新型低碳贝氏体钢的力学与腐蚀疲劳性能

易 敏，王国栋，陈 涛，王立峰，佟 倩

(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳110004;2.首钢总公司技术研究院，北京100043)

新型低碳贝氏体钢的力学与腐蚀疲劳性能

易 敏1，2，王国栋1，陈 涛2，王立峰2，佟 倩2

(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳110004;2.首钢总公司技术研究院，北京100043)

为研究低碳贝氏体钢在热处理后的力学、腐蚀疲劳性能，采用扫描电子显微镜、透射电镜、X射线衍射分析研究了一种新型贝氏体钢力学性能，并在自来水和盐水腐蚀介质中研究了其腐蚀疲劳性能.结果表明:与轧材比较，A、B、C钢轧材经正火回火热处理后，表现出更优异的综合力学性能和抗腐蚀疲劳性能;而含Si高的A钢具有更优异的韧塑性及抗腐蚀疲劳性能.含Si的贝氏体钢中的贝氏体铁素体(BF)板条间残余奥氏体(Ar)膜对氢致裂纹的扩展速率有突出的抑制作用.

低碳贝氏体钢;热处理组织;力学性能;腐蚀疲劳

随着油井开采深度、开采强度和开采难度不断增加，对石油机械用圆钢的综合性能提出了更高的要求，除了要求有良好的强韧塑性:Rm≥965 MPa、A200≥l0%、Aku≥58 J的高强-塑-韧性水平，还要求在油井中作业时具有良好的抗腐蚀疲劳性能.

低碳贝氏体钢具有良好的综合性能已被大量的研究所证实，而且，对低碳贝氏体钢的耐腐蚀性能［1-4］和疲劳性能［5-6］也有相关的研究报道，但对低碳贝氏体钢腐蚀疲劳性能的研究尚未见报道.本文对新研发的一种新型贝氏体钢，以传统的石油机械用钢20CrMoA作为对比试验钢，结合不同热处理状态下的力学性能，研究了在自来水和盐水腐蚀介质条件下的腐蚀疲劳性能.

1 试验

1.1 试验材料与热处理工艺

采用真空感应炉冶炼了3炉试验钢，分别以A、B、C表示.成分(质量分数)范围为:w(C)= 0.12%～0.21%，w(Si)=0.5%～1.6%，w(Mn)= 0.6%～1.6%，w(Cr)=0.50%～2.5%，其余微合金元素之和小于0.1%.其中，A含Si量较高，B、C钢含Cr量较高，B钢还添加了微合金元素.冶炼坯锻造成40 mm×40 mm方坯，采用小轧机轧制成直径为Φ18 mm的圆钢.

热处理工艺流程如下:1)正火工艺流程:正火(中频感应加热)→空冷;2)正火+低温回火工艺流程:正火(中频感应加热)→空冷→低温回火(中频感应加热)→空冷.

1.2 金相组织观察和组织分析

金相试样抛光侵蚀后用JSM-7001F场发射SEM进行金相组织观察，用JEM-2100FTEM进行精细结构观察，用XRD定量测量钢中残余奥氏体.

1.3 腐蚀疲劳试验

腐蚀疲劳试验设备采用MTS-810液压伺服疲劳试验机.腐蚀疲劳试样及尺寸如图1所示.腐蚀疲劳试验工艺参数为:正弦波，载荷比R=0.1，试验最大载荷σmax=540 MPa，试验频率10 Hz.腐蚀介质采用去离子水配制3.5%NaCl溶液和北京市自来水.试验程序:试样清洗→预腐蚀24 h→腐蚀疲劳试验(腐蚀液不停地循环以保证溶液的新鲜度)→腐蚀疲劳断裂(结束).

图1 腐蚀疲劳试样尺寸

2 结果

2.1 热处理力学性能

图2为轧材金相组织，可以看出，A、B、C钢轧材金相组织均为粒状贝氏体组织.由图3的A钢轧材的TEM精细组织结构可知，贝氏体铁素体BF呈板条状为主，BF板条宽度0.2～0.5 μm，板条上具有高密度的位错，板条间MA组元呈膜状分布.

由表1可知:所有试样的面缩率Ψ指标都满足标准要求(≥45%)，且余量较大.经过正火处理消除了轧制变形后的组织应力，与轧材比较，强度略有下降，塑性、韧性跟轧材比较，没有明显变化.经过正火+回火处理后，与正火工艺比较，强度略有下降，但塑性、韧性指标进一步提高，如A钢强度(1049 MPa)指标适中，延伸率达到15%，冲击功达到137 J.表现出很优异的综合性能.B、 C钢强度仍较高，约为1 100 MPa，B钢、C钢韧塑性略有改善，B钢延伸率达到13%、冲击功73 J，C钢延伸率为11.8%，冲击功96 J.

图2 轧材金相组织

图3 轧材的TEM组织照片

针对A钢、C钢进行了轧材与正火+低温回火后的钢中残余奥氏体量的测定，结果见表2.A钢轧材与正火回火材的残余奥氏体量都高于C钢.A钢、C钢轧材的残余奥氏体量为7.7%、3.3%，经过贝氏体区低温回火后，残余奥氏体量降低，A钢、C钢残余奥氏体量为5.1%、2.5%.

表1 热处理力学性能

表2 A和C钢残余奥氏体量(体积分数/%)

2.2 腐蚀疲劳试验结果

自来水及盐水腐蚀疲劳试验寿命结果见表3、表4.由表3可知、在自来水介质下，A、B、C钢轧材腐蚀疲劳寿命都高于20CrMoA的腐蚀疲劳寿命.而A、B、C钢轧材均为粒状贝氏体组织，低碳贝氏体钢成分及组织结构的均匀性有利于降低腐蚀电化学反应的反应速度.而且，贝氏体铁素体板条间界面由于为小角度晶界，界面能低，且由于形成温度低，界面上杂质浓度也相对较低，这些板条间界面不会发生择优腐蚀，因此，整体表现出较佳的耐腐蚀性能［1］.而20CrMoA钢调质处理后，碳化物颗粒在原奥氏体晶界析出，晶界易成为氢的陷阱，且一部分有害元素S、P在高温回火时会聚集到晶界处，使晶界弱化.

表3 自来水环境下疲劳寿命

在盐水中含有C1-易使金属产生点蚀，这些蚀坑在疲劳试验中造成应力集中，从而成为裂纹源影响疲劳寿命.但由表3、表4可知，与自来水介质相比，盐水中的腐蚀疲劳寿命反而更高，文献［7］的研究也有类似的情况，其分析认为:由于Cl-的库仑引力，降低了H+在液相介质中向阴极表面扩散的速率，它延缓并弱化了阴极还原过程，从而降低了裂纹尖端塑性区氢致脆化的程度，使疲劳裂纹扩展速率降低.这也证实了本试验钢的腐蚀疲劳裂纹扩展均属氢脆机制.

表4 盐水环境下疲劳寿命

由表3、4可知，不论在自来水还是盐水介质条件下，A钢的轧材和正火回火材都比B钢、C钢的腐蚀疲劳寿命长.如A钢在自来水中的最高腐蚀疲劳寿命达到了5.59×105次，A钢正火回火材在盐水中的最高腐蚀疲劳寿命达到了5.2× 105次.

图4为自来水介质中在裂纹扩展区的疲劳断口形貌扫描电镜照片.

图4 自来水中裂纹扩展区的疲劳断口形貌

由图4(a)可以看到，A样的断口主要以穿晶断裂为主，裂纹扩展区除了有准解理断面，还有极少部分的沿晶断面，裂纹稳定扩展区出现了疲劳条带的特征，表明A钢的韧性较好，对HIC不敏感.而图4(b)为C样腐蚀疲劳断口，C样断口裂纹扩展区主要是沿晶断裂的形貌为主，且断面上还有沿晶的二次裂纹，并有少量的准解理微观形貌特征，C样表现出较低的腐蚀疲劳寿命.

3 分析与讨论

3.1 组织与力学性能

A钢中Si元素含量较高，在贝氏体转变过程中和低温回火过程中能抑制脆性渗碳体的析出，含Si钢在贝氏体相变过程中从BF中析出的碳富集在残余奥氏体Ar中，使其在室温条件下长期稳定.这对于提高贝氏体钢的韧塑性非常有利［8-9］.间隙原子碳在面心立方奥氏体中的溶解度大于体心立方铁素体，在贝氏体相变区低温回火时，钢中的碳原子会发生重新分配，大量的碳原子会由贝氏体铁素体向未转变的奥氏体扩散富集，使Ar中的含碳量进一步增加，其奥氏体稳定性进一步增强.A钢、C钢在回火过程中，虽然部分Ar发生分解，Ar量下降了，但未分解的Ar的稳定性显著提高了.因此，A钢在经过正火+低温回火处理后，虽然残余奥氏体的量有所下降，但残余奥氏体的稳定性增加了，韧塑性得到明显的提高.其综合力学性能明显好于B钢、C钢.

同时，BF板条间呈薄膜状的 Ar非常稳定［10-12］，不易分解为马氏体，这又利于钢的韧塑性进一步提高［12］.图5为低温回火后钢中铁素体板条间弥散分布的残余奥氏体膜形貌及衍射斑点标定，残余奥氏体膜宽度约100 nm.文献［13］认为，贝氏体铁素体中过饱和的碳常位于位错一类的缺陷处，这本身会增加碳及位错的强化作用.加之贝氏体低温长大过程还会产生相当数量的缺陷，进一步增加了碳在缺陷附近被俘获的机会，因此，钢的抵御解理断裂与空位形成抗力提高，这对提高韧性非常有利.

3.2 腐蚀疲劳性能

对于低碳贝氏体钢的抗腐蚀疲劳性能，一方面，贝氏体钢具有良好的抗腐蚀性.更重要的是当环境介质中的氢扩散到裂纹前缘的金属内，当氢进人裂尖塑性区后，就在塑性区内沿晶界或最大三向张应力区偏聚、富集.当达到某临界浓度时，则可能萌生裂纹.A钢的残余奥氏体约为7.7%，C钢的残余奥氏体约为3.3%，氢在面心立方的奥氏体的扩散速度要比体心立方的贝氏体铁素体中的扩散速度低两个数量级.如果裂尖与溶液通过电化学反应所产生的氢扩散到铁素体中去，必须通过残余奥氏体薄膜，而这层薄膜阻止了氢的扩散.因此，A钢的裂纹扩展速率低于C钢，A钢疲劳断口形貌以沿晶的疲劳条带为主，而C钢断口形貌主要为沿晶特征.

图5 残余奥氏体形貌及衍射斑点

4 结论

1)A、B、C钢轧材的组织都为粒状贝氏体，具有良好的强韧塑综合力学性能.

2)与轧材比较，A、B、C钢轧材经过正火回火热处理后，残余奥氏体量减少，稳定性提高，表现出更优异的综合力学性能.

3)含Si高的A钢具有更优异的韧塑性及抗腐蚀疲劳性能，这是因为在金属疲劳断裂过程中，含高Si的A钢轧制或正火后得到的适量的稳定的贝氏体铁素体(BF)板条间残余奥氏体(Ar)膜对低氢致裂纹的扩展速率有突出的贡献.因此，A轧材在自来水介质条件下，A正火回火材在盐水介质条件下都表现出良好的抗腐蚀疲劳性能.

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Mechanical and corrosion fatigue properties of a new low carbon bainitic steel

YI Min1，2，WANG Guo-dong1，CHEN Tao2，WANG Li-feng2，TONG Qian2
(1.The State Key Lab.of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China; 2.The Research Institute of Technology，Shougang Group，Beijing 100043，China)

The mechanical properties and corrosion fatigue properties of low carbon bainite steel after heat treatment under water and salt water conditions were investigated by scanning electron microscopy(SEM)，transmission electron microscope(TEM)and X-ray diffractometer(XRD).The results indicated that，compared with as-rolled specimens，A，B，C steel after heat treatment showed more excellent toughness and ductility mechanical properties.Additionally，specimen of A with more silicon content showed superior mechanical properties and corrosion fatigue performance which was attributed to more retained austenite(Ar)between bainite ferrites(BF)reducing the propagation rate of Hydrogen induced crack.

low carbon bainitic steel;heat treatment microstructure;mechanical properties;corrosion fatigue

TG142.4 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)06-0103-05

2011-12-27.

易 敏(1973-)，女，高级工程师;

王国栋(1942-)，男，教授，中国工程院院士.

易 敏，E-mail:manyimin@126.com.

(编辑 吕雪梅)