正火温度对高强度贝氏体钢管组织和性能的影响

Effect of normalizing　tempprature　on　microStructure　and properties　of　High　Strength　Bainitic　Steel　pipe

为了研究正火温度对新研制的高强度贝氏体钢管组织和性能的影响，将其经过热处理试验后，采用拉伸及冲击试验进行力学性能测试，运用扫描电子显微镜及光学显微镜进行组织形貌观察，利用X射线衍射进行物相分析。研究结果表明：随着正火温度的提高，贝氏体钢管的抗拉强度呈降低的趋势，当正火温度为930℃时，钢管的抗拉强度、延伸率及断面收缩率较高，冲击功出现最大值，为最佳正火温度。不同正火温度加热，贝氏体钢管的显微组织均为无碳化物贝氏体和少量的铁素体，930℃加热组织细化程度较高，超过930℃加热，组织中板条贝氏体的比例增加，板条组织长度增加，组织粗化。930℃加热空冷、300℃回火，无碳化贝氏体钢管的力学性能为强度(rm)为971Mpa，延伸率(a)为18.3％，断面收缩率(z)为69％，冲击功Akv为82.6J。

关键词：无碳化物贝氏体钢；正火温度；显微组织；力学性能

钢管作为钢铁产品的重要组成部分，根据其制造工艺分为无缝钢管、焊接钢管和铸造钢管[1]，无缝钢管一般以圆胚通过热轧获得，焊接钢管用热轧板卷或带坯成型后焊接而成，铸造钢管通过铸造的方法获得。钢管为了提高强韧性一般需要进行热处理，对于高强度钢管采用的热处理方式为淬火＋高温回火，淬火热处理变形较大，甚至出现缺陷[2]。

高强度贝氏体钢热处理采用正火方式获得，热处理变形较少，可避免淬火缺陷，获得较高的强韧行及耐磨性。各种类型的贝氏体钢已应用于矿山、电力、石油及工程机械等方面[3－5]。对于钢管材料，采用合适的正火温度可以细化钢管的组织，提高其力学性能，对于低强度等级的钢管，目前已有关于正火温度对其组织和性能影响的相关研究，如文献[6]研究了正火温度对强度为491～499Mpa级钢管组织性能的影响，结果表明，830℃正火时，其力学性能最高。

文献[7]研究了正火温度对强度为460Mpa高频电阻焊钢管组织和性能的影响，结果表明，在850～1　000℃范围内加热，当加热超过950℃时的钢管强度较高，钢管的焊缝区在900～1000℃的正火加热温度范围内，随加热温度的升高，强度升高。但对于高强度钢管，正火温度对其组织和力学性能的影响文献较少。因此，本文通过研究正火温度对新研制的高强度无碳化物贝氏体钢管组织和力学性能的影响，确定合适的正火加热温度，为实际贝氏体钢管正火奥氏体化温度的确定提供了参考，对于无碳化物贝氏体钢管实际的热处理工艺参数制定具有重要的实践意义。

1实验材料及方法

实验材料为一种新研制的贝氏体钢管，钢管由厂家协作制成，试验材料的化学成分(质量分数ｗ/％)为ｗ(c)＝0.08％～0.15％、ｗ(Si)＝0.8％～1.5％及ｗ(mn)＋ｗ(cr)＋ｗ(mo)＋ｗ(V)≤3％。贝氏体钢管管材的生产过程为：100t电炉冶炼＋钢包精炼(ladlE　furnacE，lf)＋真空处理(Vacuum　dEgaSSing，Vd)，连铸成直径为430mm的铸锭。钢锭经加热、热穿孔、钢管连轧、定径及冷床冷却，热轧成尺寸为420mm×16mm的钢管。试验材料的力学性能试样均取自于热轧态钢管。采用JB－300型摆锤式冲击试验机对试样进行冲击，将其加工成10mm×10mm×55mm的V型缺口冲击试样；利用ddl300型拉伸试验机进行试样的拉伸，将其加工成直径为8mm的标准短拉伸试样；使用niKon　EpiHot－300显微镜观察试样的金相组织，组织腐蚀液为4％硝酸酒精溶液；采用Ｑuanta　400扫描电子显微镜(Scanning　ElEctron　microScopE，SEm)观察试样的组织形貌；使用X射线衍射仪(X－raY　diffrac－tomEtEr，Xrd)(型号：Xrd－6000)分析实验材料物相。根据实验材料的ac3相变温度测定结果，确定实验材料的正火热处理加热温度分别为850℃、870℃、890℃、910℃、930℃、950℃和970℃，保温时间为30min，空冷。由于贝氏体钢管在250～350℃回火时的强韧性较高[8]，故选择不同温度正火后进行300℃回火，热处理设备为cY00－1型箱式电阻炉。

2实验结果及分析

2.1正火温度对贝氏体钢管力学性能的影响

图1为正火温度(t)对高强度贝氏体钢管力学性能的影响曲线。从图1(a)可以看出，贝氏体钢管的强度(rm)随正火温度的上升呈下降趋势，但变化幅度不大，抗拉强度在1000～962Mpa之间，因此，在不同加热温度下贝氏体钢管均具有较高的强度。图1(B)为无碳化物贝氏体钢管冲击功(Akv)随正火温度的变化曲线，由图1(B)可以看出，随正火温度的提高，冲击功有增加的趋势，加热温度在930℃时冲击功出现最大值，为82.6J，超过930℃加热，冲击功下降。图1(c)为贝氏体钢管延伸率(a)随正火温度的变化曲线，由图1(c)可以看出，随正火加热温度提高，延伸率有增加的趋势，在950℃加热出现峰值；加热温度为930～950℃时，延伸率指标较高，在18.3％～18.6％区间；超过950℃加热，延伸率下降；在970℃加热，最低延伸率指标为16.5％。图1(d)为贝氏体钢管断面收缩率(z)随加热温度的变化曲线，由图1(d)可以看出，随正火加热温度的提高，断面收缩率有增加趋势，930℃加热，断面收缩率出现峰值，超过930℃加热，断面收缩率下降。

贝氏体钢管的力学性能随正火温度变化的原因为，随正火加热温度的提高，奥氏体转变比较充分，奥氏体组织中合金元素的固溶度增加，提高了奥氏体的稳定性，增加了正火热处理后组织中的残余奥氏体量，提高韧性，降低强度。但当温度过高时，贝氏体钢管的组织长大，造成晶粒粗化，降低强度及其塑性。超过950℃加热，冲击功有所升高，虽然组织粗大，但是过高的加热温度会造成组织中的残余奥氏体量增加，提高韧性[9－11]。虽然930℃加热时实验材料的抗拉强度的值并非最高，但与其他加热温度相比，其抗拉强度的降低幅度不大，而延伸率和断面收缩率较高，冲击功在930℃加热时最高。因此，从强度和韧性的配合来看，贝氏体钢管最佳的正火温度为930℃。930℃加热空冷，300℃回火获得的力学性能为rm＝971Mpa，a＝18.3％，z＝69％，Akv＝82.6J。

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图1无碳化物贝氏体钢管力学性能随正火温度的变化曲线

2.2正火温度对贝氏体钢管物相及组织的影响

图2为贝氏体钢管在不同温度下(850℃、890℃、930℃和970℃)加热正火，300℃回火冲击试样的Xrd衍射图谱。由图2可以看出，不同温度加热正火，300℃回火时，贝氏体钢管的Xrd衍射峰主要有铁素体峰(α)和奥氏体峰(γ)，无碳化物峰存在，说明组织中无碳化物相存在。因此，在不同正火温度加热、300℃回火的条件下，贝氏体钢管的组织应为贝氏体铁素体和奥氏体组织，为无碳化物贝氏体组织。

图3为贝氏体钢管在不同温度加热正火，300℃回火的显微组织形貌图。结合图2的Xrd衍射分析可知，实验材料在850～970℃加热，300℃回火时，显微组织均为贝氏体铁素体和残余奥氏体，即为无碳化物贝氏体组织。由于组织中无碳化物相的存在，典型的贝氏体组织中的碳化物被奥氏体取代，且奥氏体为韧性相，可以提高贝氏体钢的塑韧性、耐磨性及接触疲劳寿命[12－14]。因此，无碳化物贝氏体组织具有良好的韧性。

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图2不同正火温度冲击试样的Xrd衍射图谱

由图3(a)可知，850℃加热时的显微组织主要由粒状贝氏体组织、板条无碳化物贝氏体组织和少量块状铁素体组成。粒状贝氏体是由贝氏体铁素体基体上大体呈方向性排列的马氏体(m)－奥氏体(a)岛组成，m－a岛的形成是由于冷却过程中，碳原子由铁素体/奥氏体界面向奥氏体内扩散，使残余奥氏体含碳量升高，发生稳定化，随后冷却过程中部分富碳奥氏体发生马氏体转变，与稳定化奥氏体形成m－a岛[15]。850℃加热空冷形成的板条状贝氏体组织的板条较长，组织较为粗大。随着加热温度提高，正火组织有所细化。由图3(B)可知，870℃空冷下的显微组织主要由粒状贝氏体组织和少量块状铁素体组成，与850℃加热正火组织相比，其组织中长板条较少，组织有所细化。图3(c)和图3(d)分别为890℃及910℃加热空冷的显微组织，与870℃加热正火组织形貌一致，也为粒状贝氏体和少量的块状铁素体。

由图3(E)可知，930℃加热正火的显微组织主要为粒状贝氏体和板条状无碳化物贝氏体，与前几个加热温度的组织相比，930℃加热的组织更加细化，具体表现在一个原奥氏体晶粒内出现不同位相

的转变组织，组织细小可以提高实验材料的冲击功。由图3(f)可以看出，930℃加热正火时，无碳化物贝氏体铁素体中残余奥氏体分布在板条贝氏体的板条之间，贝氏体铁素体之上分布的被奥氏体包围的岛状物为m－a岛[16]。

由图3(g)可知，950℃加热正火的显微组织主要由板条状贝氏体、粒状贝氏体和少量铁素体组织组成，这是由于随着加热温度提高，贝氏体板条长度增加，晶粒有所粗化，晶粒尺寸增加会降低实验材料的韧性。由图3(H)可知，970℃加热正火的显微组织主要为粒状贝氏体、板条状贝氏体及少量的块状铁素体，但与前几个加热温度的组织相比，其板条长度明显增加，晶粒粗化，但板条束尺寸未粗化，由于板条束较细，再加之残余奥氏体对韧性的有益作用，实验材料具有较高的冲击功。

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图3不同正火温度加热，300℃回火下冲击试样的组织形貌

3结论

1)无碳化物贝氏体钢管随正火加热温度的提高，抗拉强度有降低趋势，总体降幅较小，当正火温度为930℃时，材料的抗拉强度较高，冲击功达到最高值，延伸率和断面收缩率较高。实验材料最佳的正火加热温度为930℃。930℃加热正火，300℃回火时，无碳化物贝氏体钢管的力学性能为：rm＝971Mpa，a＝18.3％，z＝69％，Akv＝82.6J。

2)无碳化物贝氏体钢管在不同温度加热正火，其显微组织主要为无碳化物贝氏体和少量块状铁素体，在930℃加热，其组织细化程度较高，超过930℃加热，随加热温度升高，无碳化物贝氏体钢管组织中板条贝氏体组织比例增加，板条长度增加，组织粗化。