回火温度对X21CrMoV121钢组织和性能的影响

张美丽，乔成芳

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000）

回火温度对X21CrMoV121钢组织和性能的影响

张美丽，乔成芳

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000）

采用金相组织观察、常温和低温力学性能测试的方法，研究了回火温度对X21CrMoV121钢显微组织和低温力学性能的影响。结果表明，不同温度的回火热处理后，微观组织均为回火索氏体；随着回火温度的升高，材料的冲击韧性呈上升趋势，而强度及硬度逐渐下降。为了获得较好的低温冲击韧性，此类钢较好的热处理工艺应为1 050℃加热保温1 h淬火后，在720℃加热保温2 h空冷。

回火温度；显微组织；力学性能；索氏体

X21CrMoV121钢是一种德国牌号的马氏体型耐热钢，关于其国内外研究资料较少，与其相近的钢主要有X20CrMoV121和X22CrMoV121等。20世纪80-90年代欧洲国家在发电站锅炉的蒸汽集箱、蒸汽管道、涡轮机和汽轮机叶片制造中，已开始大量使用X21CrMoV121钢［1-3］。X21CrMoV121钢中的合金元素含量较高，特别是Cr元素的存在，可以使钢在空冷条件下就能获得较大的淬硬层深度，但其冷裂倾向较大，因而近年来已逐步被新型的T/P91钢所替代［4］。

此外，该由于该类钢中含有不同的合金元素，可与C形成大量稳定的M23C6型合金碳化物；特别是加入的Mo和V元素，对其固溶体再结晶温度的提高有着显著作用，同时在回火过程中析出一些特殊的M2C型合金碳化物，弥散分布在基体中，从而使此类钢的回火稳定性有所提高［5-7］。综合考虑钢中加入的不同合金元素的影响，并结合相关的文献资料，本文对不同回火温度下X21CrMoV121钢的组织及低温力学性能进行研究，为该种钢的热处理工艺及力学性能研究提供一些可参考依据。

1 试验材料与方法

本试验选用的材料为退火态X21CrMoV121钢，其化学成分（质量分数，%）见表1所示。

表1 X21CrMoV121钢的化学成分

由于X21CrMo V121钢的化学成分与X20CrMoV121钢相近，仅含碳量有所不同，所以本试验参照X20CrMoV121钢的热处理工艺，采用淬火和高温回火的方法，即调质热处理［2，8-9］。先将退火态X21CrMoV121钢在1 050℃下保温1 h，进行淬火热处理，油冷至室温；然后分别在600℃、650℃、720℃下保温2 h，进行回火热处理，空冷至室温。热处理完成后分别对不同回火温度的试样进行金相组织观察、以及硬度测试、拉伸和冲击性能的测试。

试样的金相组织观察使用硝酸：盐酸：水= 1：1：1的腐蚀剂腐蚀，在光学显微镜上进行形貌分析；并参照GB/T 228-2002采用棒状拉伸试样（Φ8 mm×113 mm），在微机伺服万能材料试验机上进行材料的拉伸性能测试；参照GB/T229-2007采用V型缺口试样（10 mm× 10 mm×55 mm），在全自动摆锤冲击试验机上进行材料的冲击性能测试；参照GB/T 231-2009在布氏硬度计上进行硬度测试［10］。

2 试验结果与分析

2.1 金相组织

为分析不同的回火温度对材料微观组织的影响，以及性能和组织之间的关系，分别对3种不同热处理后的X21CrMoV121钢进行了金相组织观察，组织形貌如图1所示。

由图1可以看出，分别经过600℃、650℃、720℃回火热处理后，钢的显微组织均为回火索氏体，但其板条的尺寸、碳化物含量及形貌有一定的区别。在600℃回火后，组织细小并有少量合金碳化物析出，呈板条马氏体形貌，但马氏体的位向不明显；650℃回火后，板条马氏体形貌开始消失，碳化物发生聚集和球化，出现了比较粗大的块状组织；720℃回火后，碳化物仍有少量聚集，但无明显的球化发生，原来组织中马氏体的板条状形貌仍然可以看到，并保持原有板条马氏体的位向特征，板条较600℃回火后的短且密集。

图1 X21CrMoV121钢的微观组织

2.2 拉伸性能

材料不同的微观组织直接会影响到材料力学性能的变化，X21CrMoV121钢在不同回火热处理后的常温和低温强度及冲击韧性见图2所示。

图2 回火温度对X21CrMoV121钢拉伸性能的影响

由图2可以看出，材料分别进行600℃、650℃和720℃回火处理后，在室温（20℃）下X21CrMoV121钢的抗拉强度和屈服强度值随着回火温度的升高而逐渐减小，其断面收缩率和断后伸长率呈先下降后上升的趋势。其中，650℃回火后冲击韧性最差，而且强度不高，主要是由于回火后粗大的马氏体组织所引起的。

同时从图2中曲线的变化可以看出，X21CrMoV121钢在-20℃～-80℃范围内，其抗拉强度和屈服强度值随着回火温度的升高逐渐降低，而断面收缩率和断后伸长率随着回火温度的升高逐渐上升。说明720℃回火热处理，可以使该种材料的低温塑性提高，但会使其强度降低。

2.3 冲击性能

冲击功是评价低温条件使用材料的一个重要性能指标，如果材料在其临界脆性转变温度以下进行使用，会发生脆性断裂的可能，所以对材料不同热处理后的低温冲击性能的研究必不可少。因此，对三种不同回火处理后的X21CrMoV121钢分别取3个试样，然后在20℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃进行冲击功测试，并取其平均值，测试结果见图3所示。

图3 回火温度对X21CrMoV121钢冲击性能的影响

由图3可以看出，不同温度回火处理后，材料的冲击功都随着试验温度的降低，呈近似直线下降；当试验温度低至-100℃时，不论回火温度大小，冲击功均小于10 J。三种热处理工艺中，X21CrMoV121钢经过1050℃×1h淬火和720℃×2h回火热处理后，其整体的冲击功值最大，具有较好的低温冲击性能。同时由图3中曲线还可看出，X21CrMoV121钢在室温（20℃）下的冲击功随着回火温度的升高呈增大趋势。

2.4 显微硬度

图4是X21CrMoV121钢分别采用三种不同回火温度保温处理2 h后的室温硬度变化情况。

图4 回火温度对X21CrMoV121钢显微硬度的影响

由图4可知，钢经过1 050℃×1 h淬火，600℃回火处理后得到的硬度较高，值为HB405，在720℃回火处理后硬度较低，值为HB320。且随着回火温度的升高，硬度值不断降低。

3 结论

通过金相组织观察和力学性能测试，X21CrMoV121钢经过不同温度回火热处理后的组织均为回火索氏体。其中，600℃回火后组织呈细小板条状马氏体，并且有少量的合金碳化物析出；650℃回火后板条状马氏体消失，碳化物开始发生聚集和球化，组织比较粗大；720℃回火后组织中板条状马氏体的形貌清晰可见，板条较短而且密集。

随着回火温度的升高，X21CrMoV121钢在室温及低温条件下的强度值逐渐减小，而塑韧性逐渐增大。其中，经1 050℃保温1 h油淬处理，720℃回火保温2 h空冷处理后的低温韧性较好，但其强度值较低。室温下X21CrMoV121钢的硬度值随着回火热处理温度的升高近似直线下降。600℃-650℃温度范围硬度下降较快，而650℃-720℃温度范围硬度下降较慢。

［1］闫志忠.X20CrMoV121钢的焊接与热处理［J］.内蒙古电力技术，2002，20（4）：41-43.

［2］浦鸿.X20CrMoV121钢热处理温度选择与性能关系［J］.电站辅机，2000（4）：37-39.

［3］孙朝远，郭鸿镇，程立维，等.X22CrMoV121马氏体不锈钢高温形变热处理工艺研究［J］.热加工工艺，2012（41）：116-118.

［4］黄晓江.风机叶轮用不锈钢低温性能研究及匹配焊材的研制思路［D］.西安：西安理工大学，2010：41-47.

［5］Park Y K，Kim K S，Park J J，et al.Creep crack growth in X20CrMoV121 steel and its weld joint［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2001（2）：191-193.

［6］Perkins K M，Bache M R.Corrosion fatigue of a 12%Cr low pressure turbine blade steel in simulated service environment［J］.International Journal of Fatigue，2005，27（10）：1499-1508.

［7］钟士红.钢的回火工艺和回火方程［M］.北京：机械工业出版社，1993：75-89.

［8］白建龙.预热、热处理对X20CrMoV121钢焊接接头的性能影响［J］.电力建设，1997（6）：53-56.

［9］胡建文，朱勋，谢吉昌.热处理对G-X22CrMoV121钢组织和硬度的影响［J］.物理测试，1999（2）：17-19.

［10］张美丽.热处理对0Cr13Ni5Mo钢组织和性能的影响［J］.商洛学院学报，2013，27（4）：24-26.

（责任编辑：张国春）

Effect of Tempering Temperature on Microstructure and Properties of X21CrMoV121 Steel

ZHANG Mei-li，QIAO Cheng-fang
（College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources，Shangluo University，Shangluo726000，Shaanxi）

The effect of tempering temperature on microstructure and low temperature mechanical properties of X21CrMoV121 steel were studied by metallographic observation，room temperature and low temperature mechanical propertiess test.The results show that after heat treatment different tempering temperature，micro organization becomes tempering sorbite，with the increase tempering temperature，the impact toughness of material is rising，the strength and hardness decrease.To achieve better lowtemperature impact toughness，the best technology of this kind of steel is to heat at 720℃for 2 h after quenching at 1 050℃for 1 h hen air-cooling.

tempering temperature；microstructure；mechanical properties；sorbite

TG174.445

A

1674-0033（2015）04-0047-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.04.013

2015-04-29

张美丽，女，陕西商南人，硕士，讲师