回火温度对热轧态高强度贝氏体钢管组织性能的影响

程晔锋，程巨强，游人杰

（1.西安工业大学材料与化工学院，陕西 西安 710021；2.江苏西创中慧液压机械制造有限公司，江苏 连云港 222000）

贝氏体组织是由铁素体和碳化物组成的非层片状组织，可以通过锻造、轧制或热处理空冷获得［1］。因此用贝氏体钢生产结构件的生产工艺简单、热处理变形小，能够节约能源和降低成本。由于典型贝氏体钢组织中存在碳化物，当碳化物存在于BF（贝氏体和铁素体）板条之间时，会降低贝氏体钢的韧性，贝氏体钢通过合理合金化，加入拟制碳化物形成元素或稳定奥氏体化元素，可以在热加工或热处理空冷过程获得无碳化物贝氏体组织［2-6］，这种新型贝氏体钢可以显著地改善典型贝氏体钢的韧性［7-8］。贝氏体钢通过回火处理可以消除组织应力、稳定组织和改善力学性能［9-13］。本文研究了回火温度对新研制的热轧态新型无碳化物贝氏体钢无缝管组织和性能的影响，为这种热轧态新型高强度无缝管回火温度的选择提供参考。

1 试验材料及试验方案

试验材料为一种新研制的Φ420 mm×16 mm贝氏体钢无缝管，钢管由厂家协作制成，试验化学成分中 w（C）为 0.09%～0.15%、w（Si）为 0.8%～1.4%、w（Mn+Cr+Mo）≤3%。贝氏体钢无缝管的生产过程为：电炉冶炼+钢包精炼（LF）+真空处理（VD）→连铸成铸锭→钢锭加热→热穿孔→连轧→定径→冷床冷却。试验材料力学性能试样均取自于Φ420 mm×16 mm热轧钢管的纵向方向。冲击试样经过线切割加工为10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样，冲击试验机为JB-300型摆锤式冲击试验机；拉伸试样先线切割成Φ12 mm×110 mm圆棒，然后机械加工成直径为8 mm的标准短拉伸试样，试验机为DDL300型拉伸试验机。金相组织观察采用NIKON EPIHOT-300显微镜，组织腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。采用Quanta 400扫描电子显微镜观察冲击试样断口及组织形貌。试验材料物相分析采用XRD-6000型X射线衍射仪。

热轧态贝氏体钢无缝管的回火热处理温度分别为：不回火，100，200，250，300，350，400，450，500，550，600，700，750 ℃，保温 1.5 h后空冷。试验仪器为CY00-1型箱式电阻炉。

2 试验结果及其分析

2.1 不同温度回火试验材料力学性能试验结果

热轧态贝氏体钢无缝管不同温度回火力学性能试验结果如图1所示。由图1（a）可以看出，热轧态不回火和100℃回火抗拉强度分别为1 014 MPa和1 043 MPa，抗拉强度变化不大；550℃以下回火，随回火温度提高，抗拉强度有下降趋势，但幅度不大，抗拉强度在983～1 023 MPa；550℃以上回火，抗拉强度下降明显，650℃回火下降到最低点794.1 MPa。热轧态管材伸长率较低，为13.5%；在300℃以下回火，伸长率有上升的趋势，伸长率为17.5%～20.0%；超过350℃回火，伸长率有下降的趋势，伸长率在15.0%～17.5%；600℃以上温度回火，伸长率上升，最高为19.5%。图1（b）所示为断面收缩率和冲击功随温度回火的变化曲线。可以看出，400℃以下温度回火，随回火温度提高，断面收缩率上升，250～400℃回火断面收缩率较高，断面收缩率在58%～61%。热轧态和100℃回火冲击值较低，冲击功AkV分别为14.5 J和15 J；350℃以下温度回火，随回火温度的升高，冲击值升高，350℃回火AkV由热轧态的14.5 J上升到32 J；400℃回火冲击功出现低谷值，出现回火脆性；回火温度超过400℃，AkV随回火温度的提高而上升，650℃回火冲击功最高，为80 J。因此，热轧态无碳化物贝氏体钢无缝管在250～350℃回火可获得较高的强韧性，抗拉强度Rm为993～1 023 MPa，断后伸长率A为19.5%～20.0%，断面收缩率Z为 58%～61%，AkV为 28～32 J；在 600～650℃回火可获得高韧性，Rm为794～826 MPa，A为15.0%～19.5%，Z为59%～61%，AkV为40～80 J。

图1 热轧态贝氏体钢无缝管不同温度回火力学性能试验结果

力学性能随回火温度变化的原因与钢管化学成分及回火过程组织变化有关，由于试验材料的Si、Mo含量较高，提高了其回火抗力，550℃以下温度回火时强度变化不大。热轧态钢管的组织为贝氏体的铁素体和残余奥氏体，350℃以下温度回火，随回火温度的提高，贝氏体的铁素体分解不明显，此时回火产物为贝氏体的铁素体和稳定化奥氏体，试验材料冲击韧性提高；当回火温度超过350℃，贝氏体的铁素体分解，部分奥氏体也发生分解，奥氏体分解产物会分布在晶界，增加脆性，降低冲击韧性，400℃出现回火脆性，超过450℃回火，基体和奥氏体组织大量分解，降低基体固溶元素的过饱和度，强度下降，同时回火分解产物粒状化，提高钢管的韧性。

2.2 回火温度对试验材料物相及组织的影响

不同温度回火试验材料XRD（X射线衍射）衍射图谱如图2所示。由图2可见，回火温度在400℃以下，试验材料的XRD衍射峰主要有铁素体峰和奥氏体峰，因此热轧态、热轧+200℃、热轧+300℃、热轧+400℃回火试验材料的物相应为铁素体和奥氏体；500℃以上回火，试验材料的XRD衍射峰主要为铁素体峰，其回火组织应该为铁素体，一般高温回火组织为粒状的铁素体和碳化物组织，由于试验材料为低碳贝氏体钢，高温回火时铁素体析出的碳化物较少，碳化物的衍射峰体现不出来。

无碳化物贝氏体钢无缝管热轧态及回火态的金相组织如图3所示。结合图2的XRD物相分析，热轧态的金相组织应为板条贝氏体、粒状贝氏体、铁素体和残余奥氏体组织（图3a）；板条贝氏体在扫描显微镜下，贝氏体的铁素体板条之间分布有残余奥氏体膜（图3b）。贝氏体的铁素体上分布有M-A（马氏体-奥氏体）岛的为粒状贝氏体。管线钢的组织中铁素体形貌分为两类［14-15］，多边形铁素体和准多边形铁素体。图3（a）所示的组织形貌中颜色白亮，呈多边形，晶界光滑是多边形铁素体；形态不规则，呈灰色，大小参差不齐，边界粗糙、模糊、凸凹不平、呈锯齿状是准多边形铁素体。

结合XRD物相分析，热轧+300℃回火的组织和热轧态组织形貌一样，组织为板条贝氏体、粒状贝氏体、少量块状铁素体和残余奥氏体组织。扫描显微镜下，板条贝氏体的铁素体之间分布有残余奥氏体膜（图3d），贝氏体的铁素体上出现细小的分解产物。

根据图3（e）和XRD物相分析，400℃回火的组织为板条贝氏体、粒状贝氏体、少量块状铁素体和少量的残余奥氏体组织，贝氏体的铁素体和部分奥氏体发生分解，在部分贝氏体的铁素体板条之间和铁素体晶界有析出第二相聚集。分解产物在板条之间和晶界偏聚会造成冲击值的降低。

图3（f）所示为500℃进行回火后观察到的金相组织。X射线衍射图谱上没有奥氏体峰，说明残余奥氏体完全进行分解；因此，500℃回火组织应为粒状贝氏体与少量块状铁素体组织，部分分解产物还保持板条状铁素体位相。

图2 不同温度回火试验材料XRD衍射图谱

图 3（g～h）所示分别为 600，650 ℃回火的金相组织。由于回火温度较高，组织粒状化，回火组织为粒状贝氏体组织和少量块状铁素体组织。

图3 无碳化物贝氏体钢无缝管热轧态及回火态组织

3 结 论

（1）对于热轧态新型贝氏体钢无缝管，回火温度小于550℃时，随回火温度提高，抗拉强度有降低趋势，但降幅不大，抗拉强度在983～1 023 MPa；超过550℃回火时，强度降低，650℃回火抗拉强度最低，为794.1 MPa。250～350℃温度回火，具有较高强度和塑性；400℃回火出现回火脆性；550～650℃温度回火可以提高热轧态贝氏体钢管的韧性。

（2）在400℃以下温度回火，贝氏体钢管的回火组织均为板条贝氏体、粒状贝氏体、铁素体及残余奥氏体组织；回火温度超过500℃时，残余奥氏体完全分解，随回火温度的提高，组织粒状化，回火组织为铁素体和粒状贝氏体组织。