冷却速度对SA508-3钢显微组织与力学性能的影响

王天睿,张玉妥，王 培

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159； 2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

冷却速度对SA508-3钢显微组织与力学性能的影响

王天睿1,张玉妥1，王 培2

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159； 2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

利用快速热膨胀仪测得SA508-3钢奥氏体化后以不同冷速冷至室温的热膨胀曲线，通过切线法分析热膨胀曲线并结合金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)观察不同冷速下材料的显微组织，确定了不同冷速条件下SA508-3钢的相变类型。发现冷却速度在0.01～0.05℃/s时，发生铁素体相变、珠光体相变和贝氏体相变；冷却速度在0.1～5℃/s时，发生贝氏体相变；冷却速度在10～50℃/s时，发生马氏体相变。使用炉冷、砂冷、油冷三种冷却方式模拟大型锻件不同部位的冷却条件，并测试了不同冷却方式下材料经880℃×1h淬火+640℃×2h回火处理后的力学性能。结果表明：随着冷却速度的增加，显微组织的类型逐渐从铁素体、珠光体组织变为贝氏体和马氏体组织。较快冷速条件下，SA508-3钢可以达到强度和低温冲击韧性的良好结合，而随着冷速降低，材料的强度和冲击韧性同时下降。

SA508-3钢；冷却速度；显微组织；力学性能

SA508-3钢由于强度较高、塑韧性良好、优异的可锻性、可焊接性和抗中子辐照脆化性[1-3]，被广泛应用在反应堆压力容器、蒸汽发生器等核电锻件中[4-7]。由于核电锻件尺寸和壁厚越来越大，热处理过程中锻件从表面到心部由于冷却速度不同而得到不同的组织[8]。为了阐明不同冷速条件下的显微组织和相应的力学性能，建立起冷速—显微组织—力学性能之间的对应关系指导核电锻件的实际生产，获得优异的使用性能[9]，本文首先利用快速热膨胀仪研究SA508-3钢试样的连续冷却转变过程，确定不同冷速条件下的相变类型、相变温度和典型显微组织结构特征，而后的热处理试验使用炉冷、砂冷和油冷分别模拟大型锻件不同部位的冷却条件，观察不同冷却条件下的显微组织，并对其力学性能进行了分析测试。

1 试验材料与方法

试验材料从某企业生产的锻件上直接切取，热处理状态为调质+模拟焊后热处理态，其化学成分如表1所示。根据YB/T5128-93标准，使用线切割在来料SA508-3钢块上切取若干Φ3×10mm尺寸的热膨胀试样，使用砂纸将试样表面磨光后在型号为Linseis L78RITA的快速热膨胀仪上进行试验，将试样以0.05℃/s的速率加热至880℃进行奥氏体化处理，保温15min，分别以0.01、0.05、0.1、0.5、0.35、0.5、1、3、5、10、15、20、30、50℃/s的速率冷却至室温，测量试样在此过程中的膨胀量变化。通过切线法分析测得的一系列热膨胀曲线与不同冷却速度下的显微组织，确定各试样在不同冷速条件下的相变类型。使用Olympus金相显微镜和S-3400N型扫描电子显微镜进行显微组织观察。

热处理试样在来料SA508-3钢块上取样后在SSJ-13A型快速升温节能箱式电炉中进行热处理试验，具体工艺为880℃×1h淬火处理，冷却方式选择炉冷、砂冷和油冷，模拟大型锻件不同部位的冷却方式。而后，为了减少淬火内应力并使材料达到良好的塑韧性匹配，按照目前工业生产中常用的回火处理工艺对材料进行640℃×2h的回火处理。热处理后，按照GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》将材料加工成的平行段直径为Φ5的标准拉伸试样，在AG-1000KNG拉伸试验机上进行拉伸性能测试，按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》将材料加工成10mm×10mm×55mm的全尺寸标准夏比V型缺口冲击试样，测试材料低温冲击韧性。

表1 试验用SA508-3钢化学成分 wt%

2 试验结果与分析

2.1 不同冷速条件下的相变类型与显微组织

SA508-3钢完全奥氏体化后在连续冷却的过程中经过高温、中温和低温三个转变温度区间，由高温到低温存在铁素体转变区、珠光体转变区、贝氏体转变区和马氏体转变区。通过切线法分析在不同冷速条件下测得的热膨胀曲线结合显微组织观察，可以确定不同冷却速率下的相变类型，选取0.05、0.5、5、50℃/s四种典型冷却速度下的相变类型与显微组织讨论分析。根据图1可知冷速在0.05℃/s时，试样在连续冷却过程中由于冷速缓慢先后发生先共析铁素体相变、珠光体相变和贝氏体相变。图2a为冷速0.05℃/s试样的金相照片，冷速缓慢时碳原子能够充分扩散，可以发现组织为块状先共析铁素体、珠光体和粒状贝氏体组成。观察图2b扫描照片，此时先共析铁素体多以大小不同的块状出现，粒状贝氏体中的M-A岛较为粗大，弥散分布在基体上。

图1 冷速0.05℃/s的热膨胀曲线

图2 冷速0.05℃/s时的显微组织

根据图3冷速0.5℃/s时测得的热膨胀曲线可知，随着冷却速度的提高，先共析铁素体相变和珠光体相变被抑制，材料在连续冷却过程中发生中温区的贝氏体相变。观察图4a金相照片发现，基体组织为粒状贝氏体。观察图4b扫描电镜下的组织，粒状贝氏体由长条状M-A岛和贝氏体铁素体基体组成，M-A岛随机分布在贝氏体铁素体基体上。

图3 冷速0.5℃/s的热膨胀曲线

图4 冷速0.5℃/s时的显微组织

冷速为5℃/s时测得的热膨胀曲线如图5所示，随着冷速进一步增大，SA508-3钢发生贝氏体相变和马氏体相变的混合相变。由图6a可以看出，当冷速为5℃/s时可以得到下贝氏体和马氏体混合组织，下贝氏体呈黑色针片状，碳化物在金相下难以辨清，在扫描电镜下观察，下贝氏体由铁素体和大量的碳化物组成，其中碳化物多呈片状或颗粒状分布于铁素体基体内，见图6b。

图5 冷速5℃/s的热膨胀曲线

图6 冷速5℃/s时的显微组织

图7为试样在冷速为50℃/s时测得的热膨胀曲线，根据曲线可知由于冷速过快，远远超过开始形成马氏体的临界冷速，此时SA508-3钢发生马氏体相变。金相组织如图8a所示，能够发现基体组织为板条马氏体，观察图8b扫描照片，可见板条马氏体由许多尺寸大致相同，相互近于平行分布的细条状马氏体板条束组成，各板条束之间呈现一定角度。

图7 冷速50℃/s的热膨胀曲线

2.2 不同冷速下的试样显微组织和力学性能

热处理后炉冷、砂冷和油冷的各试样淬火态SEM照片如图9所示，可以发现热处理试验中炉冷、砂冷和油冷后的显微组织分别与热膨胀试验中冷速为0.05℃/s、0.5℃/s和50℃/s时的显微组织类似：炉冷时发生先共析铁素体相变、珠光体相变和少量贝氏体相变；砂冷时发生贝氏体相变；油冷时发生马氏体相变。

图8 冷速50℃/s时的显微组织

图9 SA508-3钢淬火态SEM图

调质处理后三种不同冷速的样品的强度如图10所示，炉冷试样的强度较低，抗拉强度为596J，屈服强度为410J，这是由于冷速较慢而使组织形成铁素体+珠光体造成的；而砂冷试样和油冷试样随着冷却速度的增加，组织中开始出现贝氏体或马氏体组织，抗拉强度Rm从642J提高到724J，屈服强度Rp0.2从500MPa提高到597MPa，体现出良好的强度。对比ASME标准可以看出，三种冷速下材料的强度性能均能达到SA508 Glade 3 Class 1的要求，但炉冷试样的强度低于ASME标准中SA508 Glade 3 Class 2的要求。

三种不同冷速条件下试样的-40℃冲击功如图11所示，炉冷试样和砂冷试样在-40℃时冲击功值较高且较为接近，分别为56J和47J；但砂冷试样单个最低值未能达到对夏比冲击的相关要求；油冷试样-40℃时的冲击功值高达116J，完全满足ASME标准要求，具有良好的低温冲击韧性。

图10 SA508-3钢不同冷速下的强度

图11 SA508-3钢不同冷速下的冲击功

3 结论

(1) SA508-3钢奥氏体化后以不同冷速冷却，冷速在0.01～0.05℃/s时，发生铁素体相变、珠光体相变和贝氏体相变；冷速在0.1～5℃/s时，发生贝氏体相变；冷速在10～50℃/s时，发生马氏体相变。

(2) SA508-3钢经880℃×1h淬火+640℃×2h回火处理后，炉冷、砂冷和油冷试样随着冷速增加，强度越来越高，其中油冷试样抗拉强度为724MPa，屈服强度为597MPa；油冷试样的低温冲击韧性较高，-40℃时的冲击功值高达116J。

(3) 较快冷速条件下，SA508-3钢可以达到强度和低温冲击韧性的良好结合，而随着冷速降低，材料的强度和冲击韧性同时下降。

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(责任编辑：马金发)

EffectofCoolingRateontheMicrostructureandMechanicalPropertiesofSA508-3Steel

WANG Tianrui1,ZHANG Yutuo1,WANG Pei2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China; 2.Institute of Metal Research,CAS,Shenyang 110016,China)

The thermal dilatometric curves of SA508-3 steel during the cooling process from 890℃ to room temperature with different cooling rates have been measured.The types of phase transformation at different cooling rates were determined by analyzing the thermal dilatometric curves and microstructure observed by optical microscopy (OM) and scanning electronic microscopy (SEM).It is found that ferrite,pearlite and bainite transformation occurs when cooling rate is during 0.01～0.05℃/s;Bainite transformation occurs when cooling rate is during 0.1～5℃/s;Martensitic transformation occurs when cooling rate is during 10～50℃/s.Furnace cooling,sand cooling and oil cooling have been used to simulate different cooling rates of different locations in a large forging,the microstructure and mechanical properties of the 3 specimens were tested after 880℃×1h quenching+640℃×2h tempering.The experimental results indicate that with the increase of cooling rate,the type of microstructure changed from ferrite and pearlite to bainite and martensite.A good combination of strength and low temperature impact toughness can be obtained under the condition of faster cooling rate.However,both the strength and impact toughness of the material decrease as the cooling rate decreases.

SA508-3 steel;cooling rate;microstructure;mechanical properties

TG142.1

A

2016-08-29

国家自然科学基金资助项目(51201167)

王天睿(1991—)，男，硕士研究生；通讯作者：张玉妥(1966—)，女，教授，博士，研究方向：金属材料制备工艺。

1003-1251(2017)05-0044-05