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     連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線能夠描述鋼在不同冷卻速率下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，對鋼的熱處理工藝制定具有重要參考價值。

 

      29CrMo鋼常用于制造石油生產(chǎn)領(lǐng)域的輸油管，在生產(chǎn)過程中，一般需對該鋼進行調(diào)質(zhì)熱處理，要想控制熱處理后材料的組織，就必須參考該材料的CCT曲線。然而，現(xiàn)階段關(guān)于鉻鉬鋼的固態(tài)相變規(guī)律研究較少。為分析和解決這一問題，研究人員通過熱膨脹試驗研究了29CrMo 鋼在不同冷卻速率下的相變規(guī)律及相變后的組織和硬度，結(jié)果可為該鋼種的熱處理工藝制定與新鋼種的開發(fā)提供理論參考。

 

1、 試驗材料及方法

 

1.1 試驗材料

 

    試驗材料為企業(yè)生產(chǎn)的熱軋態(tài)29CrMo圓鋼，其組織為貝氏體（見圖1）。29CrMo鋼的化學成分如表1所示。

 

 

 

 

1.2 試驗方法

 

    采用熱膨脹法測定29CrMo鋼的CCT曲線，并采用熱模擬試驗機進行試驗。首先，制成熱膨脹圓棒試樣，試樣表面粗糙度為1.6μm。

 

     試樣制備完成后，先在試樣表面中心焊接K型熱電偶，再將試樣放入真空箱內(nèi)，在加熱過程中抽真空，以防止氧化。按照YB/T 5127—2018《鋼的臨界點測定 膨脹法》進行29CrMo鋼臨界點溫度檢測試驗，具體過程如下：首先，將試樣以10℃/s加熱速率升溫到400℃；然后，以0.05℃/s加熱速率升溫至1000℃，保溫5min；最后以0.05℃/s 的冷卻速率冷卻至室溫，確定其加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度Ac1和加熱時轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ac3。按照YB/T 5128—2018《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測定膨脹法》，對29CrMo鋼進行連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的繪制。首先，將試樣以加熱速率為5℃/s升溫至1000℃，保溫5min后，使試樣組織完全奧氏體化；再分別以0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，3.0，5.0，10，15，20℃/s 的不同冷卻速率將試樣冷卻至室溫，記錄下冷卻過程中試樣徑向膨脹量隨溫度的變化曲線。

 

     將試樣冷卻后打磨、拋光，采用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察。采用維氏硬度計進行硬度測試，試驗力為98N，每個試樣各測試5個點，取平均值作為最終測試結(jié)果。

 

2、 試驗結(jié)果與分析

 

2.1 臨界點

 

     29CrMo鋼試樣的熱膨脹曲線如圖2 所示。由圖2可知：29CrMo鋼的臨界點溫度Ac1為759℃、Ac3為856℃。

 

2.2 顯微組織

 

      可以采用冷卻過程的膨脹曲線對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的種類和數(shù)量進行描述。然而，當轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的數(shù)量較少或膨脹曲線上的轉(zhuǎn)變點不顯著時，通常需借助金相法和硬度法進行增補和校準。

 

     29CrMo鋼以不同冷卻速率冷卻至室溫的顯微組織形貌如圖3所示。隨著冷卻速率的變快，過冷奧氏體的相變組織由鐵素體+珠光體、貝氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。當冷卻速率為0.1~0.5℃/s時，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變組織以鐵素體和貝氏體為主，還有微量的珠光體，同時隨著冷卻速率的增大，貝氏體含量增多，鐵素體和珠光體含量減少。當冷卻速率為1.0℃/s時，組織為貝氏體和少量的鐵素體，當冷卻速率為2.0℃/s 時，組織全部為貝氏體；當冷卻速率升高至3.0℃/s 時，開始出現(xiàn)馬氏體，同時隨著冷卻速率的不斷增大，貝氏體逐漸被馬氏體替代。當冷卻速率不小于15℃/s 時，貝氏體消失，組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

 

 

 

 

2.3 維氏硬度

 

     不同冷卻速率下29CrMo鋼的顯微組織與硬度如表2所示（其中F為鐵素體，P為珠光體，B為貝氏體，M為馬氏體），不同冷卻速率下29CrMo鋼的硬度曲線如圖4所示。由圖4可知：試樣的硬度隨著冷卻速率的增大而增大。當冷卻速率由0.1℃/s上升至2.0℃/s 時，組織中貝氏體逐漸占據(jù)主導地位，硬度隨之快速增大；當冷卻速率為3.0℃/s 時，組織中開始出現(xiàn)馬氏體，硬度持續(xù)增大；當冷卻速率為10℃/s 時，組織以馬氏體為主，還有少量貝氏體，硬度變化趨勢不明顯；當冷卻速率達到15℃/s 及以上時，組織為單一馬氏體，硬度基本不再發(fā)生變化。

 

 

2.4 CCT曲線

 

     結(jié)合29CrMo鋼的組織與硬度測試結(jié)果，通過切線法測定該鋼在不同冷卻速率下的膨脹曲線，得到29CrMo鋼的靜態(tài)CCT曲線，如圖5所示。由圖5可知：其CCT曲線可劃分為3個相變區(qū)域，高溫區(qū)相變溫度為650~800℃，該區(qū)域內(nèi)過冷奧氏體發(fā)生鐵素體析出、珠光體轉(zhuǎn)變，中溫區(qū)相變溫度為400~550℃，該區(qū)域內(nèi)過冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，低溫區(qū)相變溫度為250~391℃，該區(qū)域內(nèi)過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。因此，可知29CrMo鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms為391℃，臨界冷卻速率為10~15℃/s。當冷卻速率不小于15℃/s 時，29CrMo鋼的組織為單一馬氏體，隨著冷卻速率的減小，材料產(chǎn)生貝氏體，同時轉(zhuǎn)變開始溫度隨冷卻速率的減小而逐步升高，且轉(zhuǎn)變量不斷增多。當冷卻速率達到2℃/s 時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物只存在貝氏體。當冷卻速率減小到1℃/s 時，29CrMo鋼中逐漸有少量鐵素體析出。直至冷卻速率減小到0.5℃/s 時，29CrMo鋼開始出現(xiàn)珠光體轉(zhuǎn)變。

 

 

     在29CrMo鋼中添加Cr、Mo等合金元素，在高溫時可提高碳元素在奧氏體中的擴散激活能，減緩碳的擴散速率，進而使奧氏體的擴散分解時間延長。因此，只有在冷卻速率為0.1~0.2℃/s的情況下，鐵素體才會出現(xiàn)。當冷卻速率為2.0℃/s 時，先共析鐵素體的析出會被抑制，這主要是因為冷卻速率的增大減弱了原子活動能，導致先共析鐵素體長大受擴散控制，致使其組織占比減小。同時，29CrMo鋼中Cr、Mo、V、Nb等合金元素可以延緩過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體的速率。在珠光體轉(zhuǎn)變階段，碳元素和合金元素會在鐵素體與滲碳體間二次分配，合金元素的自擴散速率慢，因其與碳元素的親和作用，減緩了碳元素的擴散速率，進而珠光體形核得到了抑制。因此，珠光體相變僅在較慢的冷卻速率下出現(xiàn)。當冷卻速率為0.1~10℃/s 時，29CrMo鋼存在貝氏體。通常，貝氏體轉(zhuǎn)變受合金元素的作用效果關(guān)鍵在于γ相到α相的轉(zhuǎn)變速率及碳元素的擴散速率。Mo、V等元素會提高γ相到α相的轉(zhuǎn)變速率，但同時減緩了碳元素的擴散速率，最終推遲了貝氏體的轉(zhuǎn)變進程。當以3℃/s的冷卻速率將29CrMo鋼冷卻至391℃時，在奧氏體晶粒內(nèi)的位錯和層錯處，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和能量的漲落，并通過位錯和層錯的運動，這種漲落會被迅速放大，進而過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并伴隨冷卻速率的增大，馬氏體轉(zhuǎn)變含量逐漸增大。

 

     根據(jù)試驗結(jié)果可知：29CrMo鋼在淬火熱處理冷卻速率達到15℃/s及以上時，即可得到以馬氏體為主的組織。工業(yè)生產(chǎn)中，29CrMo鋼的淬火方式建議選用水淬，以確保回火后具備最優(yōu)的組織與性能。

 

3、 結(jié)論

 

   （1）29CrMo鋼的臨界點溫度Ac1為759 ℃，Ac3為856℃，Ms為391℃，馬氏體轉(zhuǎn)變完成溫度Mf為235 ℃。該CCT曲線可劃分成4部分：當冷卻速率小于1.0℃/s時，組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，隨著冷卻速率的增大，鐵素體和珠光體含量占比逐漸減小，貝氏體含量占比增大；冷卻速率為1.0℃/s時，珠光體消失，組織為貝氏體+少量鐵素體；冷卻速率為2.0~10℃/s 時，組織以貝氏體為主，且隨冷卻速率的增大，貝氏體含量占比逐漸減小，馬氏體含量占比增大；冷卻速率達到15℃/s及以上時，組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

 

   （2）硬度隨冷卻速率的增大而不斷增大，當冷卻速率大于10℃/s 時，硬度變化趨于穩(wěn)定，冷卻速率為20℃/s 時，硬度達到536HV。

 

    （3）29CrMo鋼在工業(yè)生產(chǎn)時的淬火方式建議選用水淬，即可獲得單一馬氏體組織。

 

作者：孫忍 1，徐磊 2，李珺 2，俞良玉 2，黃貴軍2

 

單位：1. 江蘇常寶普萊森鋼管有限公司；

 

2.江蘇常寶鋼管股份有限公司

 

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期