模拟焊后热处理对12Cr2Mo1锻件力学性能的影响 *

杨建刚，王瑞明，刘海金，陈维刚，史伟,3

(1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314； 2.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室，甘肃 兰州 730314；3.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

12Cr2Mo1钢锻件是承压设备常用的材料，由于其服役环境苛刻，对其力学性能要求较高[1-2]。焊接是承压设备制造过程中必不可少的环节，为了消除焊接应力，焊接后必须进行焊后去应力退火处理，焊后热处理温度对其力学性能有着重要的影响。笔者旨在探讨12Cr2Mo1钢锻件最佳的模拟焊后热处理温度，并对温度过高或过低造成其力学性能指标偏差的原因进行分析，以期为生产实际提供指导。

1 试 验

1.1 化学成分

采用QSN750型直读光谱仪对12Cr2Mo1钢锻件试样进行化分成分分析(见表1)，化学成分符合NB/T 47008-2017 《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》标准要求。

表1 模拟焊后热处理试验试样化学成分 /%

1.2 试样模拟焊后热处理试验工艺

模拟焊后热处理试验热处理工艺如表2所列，各试样淬火温度均为910 ℃，保温1.5 h，回火温度710 ℃，保温3 h，模拟焊后热处理温度分别选择0 ℃，670 ℃，690 ℃，710 ℃，730 ℃，750 ℃，保温时间为26 h。

表2 模拟焊后热处理试验不同试样热处理工艺

1.3 力学性能试验

拉伸试验采用HUT605A 型微机控制电液伺服万能试验机，按照国标GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》要求制取冲击试样(10 mm×10 mm×55 mm)，用2602N-3金属摆锤冲击试验机进行冲击试验。表3是模拟焊后热处理试验各试样力学性能测试结果，1#试样没有经过模拟焊后热处理，强度指标高于标准要求值，冲击韧性也比较低，随着模拟焊后的提高，强度逐渐降低，塑性指标变好，在670 ℃～690 ℃时强韧性最好，当温度为730 ℃时，强度指标低于标准要求值，当温度为750℃时强度及冲击韧性指标均低于标准值。

表3 模拟焊后热处理试验各试样力学性能测试结果

1.4 金相分析

金相显微镜型号为GX51奥林巴斯倒置式金相显微镜，图1是不同模拟焊后热处理试样的金相分析照片，试样经4%硝酸酒精腐蚀，放大倍数为1000×，各试样显微组织均为贝氏体回火组织。随着模拟焊后热处理温度的升高，贝氏体铁素体针逐渐粗化，发生板条状贝氏体逐渐向粒状贝氏体转变，当模拟焊后热处理温度达到730 ℃时，晶界明显粗化，并在晶界处出现明显较多的析出相，晶内碳化物也随着温度的升高逐渐聚集长大。

2 分析与讨论

1#试样没有经过模拟焊后热处理，其强度指标高于标准要求值，塑性和韧性指标较低。2#、3#试样的强韧度最为理想，但是随着温度的升高强韧度又开始下降，当温度达到750 ℃时，材料的韧脆转变温度已经提高至-30 ℃以上。

如果不进行焊后热处理，势必会导致焊缝的开裂，如果模拟焊后热处理温度过低，强度指标会偏高，同时冲击韧性、塑性会偏低，更为重要的是对实际生产就缺乏具体的指导意义。

图1 不同模拟焊后热处理温度显微组织

模拟焊后热处理温度均低于相变温度，主要是由于改变了合金元素的析出及析出相的分布导致了性能发生变化。适宜的模拟焊后热处理温度，虽然晶界上有少量碳化物相析出，但晶内和晶界上析出的数量变化不大，新析出的碳化物的数量和尺寸增加不明显，这样就能保证该钢具有良好的低温韧性，并具有较低的韧脆转变倾向[3]。

对于主要的合金化元素Cr元素而言，模拟焊后热处理后，析出相已发生明显长大，且有大量含Cr的合金碳化物从钢中析出。通常情况下，Cr元素主要是以固溶方式存在于基体，固溶时可以有效地降低碳的扩散速度，增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。但如果Cr元素从钢中析出，就会引起晶界弱化，促进回火脆性的产生，从而产生准解理断口，其改善回火脆性的能力就会降低，从而引起材料冲击韧性的下降，导致韧脆转变温度的升高[4]。模拟焊后热处理同样改变了碳化物的分布或者使其沿晶界析出，使得碳化物对于解离裂纹的传播的阻碍作用被削弱。另一方面改变了位错的运动形式，提高了位错浓度，更加有利于位错的塞积，从而提高了材料的韧脆转变温度[5-7]，若模拟焊后热处理温度过高，就会导致冲击韧性下降甚至低于标准要求值。

对于强度及硬度指标而言，假如模拟焊后热处理温度过高，由于碳化物的聚集长大，位错开始脱离析出物的钉扎，因而使位错强化、析出强化、固溶强化的效果明显减弱，同时贝氏体板条也逐渐粗化，板条之间发生合并，形成多边形铁素体或者粒状贝氏体，再加上碳化物在晶界上的析出，导致晶界弱化，因此强度和硬度则随之下降[8-9]。

可见随着模拟焊后热处理温度的升高，是由于析出相在晶界的聚集长大，弱化了晶界，在晶内的长大削弱了固溶强化、位错强化、析出强化作用，同时改变了位错运动的形式，导致了12Cr2Mo1钢锻件强度、塑性和冲击韧性的下降。

3 结 论

通过热处理试验、拉伸试验、冲击试验和金相检验等手段分析了模拟焊后热处理温度对12Cr2Mo1钢锻件力学性能影响得出如下结论。

(1) 12Cr2Mo1钢锻件的模拟焊后热处理温度宜选择在670～690 ℃左右，这样就能够得到良好的力学性能。

(2) 模拟焊后热处理温度过低，强度就会高于标准要求值，得不到最优的冲击韧性和塑性指标，且缺乏对生产的实际指导意义。

(3) 模拟焊后热处理温度过高，析出相就会聚集长大，降低固溶强化、位错强化、析出强化等作用，并弱化晶界，同时改变了位错的运动形式，导致了12Cr2Mo1钢锻件的强度、塑性和冲击韧性的下降。

研究内容可以为12Cr2Mo1钢锻件产品制造过程中退火工艺的优化提供借鉴，为原材料复验过程中出现异常数据时分析提供指导。