热处理工艺对12Cr1MoV钢显微组织和力学性能的影响

宋文强, 李尚林(上汽通用五菱汽车股份有限公司, 柳州 545007)

热处理工艺对12Cr1MoV钢显微组织和力学性能的影响

宋文强, 李尚林
(上汽通用五菱汽车股份有限公司, 柳州 545007)

通过热模拟试验对12Cr1MoV钢进行了不同工艺的正火+回火热处理，研究了热处理工艺对该钢显微组织及力学性能的影响。结果表明：12Cr1MoV钢正火+回火后的正常显微组织为回火贝氏体+铁素体或回火贝氏体+铁素体+珠光体或铁素体+珠光体；如果回火温度过高或正火冷却速率不足，则分别会导致钢中出现两相区组织黄块马氏体和钒的碳化物沿晶界及晶内聚集长大的情况，显著降低钢的力学性能。

12Cr1MoV钢；热处理工艺；显微组织；力学性能；黄块马氏体；碳化物

12Cr1MoV钢是一种低合金热强钢，A1～A3为765～885 ℃，Ms为430 ℃(其中，A1是亚共析钢奥氏体、铁素体、渗碳体发生共析转变的温度；A3是奥氏体冷却时向铁素体转变的温度；Ms是过冷奥氏体转变为马氏体的开始温度)。通过铬、镍合金元素固溶强化以及钒碳化物的弥散强化，12Cr1MoV钢拥有良好稳定的组织结构且具有较好的热强性、持久塑性、抗氧化性能及焊接性能，大量应用于高压锅炉管的过热器管(管温<580 ℃)以及集箱管、蒸汽管等(管温<570 ℃)。

模拟试验发现，12Cr1MoV钢经热处理后的显微组织呈现多种形态。然而复杂化、多样化的显微组织形态既不利于热处理工艺的调整,也不利于金相检验初学者及生产一线工程技术人员的辨别[1]。为此，笔者通过热模拟试验，对12Cr1MoV钢常见的显微组织形态进行介绍，以利于产品热处理工艺的调整和相关检验人员能够快速准确地辨别出12Cr1MoV钢在金相检验中出现的各种显微组织。

1 试样制备与试验方法

试验用12Cr1MoV钢的化学成分(质量分数/%)如下:0.11C，0.22Si，0.51Mn，≤0.01P，≤0.01S，0.22Ni，0.98Cr，0.27Mo，0.19V，0.19Cu，≤0.01Al。12Cr1MoV钢的热处理工艺一般为正火+回火，为了得到良好的显微组织形态，一般采用控制正火冷却速率的方法，即强制冷却法。模拟试验选取同一炉次的样件进行不同冷却速率的热处理。

模拟试验分6组进行，具体热处理工艺见表1。其中，1～4组是根据正火冷却速率进行分组试验(冷却速率逐渐增加)，5～6组是模拟产生异常显微组织的试验。

表1 模拟试验分组及热处理工艺Tab.1 Simulation test grouping and heat treatment process

受预磨机磨光盘直径的限制, 金相试样的磨面面积通常为150～400 mm2。一般情况下, 磨面越大, 试样高度越低,试样在磨抛时的稳定度越高, 越有利于对试样的平稳控制[2]。为方便握持制样,选取20 mm×20 mm×20 mm(长×宽×高)的试样。通过切割、粗磨、细磨、抛光、4%硝酸酒精溶液(体积分数)侵蚀的制样程序制成待检测金相试样。使用ZEISS AIO IMAGER-A1M正置式光学显微镜观察显微组织。

力学试样通过锯切、车圆等机加工工序制成φ10 mm的拉伸试样和10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样，分别在万能材料试验机及冲击试验机上进行拉伸和冲击试验，试验结果取3个试样的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

由表2可见，第1～4组试样的抗拉强度和屈服强度逐渐升高，断后伸长率和冲击吸收能量随着冷却速率的变化有所波动，但总体比较良好。第5组和第6组试样则出现冲击吸收能量特别低和断后伸长率稍有下降的情况。

表2 力学性能试验结果Tab.2 Mechanical property test results

2.2 显微组织

2.2.1 常规显微组织

图1是第1组试样的显微组织形貌，为铁素体+珠光体。其中，深黑色的是珠光体，白色块状物和浅灰色块状物是铁素体。铁素体在光学显微镜下，因截面不同导致光线的反射程度不同，从而出现颜色不一样的情况。

图1 铁素体和珠光体形貌Fig.1 Morphology of ferrite and pearlite

图2是第2组试样的显微组织形貌，为铁素体+珠光体+回火贝氏体。图2中左边灰色块状物是回火贝氏体，右边深黑色块状物为珠光体，白色块状物为铁素体。12Cr1MoV钢因为正火冷却速率不一样，一般容易形成铁素体+珠光体或者铁素体+珠光体+回火贝氏体组织。

图2 铁素体+珠光体+回火贝氏体形貌Fig.2 Morphology of ferrite, pearlite and tempered bainite

图3是第3组试样的显微组织形貌，为回火贝氏体+铁素体。图3中白色块状物为铁素体，其余为回火贝氏体。

图3 回火贝氏体+铁素体形貌Fig.3 Morphology of tempered bainite and ferrite

图4是第4组试样的显微组织形貌，为回火贝氏体。

图4 回火贝氏体形貌Fig.4 Morphology of tempered bainite

前苏联有关研究院所及工厂对12Cr1MoVG钢管进行过大量试验研究工作，按贝氏体和珠光体的含量将成品管的显微组织分为9级：1～5级为验收的合格组织，6～9级为拒收的不合格组织。1级显微组织中要求有30%～100%(体积分数，下同)的回火贝氏体，其余为珠光体+铁素体；2～3级显微组织中要求有20%～30%的回火贝氏体，其余为珠光体+铁素体；4～5级显微组织中要求有15%～20%的回火贝氏体，其余为珠光体+铁素体[3]。因此，图3所示的显微组织形貌是大多数钢管生产厂家对12Cr1MoV钢要求的最优良的显微组织形态，故强制冷却速率的控制方式是获得优良显微组织形态的关键。

2.2.2 黄块马氏体

图5 黄块马氏体形貌,100×Fig.5 Morphology of yellow martensite, 100×

在第5组试样的显微组织中出现了黄块马氏体，如图5所示。其中，深黑色块状物为珠光体，白色块状物为铁素体，黄色块状物为黄块马氏体，在部分黄色块状物上可以看到隐针状马氏体特征。黄块马氏体是马氏体、残余奥氏体和贝氏体的混合物，在光学显微镜下呈黄色或者淡黄色，故被称为黄块马氏体。

如图6所示，从放大500倍形貌上看黄块马氏体一般呈整块状，有锐角，而粒状贝氏体是颗粒状或聚集形成的岛状形态。黄块马氏体属于两相区出现的非正常组织，出现该组织的原因主要是该组试样的回火温度过高。

图6 黄块马氏体形貌,500×Fig.6 Morphology of yellow martensite, 500×

12Cr1MoV钢中存在黄块马氏体的情况在20世纪70年代比较突出，当时对黄块马氏体产生的原因及其对材料性能的影响进行过较多的试验研究工作。试验结果发现凡是存在黄块马氏体的材料，其室温强度一般均较高，而冲击吸收能量和持久强度则较低。12Cr1MoV钢中的黄块马氏体基本上有两种形态：一种是在黄块中有较为清晰的针状物，而且往往为与粗针状贝氏体浮生的针状马氏体；另外一种则是黄块中无明显针状物，而且往往是单独存在的马氏体。黄块马氏体的显微硬度很高，一般可达500～600 HV。统计结果表明，黄块马氏体对12Cr1MoV钢室温强度和冲击韧度的影响程度与其显微组织中的马氏体含量有关。黄块马氏体对12Cr1MoV钢的高温持久强度影响特别明显，从580 ℃×10 h的持久强度来看，有黄块马氏体12Cr1MoV钢的持久强度比正常组织的低约50 MPa[3]。

2.2.3 钒的碳化物聚集析出

在光学显微镜下观察发现，第6组热处理试样的显微组织中出现了钒的碳化物沿晶界聚集析出和在铁素体及珠光体晶粒内聚集析出的现象。如图7所示，钒的碳化物沿晶界连续聚集析出，晶界呈现类似虚线特征，破坏了晶界连续性，从而导致冲击试验测得的冲击吸收能量特别低，断口是表面呈现人字条纹状的沿晶脆性断口。脆性断裂包括穿晶脆性断裂和沿晶脆性断裂，一般指金属材料或机械构件断裂时在最终分离前不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂[4]。另外钒的碳化物沿晶界聚集析出，则钒无法通过弥散析出相起到强化组织的作用，因而钢的强度也会有所降低。

图7 碳化物沿晶界聚集析出Fig.7 Carbide preciptating accumulatively along the grain boundary

如图8所示，在第6组试样中还发现钒的碳化物在铁素体及珠光体晶粒内聚集析出的情况, 该组织类似于轻微的珠光体球化特征。碳化物的聚集长大析出让钒失去了弥散强化的作用，降低了钢的强度和韧性。冲击性能测试结果也验证了显微组织分析的正确性。在微合金化元素中，钒具有最高的溶解度，是微合金化钢最常用、也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成碳氮化物V(C，N)影响钢的组织和性能，有研究表明V(C，N)颗粒大部分是在先共析铁素体内弥散析出，在珠光体内的铁素体区也有析出，因此析出相的沉淀强化作用可同时强化铁素体和珠光体[5]。此外，在晶界也会有V(C，N)颗粒析出，通过钉扎晶界，阻止晶粒长大，从而细化晶粒，使钢的强度显著提高，钢中加钒后，强度可以增加150～300 MPa[6]。对于大口径厚壁钢管，正火冷却速率容易受壁厚影响，而该组织是由于正火冷却速率不足产生的。因此，l2Cr1MoV钢正火热处理时采用强制冷却方法可以避免产生类似不良显微组织。

图8 碳化物晶内聚集析出Fig.8 Carbide precipitating accumulatively in the grain

3 结论

(1) 12Cr1MoV钢正火+回火的正常显微组织为回火贝氏体+铁素体，或回火贝氏体+铁素体+珠光体，或铁素体+珠光体。

(2) 两相区的异常组织黄块马氏体的存在对12Cr1MoV钢的室温强度和冲击韧度非常不利，在生产中回火温度不能过高，以避免出现该组织。

(3) 如果正火冷却速率不足，就会引起钒的碳化物聚集长大，这对12Cr1MoV钢的性能会产生不利影响，特别是沿晶界聚集长大析出严重时会使材料严重脆化，钒的碳化物在铁素体块上的聚集长大析出也会影响钢的强度和韧性。

[1] 燕样样,姚永红,李红莉.先共析铁素体与热处理工艺的关系[J].理化检验-物理分册,2014,50(7):468-471.

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[6] 李新生,王能为.钢的微合金化强化机理浅析[J].冶金丛刊,2007(6):41-44.

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of 12Cr1MoV Steel

SONG Wen-qiang, LI Shang-lin
(Saic GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China)

The effect of heat treatment process on the microstructure and mechanical properties of 12Cr1MoV steel was studied by heat treatment simulation test with different normalizing and tempering process. The results show that the normal microstructure of 12Cr1MoV steel after normalizing and tempering was bainite and ferrite, or bainite, ferrite and pearlite, or ferrite and pearlite. If the tempering temperature was too high or the normalizing cooling rate was too low, it would generate yellow martensite in two-phase region or carbide containing vanadium precipitating accumulatively along the grain boundary and in the grain respectively, which would significantly reduce the mechanical properties of the steel.

12Cr1MoV steel; heat treatment process; microstructure; mechanical proporty; yellow martensite; carbide

2016-04-11

宋文强(1985-)，男，工程师，本科，从事零部件试验、理化检验工件，Wenqiang.Song@sgmw.com.cn。

10.11973/lhjy-wl201702005

TG142

A

1001-4012(2017)02-0097-04