，铁素体和珠光体转变温度升高，同时，贝氏体转变温度升高．

本文研究了12Cr2Mo1R 钢的动态CCT 曲线，分析了奥氏体变形对连续冷却转变的影响，CCT的测定和分析为该钢种热加工工艺和热处理工艺制度的制定提供依据．

1 实验材料和方案

实验材料为12Cr2Mo1R 压力容器钢，其化学成分(质量分数/%)为0.091C、0.09Si、0.34Mn、0.008P、0.005S、2.118Cr、0.978Mo．将实验钢加工成Φ7 mm×12 mm 的圆柱体试样，在Gleeble－1500 热模拟机上进行实验．动态CCT 曲线的热模拟实验工艺见图1，将试样以5 ℃/s 加热至1 100 ℃保温15 min，然后以5 ℃/s 冷却到900 ℃，以5 s－1变形速度变形50% 后，分别以0.1、0.5、1、5、10、20、30 ℃/s 的冷速冷却至室温，记录试样冷却过程中的膨胀、温度、时间等数据．

将热模拟实验后的试样切割、镶样、研磨，再经抛光机抛光，最后用4%的硝酸酒精溶液侵蚀成金相试样，在ZEISS 光学显微镜下观察组织形貌．

图1 动态CCT 曲线热模拟实验工艺Fig.1 Thermal simulation experiment scheme for dynamic CCT curve

2 实验结果

2.1 金相组织图

变形奥氏体试样在不同冷却速度下获得的组织见图2，表1 给出了不同冷却速度下对应的组织．

图2 变形奥氏体在不同冷速下(℃/s)连续冷却的转变组织图Fig.2 Morphology of structures of test steel at different cooling rates(℃/s)

表1 变形奥氏体连续冷却转变组织Table 1 Structures of test steel at different cooling rates

2.2 连续冷却膨胀曲线

随着温度的变化，钢铁材料将发生热胀冷缩现象．当钢发生固态相变时，常伴随着体积的不连续变化，从而引起热膨胀的不连续变化，因此通过分析热膨胀的变化就可以研究相变的情况［9］．用切线法取膨胀曲线的拐点来确定相变临界点．图3a 和3b 分别为变形奥氏体冷却速度为10、20 ℃/s 时的膨胀曲线，根据膨胀曲线拐点及其对应的组织，可以确定不同冷速下变形奥氏体连续冷却的相变点(表2)．

2.3 动态CCT 曲线

根据表2 中膨胀曲线确定的相变点，用origin软件绘制实验钢种的动态CCT 曲线(图4)．

图3 动态热模拟的连续冷却膨胀曲线和冷却速度Fig.3 The dilatometric curves of thermal simulation experiment at different cooling rates

表2 变形奥氏体连续冷却相变点Table 2 Phase transformation point at different cooling rates

3 分析与讨论

2Cr2Mo1R 钢变形后，奥氏体连续冷却时发生三种不同类型的转变，即过冷奥氏体向铁素体和珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变．冷却速度在0.1～0.5 ℃/s 时，转变产物为铁素体和珠光体，转变开始温度在851～870℃之间，转变结束温度在708～718 ℃之间，且随着冷却速度的增大，铁素体与珠光体组织逐渐细化．当冷却速度增加到1 ℃/s 时，开始出现贝氏体组织，但仍然有较多的多边形铁素体不连续地分布在贝氏体之间，铁素体晶粒尺寸基本相同．当冷却速度达到5 ℃/s时，由于冷速较大，很难发生铁素体转变，组织由贝氏体和极少量的铁素体组成．当冷却速度增加到10 ℃/s 时，不能发生铁素体转变，组织为贝氏体和马氏体．冷却速度继续增加到20 ℃/s时，组织为马氏体和少量的贝氏体．冷却速度达到30 ℃/s 时，转变产物全部为马氏体．

图4 动态CCT 曲线Fig.4 Dynamic CCT curve of test steel

图5 为本实验钢种的静态CCT 曲线．与静态CCT 曲线相比，动态CCT 曲线的铁素体与珠光体区向左上方移动，贝氏体和马氏体转变温度降低．奥氏体变形增大了奥氏体的缺陷密度，使得畸变能增加，有利于铁原子和碳原子的扩散［10］．此外，变形奥氏体内产生大量变形带，为形核提供了更多有利位置，使得铁素体和珠光体的形核速率增加，从而缩短了铁素体和珠光体转变的孕育期，且转变温度提高，转变后的组织更加细小．

图5 实验钢种的静态CCT 曲线Fig.5 Static CCT curve of test steel

蒋善玉研究了同一压力容器钢的CCT 曲线，发现奥氏体变形后，贝氏体转变温度升高［8］．但本研究结果表明，奥氏体预变形使贝氏体转变温度降低．奥氏体变形加快了铁素体和珠光体转变，多余的碳原子扩散到未转变的奥氏体中，使未转变奥氏体中固溶了更多碳原子;碳原子浓度增大，奥氏体相趋于稳定．此外，变形奥氏体晶粒破碎，位错密度增加，抑制了贝氏体长大，奥氏体的化学稳定化和机械稳定化的共同作用使贝氏体转变温度降低．

对于马氏体相变，Bhadeshia［11，12］认为奥氏体预变形后引起奥氏体的力学稳定化，使马氏体转变受阻，马氏体转变开始温度降低．形变使基体位错密度增加，成为切变的阻力，因而降低Ms．同时马氏体相变是一种原子沿相界面作协作运动使发生形状改变的相变，相变时，由于基体强化，使不易协作应变，则马氏体继续形成和长大都发生困难［13］．

4 结 论

用热膨胀法测定了12Cr2Mo1R 压力容器钢的动态连续冷却转变(CCT)曲线，观察和分析了不同冷却速度下的相变和组织，绘制了实验钢种的动态CCT 曲线，得到以下结论:

(1)奥氏体变形后，铁素体和珠光体转变孕育期缩短，转变温度升高，转变区域向左上方移动;

(2)由于奥氏体化学稳定化和机械稳定化的共同作用，奥氏体变形后贝氏体转变温度降低;

(3)由于奥氏体机械稳定化的作用，奥氏体变形后马氏体转变开始温度降低．

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