15CrMoR钢变形抗力及连续转变研究

吴波 邱春林 苏志敏 杜林秀

（1.天津钢集团有限公司技术中心，天津 300301;2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819;3.中冶南方工程技术有限公司热轧事业部，武汉 430223)

15CrMoR钢变形抗力及连续转变研究

吴波1邱春林2苏志敏3杜林秀2

（1.天津钢集团有限公司技术中心，天津 300301;2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819;3.中冶南方工程技术有限公司热轧事业部，武汉 430223)

采用真空冶炼15CrMoR中温压力容器用钢,在MS-300热模拟试验机上采用单道次压缩实验测定了变形抗力,确定了变形抗力模型。采用热膨胀法测定了15CrMoR钢的动、静态CCT曲线。结果表明在接近工业生产的工艺参数条件下，其变形抗力表现为动态回复和动态再结晶型;在静态和动态条件下，15CrMoR钢室温组织为珠光体和铁素体以及部分贝氏体。塑性变形使CCT曲线向左上方移动。该研究为在宽厚板轧机上进行15CrMoR钢的生产提供了理论依据。

变形抗力 CCT曲线 金相

1 引言

15CrMoR属于中温使用的低合金耐热容器钢，可用来制造压力容器的封头、法兰、受热面管道、集箱和蒸汽管道以及锅炉的大型锻件等，其使用温度在550～560℃以下。常用的低合金耐热钢主要是低合金珠光体耐热钢，其主要特点是以铬钼为主，并加入其他合金元素;15CrMoR钢与国外的13Cr-Mo44等化学成分和性能相当[1]。

15CrMoR钢具有足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性，良好的高温组织稳定性、高温抗氧化性（耐热性)，良好的制管、焊接等加工工艺性能，同时具有一定的抗氢腐蚀性能。15CrMoR钢通常以退火状态或正火+回火状态供货。早期生产的15CrMoR钢多采用电炉冶炼[2]，采用转炉连铸工艺进行中温压力容器用钢的生产。由于其具有较高的纯净度、良好的冲击韧性以及较低的成本而受到用户的欢迎，在水电站建设、压力容器制造等行业的应用越来越广泛[3]。

本文在实验室条件下，采用真空电炉冶炼经锻造开坯后，截取试样对该钢的变形抗力、连续相转变进行了研究，为工业生产中工艺规程的制定提供了理论依据。

2 实验材料及研究方法

本研究采用真空冶炼，锭重150 kg，其主要化学成分为：0.12%C，0.32%Si，0.65%Mn，0.97%Cr，0.46%Mo。经锻造开坯成断面尺寸为100 mm×120 mm的矩形坯，然后取样分别加工成不同尺寸，进行各项试验，实验在东北大学国家重点实验室自行研制的MMS-300热模拟试验机上进行。采用ø8 mm×15 mm的圆柱试样进行单道次压缩实验，测试该钢的变形抗力，试验温度从850～1 050℃，温度间隔50℃。单道次压缩实验工艺如图1所示。CCT曲线测试采用ø10 mm×15 mm圆柱试样。分别测静态及动态CCT曲线，CCT曲线测试工艺如图2所示。静态CCT曲线测试流程为：将试样以20℃/s的速度加热到1 200℃，保温3 min后以10℃/s的冷却速度冷却到900℃，保温30 s后分别以 0.5、1、2、5、15 ℃/s的冷却速度冷却到室温，记录冷却过程中的热膨胀曲线。动态CCT曲线测试与静态测试的区别是：在900℃保温30 s后，进行变形量为0.4的单道次压缩变形，其余与静态测试相同。测试后，进行金相组织观察，利用膨胀曲线数据结合金相观察的结果，绘制CCT曲线。

图1 单道次压缩实验工艺示意图

3 实验结果及讨论

3.1 变形抗力测试结果

图2 用热膨胀法测定CCT曲线的实验方案

为了得到15CrMoR钢的变形抗力模型，测试了其在不同变形温度及变形速率下的变形抗力。以变形速率为0.1 s-1和1.0 s-1为例进行简要分析。在金属变形的过程中，存在着硬化和软化两个过程，表现在应力应变曲线上就是使曲线随变形程度增加而升高或降低[4]。图3是变形速率为0.1 s-1和1.0 s-1的测试结果。可以看出当变形速率为0.1 s-1时，随着变形程度的增加，变形抗力先增加，达到一定变形程度之后则开始下降。这表明在此变形速率条件下，产生了动态再结晶[4]。而在变形速率为1.0 s-1时，随着变形程度的增加，变形抗力先增加，达到一定变形程度之后则基本保持不变，说明在此变形条件下，实验钢处在回复阶段。

从以上变形抗力的变化特征可知，随着变形速率的增加，实验钢具有明显的从动态回复到动态再结晶的过渡过程，为此选择考虑了动态回复和再结晶的变形抗力模型如下[5]：

式中，T=（t+273)/1 000，t为变形温度（℃);ε为真变形;u为变形速率（s-1);σ0为基准变形抗力，即t=1 000℃、ε=0.4和u=10 s-1时的变形抗力，15CrMoR 的实验值为 135.7 MPa;a1～a6为回归系数。

图3 单道次不同温度应力应变曲线

经回归计算求得各个系数得到15CrMoR钢的实际变形抗力模型如下：

变形抗力是制定轧制规程的重要依据，在进行工业生产时，可以利用此模型计算各个道次的轧制压力，为合理分配变形量提供理论依据。

3.2 15CrMoR钢的连续转变曲线

图4 15CrMoR钢CCT曲线

根据热膨胀曲线的实验结果，结合金相组织确定的15CrMoR钢的静态及动态CCT曲线如图4所示。对比两曲线可以看出，无论是静态CCT曲线还是动态CCT曲线，其相区均由铁素体区、珠光体区及贝氏体区组成，只是各个相区的转变温度和相区大小略有区别。由于经过了0.4的真变形，动态CCT曲线的转变温度升高，而转变开始时间略有提前，说明变形对相变具有一定的诱导作用[6]。图5是未变形奥氏体在不同冷却速率下相变后的金相组织。可以看出当冷却速度为0.5℃/s时，冷却速度小，奥氏体的过冷度小，转变温度高。根据热力学原理，各种元素的扩散能力较强，奥氏体具备可以发生的扩散型相变的条件，从图中可以看出显微组织主要由铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体组成。当冷却速度增大至1℃/s时，珠光体含量减少，粒状贝氏体含量增多，并且先共析多边铁素体在原始奥氏体晶界处长大。当冷却速度增加到2℃/s时，先共析铁素体含量降低。当冷却速度继续增大为3℃/s时，由于过冷度增大，奥氏体中的碳、铁等原子的长程扩散能力减弱，变成半扩散、半切变型的中温转变产物，即板条贝氏体。随着冷速的提高，贝氏体板条变细。

从图6可以看出，与未变形奥氏体相比，经过形变的奥氏体相变之后获得了较细的微观组织。由于变形的影响，使得相变过程与静态相变有较大的区别。奥氏体变形后，晶粒被拉长，单位体积内的奥氏体晶界面积增多。而且，变形使奥氏体内产生了大量的可以作为铁素体晶内形核点的形变带。这样，铁素体形核点密度增加。此外，奥氏体变形导致了高的位错密度，提高了奥氏体自由能，使得先共析铁素体相变驱动力增加。同时，奥氏体变形增强了沿奥氏体内位错进行的管道扩散。也就是说当奥氏体发生变形后，奥氏体的状态发生了变化，使其在随后的冷却过程中所发生的相变行为及形成的相变组织与奥氏体未变形时在各相的组成比例上有很大的差别。

图5 冷却速率对15CrMoR钢未变形奥氏体相变组织的影响

图6 冷却速率对15CrMoR钢变形奥氏体相变组织的影响

此外，较细的贝氏体组织对于耐热钢是较为理想的组织，可以提高其高温性能[7]。由于钢材组织结构的遗传特征，较细的原始组织在经过热处理后获得的最终组织也相对较细，因此，形变诱导细化晶粒对提高耐热钢的性能是有利的。再有，对于耐热钢而言，从满足高温性能的角度出发，其晶粒并非越小越好，而是在一定的晶粒度等级时具有较好的耐高温性能，而且这一最佳的晶粒度等级取决于其服役温度。同时，影响其高温使用性能的另外一个因素是晶粒度的均匀程度，晶粒大小越均匀，其高温性能越好，一般要求其晶粒度的差别不超过3[7]。这些都是在进行耐热钢生产时需要注意的问题，对比图5及图6可以看出，变形后的奥氏体相变后得到的组织均匀程度也好于未变形奥氏体，即变形也能起到一定的改善耐热钢性能的作用。

4 结论

（1)通过单道次压缩实验获得了15CrMoR钢的变形抗力并回归出数学模型。在变形速率小于1 s-1时，其应力应变曲线为动态回复及动态再结晶型。随着变形速率增加，硬化逐渐占主导地位。

（2)在接近工业生产的冷却速率下，无论是变形还是未变形奥氏体，相变后产物均由铁素体、珠光体和少量贝氏体组成;变形加速了15CrMoR钢的相变过程，使CCT曲线向左上方移动。同时变形使相变后组织细化，细小的贝氏体组织为获得良好的耐热性能提供了组织准备。

（3)研究工作为在宽厚板轧机上生产15CrMoR压力容器钢提供了理论依据。

[1]潘家祯.压力容器材料实用手册——碳钢及合金钢[M].北京:化学工业出版社，2000：322-329.

[2]谢良法.压力容器用15CrMoR钢板的研制[J].压力容器，1991（5)：7-17.

[3]郭爱民，陈晓，董汉雄，等.转炉连铸型15CrMoR（WHZ1)钢的研制[J].压力容器，1998（4)：14-20.

[4]刘全昆.材料成形基本原理[M].2版.北京：机械工业出版社，2010：224-225.

[5]周纪华，管克智.金属塑性变形阻力[M].北京：机械工业出版社，1989：223-229.

[6]杨忠民，赵燕，王瑞珍，等.形变诱导铁素体的形成机制[J].金属学报，2000，36（8)：818-822.

[7]章燕谋.锅炉与压力容器用钢（修订本)[M].西安:西安交通大学出版社，1997：128-131.

Study on 15CrMoR Steel Deformation Resistance and Continuous Transition

Wu Bo,Qiu Chunlin,Su Zhimin,Du Linxiu

The deformation resistance of vacuum melted medium temperature vessel steel 15CrMoR was measured by single pass compression test on MS hot simulating machine and the deformation resistance model was determined.Dynamic and static CCT curves of 15CrMoR steel were measured and plotted with heat expansion method.Results showed that the deformation resistance presented as dynamic recovery and dynamic recrystallizaion type under the process parameter condition close to industrial production.Under static and dynamic conditions,the structure of 15CrMoR steel at indoors temperature consisted of pearlite,ferrite and partial bainite.Plastic deformation moved CCT curve towards left top.The study provides theoretical basis for the production of 15CrMoR steel on wide heavy plate rolling mill.

deformation resistance,CCT curve,metallograph

（收稿 2011－12－10 编辑 潘娜)

吴波，女，教授级高工，主要从事科研开发与管理工作。