回火温度对12Cr2Mo1钢锻件力学性能的影响*

蒙 骞，史 伟,3，俄 馨,3，张 平,3，靳海军

(1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314； 2.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室，甘肃 兰州 730314；3.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

12Cr2Mo1钢是一种重要的工业用低合金钢，主要用于承压设备的制造，如核电设备、火电设备、压力容器以及石化炼油行业的加氢反应器等，由于承压设备工作环境苛刻，需要在高温高压条件下服役， 因此要求其具有良好的力学性能，如具有较高的抗蠕变、抗氢蚀能力、同时又具有良好的力学性能和淬透性。试验通过研究不同回火温度对12Cr2Mo1钢锻件显微组织和力学性能的影响规律，确定适宜的回火工艺，以期为该材质的理论研究和实际生产提供借鉴。

1 实 验

实验用12Cr2Mo1钢的化学成分(质量分数/%)为0.12C、0.005S、0.008P、0.02Si、0.45Mn、2.26Cr、0.08Ni、0.98Mo、0.09Cu。锻件热处理状态为：正火+回火，拉伸试验采用HUT605A 型微机控制电液伺服万能试验机，按照国标GB/T229-2007要求制取冲击试样(10 mm×10 mm×55 mm)，用2602N-3金属摆锤冲击试验机进行冲击试验，金相显微镜型号为GX51奥林巴斯倒置式金相显微镜。

各试样淬火温度均为910 ℃，保温1.5 h，而回火温度分别为0 ℃、680 ℃、695 ℃、710 ℃、725 ℃、740 ℃、755 ℃、77 ℃，保温时间均为3h，模拟焊后热处理温度均为690 ℃，保温时间为26 h。如表1所列。

表1 不同编号试样回火热处理工艺

表2是经过不同回火热处理工艺后力学性能测试结果，从测试数据分析，随着回火温度的提高，强度逐渐降低，塑性指标变好，低温冲击功没有出现明显的变化，当温度超过740 ℃时抗拉强度低于标准要求值。塑性和韧性指标没有呈现较明显的变化，均符合技术规范要求。图1是不同回火温度试样的金相组织分析照片。

表2 不同回火工艺热处理后力学性能测试结果

图1 不同回火温度试样显微组织

试样经4%硝酸酒精腐蚀，放大倍数为500×，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#试样显微组织均为贝氏体回火组织。8#试样为贝氏体回火组织+少量铁素体。除了没有经过回火的1#试样外，随着回火温度的增加，贝氏体的板条结构逐渐消失，逐渐向粒状贝氏体转变。

2 分析与讨论

铬钼钢回火的主要目的是使固溶体中析出细小而弥散的碳化物相起沉淀强化作用，并使不稳定组织趋向于稳定状态，同时使合金元素在α固溶体和碳化物之间合理分配，以便在钢中进一步发挥有益作用[1-2]。

1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#试样的显微组织为均匀的贝氏体回火组织，1#试样没有经过回火而是淬火后直接进行了模拟焊后热处理，贝氏体铁素体针比较尖锐，随着回火温度的增加，板条贝氏体的形态逐渐消失，贝氏体铁素体针逐渐粗化、合并，并逐渐向粒状贝氏体转变，这与其热处理工艺是吻合的，但是8#试样的显微组织中出现少量的铁素体，在淬火和模拟焊后热处理的工艺相同的前提下，说明8#试样在770℃回火时回火温度已经达到了12Cr2Mo1钢的相变温度，显微组织中析出了铁素体，并在随后的冷却中保留了下来，因此12Cr2Mo1钢的回火温度不应过高。

1#试样没有经过回火，但是由于随后进行690℃×26 h模拟焊后热处理。因此其力学性能相比较于2#、3#、4#试样，其强度指标略高，而塑性、韧性指标没有出现明显的变化，但在实际生产中是不允许淬火后不进行回火的。5#、6#、7#、8#试样由于回火温度较高，强度指标出现了明显下降，6#、7#、8#试样抗拉强度均低于标准要求值。所有试样的塑性指标、韧性指标变化不大，均符合技术规范要求。NB/T 47008-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》标准要求12Cr2Mo1钢的回火温度是680 ℃以上，从试验数据分析在680～710 ℃内回火，均能够获得良好的性能指标，当回火温度过高时，强度指标将会受影响低于标准要求值。根据以上试验结果可知，热处理制度对12Cr2Mo1钢的性能有明显的影响，只有采用合适的回火温度，才能得到良好的综合性能。

没有经过回火的1#试样以及在不同温度下回火的2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#试样，回火组织均为贝氏体回火组织，其力学性能有所差异主要是由于碳化物在基体中分布状态的不同所导致的[3-4]。回火温度较高时，一方面碳氮化物析出粒子逐渐长大，并粗化，贝氏体铁素体基体内碳化物析出，碳浓度进一步降低，这些碳化物部分分布在铁素体基体的边沿，或者分布在原奥氏体的晶界[5]，在这种情况下位错开始脱离析出物的钉扎，因而使位错强化、析出强化效果明显减弱，同时贝氏体板条也逐渐粗化，板条之间发生合并，形成多边形铁素体，因此强度和硬度则随之下降[6-7]。因此对于1#、2#、3#、4#、5#试样而言，贝氏体板条的粗化及碳化物的析出长大不明显，其强度指标是满足标准要求的，而对于6#、7#、8#试样而言，由于回火温度较高，碳化物的长大及贝氏体板条的粗化，最终逐渐转变为粒状贝氏体，所以强度指标技术规范要求。8#试样由于回火温度已经高于相变温度，显微组织中析出铁素体，但是由于铁素体的含量较少，因此对强度的影响机理与6#、7#试样是相同的，但如果析出的铁素体数量过多，则会显著影响到钢的强度和冲击功[8]。

而对于冲击功而言，所有试样的变化不是很明显，均维持在300 J以上较高的水平上，这是由于随着回火温度的升高，板条状贝氏体向粒状贝氏体转变，均能够得到好的冲击韧性，但是如果回火温度足够高，保温时间足够长，碳化物过度长大或在原奥氏体晶界上析出的碳化物析出相较多的话，一方面容易导致在低温情况下位错在较大碳化物前的位错塞积，导致低温下的解离断裂[9-10]，另一方面位错强化、析出强化效果明显减弱[11]，这样会严重恶化钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转变温度，使钢回火脆性评定试验不合格，所以在选择合适回火温度的同时，应该避免在回火时对12Cr2Mo1钢的长时间保温。

3 结 论

通过研究不同回火温度下12Cr2Mo1钢锻件的力学性能和显微组织演变，分析了回火温度对12Cr2Mo1钢锻件力学性能的影响规律，找出了12Cr2Mo1钢锻件适宜的回火温度，得出了以下结论：

(1) 12Cr2Mo1钢宜选择在680℃-710℃的温度区间进行回火，这样能够获得良好的力学性能。

(2) 12Cr2Mo1钢在725℃-755℃的温度区间进行回火时，由于碳化物的析出长大及贝氏体板条也逐渐粗化，板条之间发生合并，形成粒状贝氏体，导致屈服强度和抗拉强度低于标准要求值。

(3) 12Cr2Mo1钢在770℃左右回火时，由于回火温度高于该钢的相变温度，其显微组织中有铁素体析出，钢的屈服强度和抗拉强度明显下降，低于标准要求值。