將12Cr1MoV鋼加熱至不同溫度(650，750，850，950，1050，1150℃)保溫3h并分別進(jìn)行空冷和水冷來模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火燒過程，采用金相檢測(cè)、小沖桿試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)試研究了火燒溫度和冷卻方式對(duì)試驗(yàn)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，空冷和水冷方式下試驗(yàn)鋼的顯微組織均主要為鐵素體、珠光體和碳化物，強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度隨火燒溫度的變化很??；在空冷方式下，當(dāng)火燒溫度高于750℃時(shí)，隨著火燒溫度升高，試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸變大，珠光體含量增加，使得強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率降低；在水冷方式下，當(dāng)火燒溫度高于750℃時(shí)，試驗(yàn)鋼組織中出現(xiàn)馬氏體，隨著火燒溫度升高，馬氏體含量增加，試驗(yàn)鋼強(qiáng)度和硬度提高，斷后伸長(zhǎng)率降低。
1、試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為12Cr1MoV鋼，試樣表面尺寸為30mm×30mm，熱處理狀態(tài)為1000℃正火+730℃高溫回火。采用馬弗爐將試樣分別加熱至650，750，850，950，1050，1150℃保溫3h，再分別進(jìn)行空冷和水冷，以模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火燒過程。
在模擬火燒前后的試樣上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用由體積比為1∶1∶1的HNO3、HCl和H2O組成的混合溶液腐蝕15s后，采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織，利用金相檢驗(yàn)軟件測(cè)定顯微組織中珠光體和鐵素體含量。采用電火花方法將試樣加工成直徑為10mm、厚度約為0.7mm 的小圓片，再用砂紙打磨至厚度為(0.5±0.005)mm，采用圖1所示裝置進(jìn)行小沖桿試驗(yàn)。壓桿在傳動(dòng)系統(tǒng)作用下施壓于直徑0.25mm的小鋼珠，使小鋼珠以0.5mm·min-1速度沖壓小圓片試樣，使試樣發(fā)生變形直至破裂。在沖壓過程中，由位移傳感器記錄上下表面位移，力傳感器獲取壓桿載荷，從而獲得載荷-位移曲線。
按照GB/T 228.1—2010，在模擬火燒前后的試樣上截取拉伸試樣，標(biāo)距為25mm，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，屈服前的應(yīng)變速率為0.00025s-1，屈服后通過橫梁位移控制拉伸速度為4.2mm·min-1。采用萬(wàn)能硬度計(jì)測(cè)試維氏硬度，載荷為10N，保載時(shí)間為10s，測(cè)試3次取平均值。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 顯微組織
由圖2可以看出，原始熱處理態(tài)(模擬火燒前)試驗(yàn)鋼的顯微組織為鐵素體、珠光體和顆粒狀碳化物。在空冷條件下，當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織未發(fā)生明顯變化，珠光體在晶間分布均勻，碳化物主要分布在鐵素體表面，鐵素體晶粒尺寸較均勻；當(dāng)火燒溫度高于750℃時(shí)，隨著火燒溫度的升高，鐵素體表面碳化物減少，珠光體和鐵素體晶粒尺寸增大；珠光體在火燒溫度850，950℃下呈聚集的塊狀，在火燒溫度1050，1150℃下出現(xiàn)輕度球化，并聚集為大顆粒狀。經(jīng)測(cè)定：原始熱處理態(tài)試驗(yàn)鋼中珠光體的面積分?jǐn)?shù)在5%~10%；經(jīng)650，750，850，950，1050，1150℃模擬火燒并空冷后，試驗(yàn)鋼中珠光體的面積分?jǐn)?shù)分別在5%~10%，5%~10%，10%~15%，15%~20%，20%~25%，25%~30%?？梢娍绽錀l件下，當(dāng)火燒溫度高于750℃時(shí)，珠光體含量隨火燒溫度升高而增加。
由圖3對(duì)比圖2可以看出：在水冷條件下，當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織與原始熱處理態(tài)組織相似，由鐵素體、珠光體和碳化物組成；當(dāng)火燒溫度升高至850℃時(shí)，試驗(yàn)鋼組織變?yōu)轳R氏體和鐵素體；當(dāng)火燒溫度為950，1050，1150℃時(shí)，試驗(yàn)鋼組織為板條狀馬氏體、殘余奧氏體和少量鐵素體。
12Cr1MoV鋼的奧氏體相變開始溫度 為776℃，終了溫度為885℃。在850℃及以下溫度保溫時(shí)組織奧氏體化程度低，水冷后組織中未發(fā)生相變的鐵素體含量較高；當(dāng)火燒溫度高于885℃時(shí)，3h的保溫時(shí)間不足以實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化，組織中仍有少量鐵素體未發(fā)生相變。經(jīng)測(cè)定，在水冷條件下，當(dāng)火燒溫度分別為650，750，850，950，1050，1150℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中鐵素體的面積分?jǐn)?shù)分別為90%，90%，45%，10%~15%，5%~10%，<5%?？梢?，在水冷條件下，當(dāng)火燒溫度高于750℃時(shí)，鐵素體含量隨火燒溫度的升高顯著減少，相應(yīng)的馬氏體含量增加。
2.2 力學(xué)性能
由小沖桿試驗(yàn)得到模擬火燒前后試樣的載荷-位移曲線見圖4，基于最大載荷和最大位移，由經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式計(jì)算得到試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式如下：
由小沖桿試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)得到原始熱處理態(tài)試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度分別為360，356MPa，抗拉強(qiáng)度分別為480，478MPa。由圖5可見，由小沖桿試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)得到的2種冷卻方式下試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度隨火燒溫度的變化趨勢(shì)基本一致：當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大，當(dāng)火燒溫度由950℃升高到1150℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯增大。由小沖桿試驗(yàn)得到的強(qiáng)度與由拉伸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度的相對(duì)誤差小于5.0%，驗(yàn)證了小沖桿試驗(yàn)測(cè)定強(qiáng)度的可靠性。
由圖6可以看出：隨著火燒溫度的升高，空冷方式下試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率先增大后減小，而水冷方式下的斷后伸長(zhǎng)率一直降低；當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，空冷和水冷方式下的硬度變化都不大，但當(dāng)火燒溫度超過850℃時(shí)，硬度明顯升高，說明12Cr1MoV鋼在火燒后會(huì)發(fā)生硬化；當(dāng)火燒溫度不低于750℃時(shí)，水冷方式下試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率低于空冷方式下，而硬度高于空冷方式下。
綜上可知，火燒溫度和冷卻方式通過改變?cè)囼?yàn)鋼的顯微組織而對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生了較大影響。在空冷方式下，不同溫度模擬火燒后的顯微組織主要為鐵素體、珠光體和碳化物，并且珠光體含量在火燒溫度高于750℃時(shí)隨火燒溫度升高而增加；珠光體含量在決定12Cr1MoV鋼強(qiáng)度方面起著主導(dǎo)作用。在水冷方式下，當(dāng)火燒溫度不高于750 ℃時(shí)試驗(yàn)鋼的顯微組織由鐵素體、片層狀珠光體和碳化物組成，但當(dāng)火燒溫度升高到850℃時(shí)，顯微組織變?yōu)轳R氏體和鐵素體，當(dāng)火燒溫度在950~1150℃時(shí)，組織中出現(xiàn)了殘余奧氏體，并且隨著火燒溫度升高，馬氏體含量增加，鐵素體含量減少；水冷條件下試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度主要受馬氏體含量影響。馬氏體形態(tài)及分布相對(duì)復(fù)雜，含量統(tǒng)計(jì)困難，但是鐵素體含量與馬氏體含量存在一定反比例關(guān)系，故根據(jù)文獻(xiàn)可用鐵素體含量的變化來分析強(qiáng)度的變化。
在空冷方式下，當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，溫度未達(dá)到試驗(yàn)鋼的奧氏體相變溫度，試驗(yàn)鋼組織中的珠光體含量未隨火燒溫度而變化，與原始熱處理態(tài)組織中相同，因此模擬火燒后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與原始熱處理態(tài)基本一致；但是在保溫過程中珠光體發(fā)生熔斷、破碎，破碎的滲碳體對(duì)位錯(cuò)阻礙作用變小，因此試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率略有提升，硬度略微降低。當(dāng)火燒溫度升高到850℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的晶粒比原始熱處理態(tài)細(xì)小，同時(shí)片層狀滲碳體在鐵素體間分布較均勻，對(duì)鐵素體變形阻礙作用明顯，因此抗拉強(qiáng)度較原始熱處理態(tài)有所提高；當(dāng)火燒溫度為950，1050，1150℃時(shí)，晶粒明顯變大，且珠光體含量增加，造成相界面增加，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增大，因此試驗(yàn)鋼強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率降低。
在水冷方式下，當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織與強(qiáng)度隨火燒溫度的變化與空冷方式下相似；當(dāng)火燒溫度為850℃，快速冷卻的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)在鐵素體晶界形成大量位錯(cuò)，硬而脆的馬氏體對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用比珠光體強(qiáng)，使得可移動(dòng)位錯(cuò)密度降低，塑性變形困難，因此試驗(yàn)鋼強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率降低；隨著火燒溫度的繼續(xù)升高，鐵素體含量減少，硬而脆的馬氏體含量增加，試驗(yàn)鋼強(qiáng)度急劇增大，斷后伸長(zhǎng)率降低，硬化現(xiàn)象越發(fā)明顯。
3、結(jié) 論
(1)由小沖桿試驗(yàn)得到的強(qiáng)度與拉伸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度的相對(duì)誤差小于5.0%，說明小沖桿試驗(yàn)測(cè)定強(qiáng)度具有一定可靠性。
(2)在溫度750~1150℃保溫3h空冷模擬火燒后，12Cr1MoV鋼的顯微組織為鐵素體、珠光體和顆粒狀碳化物；當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，組織中的珠光體面積分?jǐn)?shù)均在5%~10%，晶粒尺寸較小，強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度隨火燒溫度的變化很??；當(dāng)火燒溫度高于750℃后，隨著火燒溫度的升高，12Cr1MoV鋼的晶粒尺寸增大，珠光體含量增加，強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率降低。
(3)在水冷方式下，當(dāng)火燒溫度不高于750℃時(shí)，12Cr1MoV鋼的組織主要為鐵素體、珠光體和碳化物，鐵素體面積分?jǐn)?shù)為90%，強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度隨火燒溫度的變化很小；當(dāng)火燒溫度為850℃時(shí)，組織變?yōu)榘鍡l馬氏體和鐵素體，鐵素體面積分?jǐn)?shù)降至45%；當(dāng)火燒溫度在950~1150℃時(shí)，組織由板條馬氏體、殘余奧氏體和少量鐵素體組成，隨著火燒溫度升高，鐵素體含量減少(即馬氏體含量增多)，強(qiáng)度和硬度顯著提升，斷后伸長(zhǎng)率降低。
引用本文：
李小凱，關(guān)凱書.火燒溫度和冷卻方式對(duì)12Cr1MoV鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2023，47（3）：31-36.
Li X K, Guan K S. Effect of Burning Temperature and Cooling Way on Microstructure and Mechanical Properties of 12Cr1MoV Steel, 2023, 47（3）: 31-36.
DOI:10.11973/jxgccl202303006
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