亚温淬火和模拟焊后热处理对14Cr1Mo钢组织及力学性能的影响

李少雨 沈 明 钱文涛 邓 伟 许 波

(中航卓越锻造(无锡)有限公司，江苏214183)

14Cr1Mo属于Cr-Mo系低合金耐热钢和抗氢钢，具有较高的强度、良好的塑性、优良的焊接性能和抗回火脆性，被广泛应用于石油化工行业的临氢设备制造。压力容器在加工过程或加工完成后都要进行焊后热处理，以改善焊接区的显微组织和力学性能，降低或消除焊接热应力和组织应力，预防迟滞裂纹的形成和扩展，提高压力容器焊接部位的可靠性和使用寿命。由于14Cr1Mo在压力容器生产制造领域使用非常广泛，且在制造过程中要进行多次焊后热处理，焊后热处理的次数必然对材料的组织和力学性能产生一定的影响，国内已经有学者对此开展了相关的研究[1-5]。本文通过研究不同模拟焊后热处理制度对经过常规热处理工艺和亚温淬火工艺的14Cr1Mo钢锻件组织和力学性能的影响。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

实验材料采用电炉(EAF)+精炼炉(LF)+真空脱气(VD)方式冶炼，对浇注钢锭进行退火、锻造开坯，并进行下料、锻造、轧制成环、锻后热处理等。从环件上制取样环，并检测锻件化学成分，如表1所示。材料回火脆化敏感性系数J系数和X系数[1,4]分别按照公式(1)和公式(2)计算，可知锻件实际回火脆化敏感性系数J=145.6，X=15.9。

回火脆化敏感性系数

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2

(1)

式中元素以×10-6代入，如0.01%应以100代入。

J=(Mn+Si)×(P+Sn)×104

(2)

式中元素以质量分数(%)代入，如0.15%应以0.15代入。

1.2 试验方法

14Cr1Mo材料的Ac1温度约为750℃，Ac3温度约为850℃，选择略低于Ac3温度的某一温度作为亚温淬火温度，常规热处理工艺淬火温度参考热处理相关手册温度范围。将经过锻后热处理的试样环分割成多段等尺寸试样，按照表2所示试验方案进行常规热处理和亚温淬火处理，由于试样尺寸相同，保温时间均设定为2 h。并按GBT 228.1—2010测试材料的强度、断后伸长率等性能，按GBT 229—2007进行冲击试验，试验温度为-20℃，按GBT 13298—2015分析各方案下的金相组织。

对按照表2中两个方案处理的试样进行力学性能检测，并分别按照690℃±14℃保温4 h进行最小模拟焊后热处理(Min. PWHT)，按照690℃±14℃保温20 h进行最大模拟焊后热处理(Max. PWHT)，保温结束后以50℃h冷却至300℃出炉。

表1 14Cr1Mo钢化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 14Cr1Mo steel (mass fraction,%)

表2 14Cr1Mo钢热处理方案Table 2 Heat treatment schemes of 14Cr1Mo steel

表3 不同试验制度下14Cr1Mo力学性能检测结果Table 3 Test results of mechanical properties of 14Cr1Mo steel under different test systems

图1 淬火+回火态试样金相组织Figure 1 Metallographic structure of quenched and tempered samples

2 试验结果

2.1 力学性能

对经过不同方案处理的试样进行力学性能检测，结果如表3所示。尽管两种试验方案所得到的力学性均能满足技术要求，但按照方案一只进行930℃淬火水冷+720℃回火空冷的抗拉强度和屈服强度最佳，断后伸长伸率较低，-20℃冲击吸收能量很高，且有一定波动。按照方案二在930℃水冷后增加一次亚温淬火，材料的强度大幅降低，但塑性和-20℃下的冲击稳定性则有所提高，即经过亚温淬火处理，14Cr1Mo材料的综合性能优于常规热处理状态下的性能。

2.2 金相组织

图1为14Cr1Mo材料按照两种试验方案分别处理后的金相组织。由图1可知，经过930℃水冷+720℃空冷处理的试样组织为粒状贝氏体组织(见图1a)，但经过930℃水冷+830℃水冷+720℃空冷处理后的试样组织为粒状贝氏体+铁素体组织(见图1b)。

3 试验结果分析

3.1 亚温淬火对组织和性能的影响

根据表1和图1结果可知，只进行930℃水冷+720℃空冷的试样强度较高，塑性较差，冲击性能波动稍大，组织为粒状贝氏体组织，而增加亚温淬火的试样其强度有所降低，但塑性有所增加，且冲击性能波动较小，其组织为粒状贝氏体+铁素体组织。由于亚温淬火是一种在Ac1和Ac3之间的两相区淬火，其淬火后得到较多的铁素体组织，而粒状贝氏体的含量有所降低，使得材料的强度降低较大，塑性和冲击韧性略有提高[6-8]。14Cr1Mo钢的常规淬火处理在生产中已经得到了应用，但往往伴随着回火脆性、低温冷脆等问题，特别是当回火脆化敏感性参数J和X数值较高时，这种现象尤其明显[1]。

图2 常规热处理后不同状态试样金相组织Figure 2 Microstructure of samples in different states after conventional heat treatment

图3 亚温淬火后不同状态试样金相组织Figure 3 Microstructure of samples in different states after intercritical quenching

3.2 模拟焊后热处理对组织和性能的影响

根据表3结果可知，经过最小模拟焊后热处理和最大模拟焊后热处理，不管是经过常规热处理还是经亚温淬火处理，14Cr1Mo材料的抗拉强度和屈服强度都有所降低，断后伸长率略有增加，且模拟焊后热处理温度一定时，随着保温时间的延长，材料的强度呈降低的趋势，断后伸长率略有变化。但经过常规热处理的试样，其冲击吸收能量有所降低，且波动较大，而经过亚温淬火处理的试样，其冲击吸收能量基本不变，且波动较小，但结果都满足技术要求。

图2为进行930℃水冷+720℃空冷处理及其最大模拟焊后热处理、最小模拟焊后热处理后的金相组织，图3为进行亚温淬火处理及其最大模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理后的金相组织。由图2可知，常规热处理后的试样经过模拟焊后热处理后，尽管14Cr1Mo材料组织仍为粒状贝氏体组织，但晶界处界面能高，钢中的合金元素以合金碳化物的形式析出，使晶界处的强度减弱，导致其强度有所降低。由图3可知，经过亚温淬火处理后再进行不同程度的模拟焊后热处理，材料中铁素体含量基本不变，尽管基体组织为粒状贝氏体组织，但由于其含量较常规热处理状态下的贝氏体含量少，尽管伴随着合金碳化物的析出，但材料的强度、塑韧性对其敏感性较常规热处理状态已经有较大的降低，这也是经过不同保温时间的模拟焊后热处理，亚温淬火后的试样冲击性能基本不变的主要原因[2-3,5]。

4 结论

(1)14Cr1Mo钢经过亚温淬火处理，材料的强度比常规热处理后的强度降低50 MPa左右，但其塑性和低温冲击韧性有所提高，且冲击值波动变小，材料的综合力学性能优于只进行常规热处理时的性能。

(2)常规热处理时，14Cr1Mo材料为粒状贝氏体组织，经过亚温淬火处理后，基体组织为粒状贝氏体组织，但组织中含有大量的游离铁素体。

(3)当模拟焊后热处理温度一定时，14Cr1Mo材料的抗拉强度、屈服强度随着模拟焊后热处理保温时间的延长呈降低的趋势，断后伸长率则略有变化。常规热处理下的试样经过模拟焊后热处理，冲击吸收能量波动较大，而亚温淬火后的试样经模拟焊后热处理，冲击吸收能量波动较小。