提高微合金化高强钢低温冲击韧性的研究

马 丽，骆 坤，李 斌

（1.共享装备股份有限公司检测中心（宁夏先进铸造重点实验室），宁夏 银川 750021；2.宁夏特种设备检验检测院，宁夏 银川 750021）

近年来，随着世界范围内油气资源消耗的递增和陆地原油开采速度的加快，海洋领域内的油气勘探开发已成为新的焦点。未来的15～20 年，将是我国海洋钻井市场实现快速发展的关键时期[1]。变速箱壳体是近海石油设备的关键部位，对微合金化高强钢（ASTM A148 Grade 105/85）的低温冲击韧性要求尤其严格。

微合金化高强钢是在借鉴微合金化轧钢研制经验基础上发展起来的。微合金化高强钢可在提高铸件强度和韧性的同时，保证良好的焊接、低温和铸造工艺性能。其强化措施主要来自合金组织的晶粒细化和固溶强化。要想获得较高强度并保证其低温冲击韧性，首先要进行合理的成分设计，其次选择合适的热处理工艺。本文以ASTM A148 Grade 105/85 材料为对象，研究了不同热处理工艺条件下微合金化高强钢的组织和力学性能，并对其进行了分析讨论。

1 试验材料及方法

ASTM A148 105-85 材料标准化学成分上仅规定了P 和S 的含量，分别是ω（P）≤0.05%、ω（S）≤0.06%，对力学性能有明确的要求，见表1.

ASTM A148 105-85 材料的性能要求与ZG30NiCrMo 极为相似，参考ZG30NiCrMo 材料要求设计化学成分，Si、Mn 元素对铁素体都具有较大的固溶强化作用，为提高钢强度，设计Si、Mn 含量较ZG30NiCrMo 材料要求稍高；为增加钢淬透性、提高钢韧性，加入少量Cr、Ni、Mo，分别浇注了两组不同Cr、Mo 含量的试块进行试验，试块化学成分见表2.

热处理方案确定为900 ℃、920 ℃、940 ℃分别淬火保温4 h，600 ℃、620 ℃、640 ℃分别回火保温4 h，热处理后对试样进行精加工，将冲击试样加工成10 mm×10 mm×55 mm 的夏比V 型缺口冲击试样，拉伸试样加工成φ10 mm 的标准试样。冲击试验在JB30 冲击试验机上按ISO 148-1：2016 进行。拉伸试验在CSS-44200 电子万能材料试验机上按ISO 6892-1：2016 进行，试样标距为50 mm.

表2 试块化学成分（质量分数，%）

2 结果分析与讨论

2.1 化学成分对金相组织、力学性能的影响

对试样进行920 ℃淬火保温4 h，620 ℃回火保温4 h 热处理试验，性能试验结果见表3.结果表明，1# 试块抗拉强度和屈服强度较好，2# 试样抗拉强度接近要求下限、屈服强度不合格；从-20 ℃冲击功来看，两个样品冲击功仅2#达到平均值要求，其余均不和格，冲击功整体不好。从-40 ℃冲击功来看，均符合要求。

表3 试块经920 ℃淬火保温4 h，620 ℃回火保温4 h 后的性能结果

图1 为试验钢920 ℃淬火保温4 h，620 ℃回火保温4 h 的显微组织。结果表明，两个试样大部分位置为保持马氏体位向的回火索氏体，有个别位置从形貌上看像贝氏体，可能是在淬火时形成少量的下贝氏体，回火后出现贝氏体形貌。1#试样的贝氏体组织较2#试样多，但索氏体组织较2#试样细密。

C 含量对钢的强度起到重要的作用，并能保证钢的淬透性和屈服强度；Mn 含量较高时，钢有明显的回火脆性，尤其是第一类回火脆性严重；Mo 在合金钢中一般是辅助元素，是较强的碳化物形成元素且能强烈提高钢的淬透性，主要用在硅钢和铬钢中，能有效地消除回火脆性，使之具有好的冲击韧性；Ni 是辅助元素，主要作用是提高钢的淬透性、韧性[2-4]。稍微提高C、Ni、Mo 的含量，提高材料的强度，并且Ni 的加入提高了材料的低温冲击韧性，略微降低Mn 的含量，Mn 含量高对冲击性能有坏的影响。重新浇注3#试块，化学成分见表4.

图1 试验钢920 ℃淬火保温4 h，620 ℃回火保温4 h 的显微组织

表4 3#试块化学成分（质量分数，%）

2.2 热处理对金相组织、力学性能结果的影响

对3# 试块进行900 ℃、920 ℃、940 ℃淬火保温4 h，600 ℃、620 ℃、640 ℃回火保温4 h 热处理试验，性能检测结果见表5.

表5 热处理工艺对力学性能的影响

对920 ℃淬火保温4 h，620 ℃回火保温4 h 为最佳热处理工艺，性能结果均合格，-20 ℃、-40 ℃冲击性能较1#试块提高50%左右；金相组织为细密的回火索氏体组织，如图3a）所示。

由表5 可以看出，随着淬火温度的升高，无论以何温度回火，ASTM A148 Grade 105/85 材料的强度、塑性都有所提高，但940℃淬火低温冲击韧性突然下降，这是由于过高的奥氏体化温度会引起过热现象，致使马氏体板条束粗大，如图3b）所示，最终导致热处理后低温冲击韧性降低，表现出明显的脆化倾向。

图3 3#试验钢显微组织

回火能使ASTM A148 Grade 105/85 材料的力学性能进一步提高的原因是通过正火得到的索氏体中的Fe3C 片在回火的温度下具有转变成颗粒状的自然趋势，经过一段时间之后原来的片状索氏体变得近似于颗粒状的索氏体，使钢的力学性能获得进一步提高。随着回火温度的升高抗拉强度、屈服强度都有一定程度的下降。淬火温度对组织性能影响较小，回火温度对抗拉强度及屈服强度影响较大，应该严格控制。

3 结论

1）针对ASTM A148 Grade 105/85 材料提高C、Ni、Mo 元素的含量，加入微量Ni 元素且略微降低Mn 元素的含量，经920 ℃淬火620 ℃回火后，性能结果均达到指标要求，冲击性能提高50%左右，金相组织为均匀致密的回火索氏体组织。

2）针对ASTM A148 Grade 105/85 材料过高的奥氏体化温度将引起过热现象，致使奥氏体晶粒粗大，严重损害低温冲击韧性。

3）针对ASTM A148 Grade 105/85 材料随着回火温度的升高抗拉强度、屈服强度都有一定程度的下降，回火温度对抗拉强度及屈服强度影响较大，应该严格控制。