回火工艺对Cr-Mo-V钢组织和力学性能的影响

2022-04-28王景琨黄海樊湘芳王浩

机械工程师 2022年4期

王景琨，黄海，樊湘芳，王浩

（南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001）

0 引言

Cr-Mo-V钢属于低合金钢，具有高强度、高抗氧化性、高耐蚀性能和优异的热疲劳性及良好的强韧性匹配，被广泛应用于环境条件恶劣要求苛刻的深井及超深井石油开采设备制造等行业[1-3]。Cr-Mo-V钢在使用前进行适当的热处理，可使其强度和韧性达到合理的匹配，以保证油气井在运行时的安全可靠。文献[4]～[7]介绍了Cr-Mo-V钢在使用前进行的精细化调质处理，特别是在回火工艺过程中合理控制回火工艺参数，可以直接影响Cr-Mo-V钢最终的微观组织特征，从而使Cr-Mo-V钢获得所需要的强度与韧性的最佳组合。本文对国内某钢管厂生产的一种低合金Cr-Mo-V油套管钢进行回火工艺试验，探讨了回火温度和回火时间对其显微组织特征及力学性能的影响规律，找到最合适的回火工艺参数，为企业生产提供实验依据。

1 试验材料及方法

试验材料为轧制态低合金Cr-Mo-V钢，化学元素组成如表1所示。其生产要求为：抗拉强度≥1034 MPa，屈服强度为965～1172 MPa，延伸率≥12%，0 ℃时横向冲击性能≥60 J（期望不小于100 J）。依据化学成分利用JMatPro软件进行模拟计算[8-9]，得到材料的固态相变临界点为：Ac3=895.8 ℃，Ac1=844.5 ℃，Bs=602.6 ℃，Ms=402 ℃，Mf=291.2 ℃。

表1 试验材料的化学成分质量分数%

对Cr-Mo-V钢进行热处理。淬火：910 ℃+30 min，水冷。回火：660 ℃+不同回火时间，如表2所示。热处理采用KSW-4D-11电阻炉。用WAW-300万能试验机进行拉伸试验，拉伸试样按照规定制成标准样。冲击韧性的测试在JB-30B冲击试验机上，冲击试样按照标准制成V形缺口标准试样。对热处理后的试样利用砂纸逐级打磨、抛光后进行腐蚀，吹干后再利用DM 600M金相显微镜和JSM- IT100扫描电镜观察其微观组织形貌。

表2 不同回火时间工艺方案

2 试验结果及分析

2.1 回火时间对力学性能及组织的影响

经过910 ℃淬火30 min后，分别回火保温不同的时间，空冷后对试验样品进行拉伸试验和冲击试验，检测的结果如表3和图1所示。为了保证试验检测数据的可靠性，做3次低温冲击试验，综合其数据进行分析。从图2中可以看出，在回火温度为660 ℃的情况下，随着回火时间的增加，抗拉强度和屈服强度（Rt0.7）的变化趋势大致相同：随着回火时间的增加，强度值先减小，然后再增加，最后再减小。同时从图2中也能得出，随着回火温度的不断升高，冲击功先增加、后减少。从表3可以看出，在回火时间为60 min的情况下的屈服强度和抗拉强度最高，符合试验钢要求，但冲击功最小满足不了期望值。在回火时间为120 min时，虽然屈服强度与抗拉强度都减小了150 MPa左右，但冲击功却达到了最大值，而试验钢需要比较好的强度和韧性匹配，因此回火时间120 min为最佳回火时间。

表3 不同回火时间力学性能检测结果

为了进一步研究回火时间对试验钢力学性能的影响，对回火时间60 min 和 120 min 进行显微组织观察，以1号试样和2 号试样为例，如图2所示。由图2 可见，1号试样和2号试样的微观组织均为典型的回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。从图中可以看出，随着回火时间的延长，碳化物不断析出，且析出物尺寸增加会占据先前板条马氏体边界的位置，促使马氏体不断合并变粗，总量减少，促使板条边界变模糊。从图中可看出，与回火时间120 min相比，回火时间60 min析出物的数量比较少，尺寸也小，因而弥散强化的作用较低，因而屈服抗拉强度高，韧性比较差。同时，随着马氏体板条宽度的增加，界面的面积减小，而界面可以延缓位错的运动，使得马氏体得到软化，从基体中析出的小碳化物可以增强微裂纹萌生的临界解理应力，因此屈服强度和抗拉强度降低，冲击功变大[10]。另一方面，在回火时间增加到120 min时析出物不断增加，碳原子不断地与试验钢中的合金元素结合，以碳化物的形式从饱和α固溶体中析出，使基体中的固溶碳含量减少，促使碳原子固溶强化的效果减弱。而析出的碳化物所产生的弥散强化不足以匹配先前碳原子固溶强化的作用，所以最终导致屈服强度和抗拉强度减小[11]。

图2 不同回火时间显微组织图

2.2 回火温度对力学性能及组织的影响

由前面试验可知，回火时间为120 min时，试验钢综合性能最好，因此选择回火时间为120 min，研究回火温度对力学及组织性能的影响。详细的工艺方案如表4所示。对不同回火温度过后的试验样品进行拉伸试验和冲击试验，试验检测结果如表5所示。

表4 不同回火温度工艺方案

表5 不同回火温度下力学性能检测结果

由表5和图3可以总结得出，随着回火温度的增加，抗拉强度和屈服强度（Rt0.7）先增加，然后逐渐减小。在回火温度为660 ℃时，试验钢的抗拉强度为1039 MPa，屈服强度为990 MPa；当回火温度增加到665 ℃时，抗拉强度和屈服强度分别增加了79、82 MPa，达到了峰值，继续增加回火温度，强度会逐渐下降。同时不难看出，随着回火温度的增加，冲击功先增加，在回火温度为665 ℃时冲击功为一个小峰值，回火温度在665～670 ℃时冲击功开始下降，当回火温度大于670 ℃时冲击功又开始不断上升。通过对比分析可以看出，在力学性能均达到要求时，回火温度为665 ℃时冲击功达到最大（144 J），能更好地满足试验钢强度与韧性的匹配。

图3 不同回火温度力学性能趋势

图5（a）为试验中最佳回火温度665 ℃的显微组织，从金相图中可以看出其显微组织分布比较均匀，且大多数为回火索氏体，且原马氏体边界十分模糊, 难以分辨。马氏体板条宽度、位错密度、尺寸和碳化物类型是影响钢强度和韧性的主要因素[12-13]。利用扫描电镜进一步观察（如图5（b））可以看到，原相邻板条状的淬火马氏体的板条边界随着碳化物沿边界的析出分解并且相互合并，先前的马氏体位向开始消失，由于缺陷组织的再结晶和恢复，板条组织的边界几乎消失，马氏体片间模糊不清，其界面特征消失[14-15]。随着过饱和碳原子的不断析出和扩散，以大量细小碳化物的形式存在于晶界和基体上，没有发生明显的回复再结晶现象，因此得到了较好的强韧性。