12Cr1MoVG铁素体形态黄块组织研究

2014-10-23杨讯，张冰

天津冶金 2014年1期

杨讯，张冰

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

1 引言

12Cr1MoVG是合金管的一种材质，是在优质碳素结构钢的基础上，适当加入一种或数种合金元素，用来提高钢的力学性能，主要用途是制作高压锅炉管产品，通常以正火加回火状态交货。标准对于成品无缝管的显微组织规定金相组织应为铁素体加珠光体（包括粒状贝氏体），不得存在如黄块马氏体等的两相区不完全转变产物[1]。12Cr1MoVG高压锅炉管产生黄块马氏体的主要原因是热处理不当，正火温度不足或回火超温，这种组织在光学显微镜下呈现黄色，产生的黄块马氏体混合组织使钢的室温强度提高，从而使其持久强度降低，尤其是回火超温出现的混合组织对持久强度影响更大。

在12Cr1MoVG无缝钢管的生产中，金相组织中往往存在另一种黄块组织，这种组织虽然也呈黄色，但不同于黄块马氏体，其显微硬度较低，在光学显微镜下观察为铁素体形态,因此在金相检测中往往被认定为铁素体组织，其黄色的表象也被认为是由于取向的不同而导致的光学现象。从金相组织入手，通过扫描电镜进行形貌和能谱分析，结合显微硬度结果发现，此类铁素体形态的黄块组织既不是黄块马氏体，也不是铁素体，而应为未完全转变的贝氏体组织，此类组织的产生对12Cr1MoVG锅炉管产品的性能并无影响。

2 试验及分析

2.1 力学性能

试验选用TPCO生产的锅炉管12Cr1MoVG，采用斜轧穿孔+连轧的方式进行热成型加工，规格为∅273.00 mm×22.00 mm，热处理工艺为980℃×40 min空冷+720℃×60 min空冷，使用万能材料试验机上进行拉伸试验，测量材料的常规力学性能，室温下的强度结果为屈服强度410 MPa，拉伸强度为545 MPa，夏比冲击功采用10 mm×10 mm×55 mm试样，纵向冲击功为Akv=262 J，力学性能均符合产品标准要求。

2.2 金相分析

在成品管上切金相试样并经磨制、抛光、腐蚀后，用蔡司公司的A1m正立智能材料显微镜观察试样的显微组织。图 1（a）、（b）是12Cr1MoVG 的低倍和高倍金相组织，从图1（b）中可以看出生产的12Cr1MoVG锅炉管金相组织主要以铁素体形态的黄块组织为主，铁素体、珠光体和少量的粒状贝氏体组织。

图1 12 Cr1MoVG金相组织

标准GB5310—2008中对12Cr1MoVG组织的要求为铁素体+粒状贝氏体或铁素体+珠光体或铁素体+粒状贝氏体+珠光体，允许存在索氏体，但不允许存在相变临界温度Ac1～Ac3之间的不完全相变产物（如黄块状组织）。因此，对于图1中铁素体形状黄块组织是否为标准要求不允许的两相区黄块组织需要进行试验证明，以定义其组织状态。

2.3 CCT曲线分析

为了明确不同热处理状态下12Cr1MoVG的组织形态，使用DT-1000淬火膨胀仪对此钢种进行了CCT曲线的绘制，如图2所示，图中横坐标为时间（s），纵坐标为温度（℃）。随着冷却时间的增加，冷却速度降低。图2中标识了12Cr1MoVG在各种冷却速度下经过的显微组织区域，通过图中标识表明，冷却速度超过200℃/s的情况下，得到马氏体组织，冷却速度在60～200℃/s之间为贝氏体组织，低于60℃/s为铁素体+贝氏体，直至1℃/s左右为铁素体+珠光体+贝氏体，低于1℃/s为铁素体+珠光体。此钢种生产采用的热处理工艺为正火+回火，正火为空冷，速度应小于10℃/s，CCT曲线上显示为铁素体+珠光体+贝氏体组织，对比2.2节中的金相分析结果，除黄色块状组织外都符合。

图2 12 Cr1MoVG钢CCT曲线

2.4 热处理工艺对比

图3 不同热处理工艺下12 Cr1MoVG金相组织

为了排除生产意外情况导致的组织异常，根据CCT曲线的结果，制定了三种热处理工艺对12Cr1MoVG钢进行重新热处理，以验证生产过程中是否有异常情况产生。三种热处理工艺分别为A：980℃×40 min空冷+720℃×60 min回火；B：980℃×40 min风冷+720×60 min回火；C：980 ℃×40 min油冷+720×60 min回火。图3是3种不同热处理工艺下的金相组织。其中，第一种工艺为正常生产工艺，第二种工艺试图得到50℃/s的冷却速度，第三种工艺试图得到150℃/s的冷却速度，以观察不同冷速状态下金相组织的形态。

图3中的组织与CCT曲线一致，说明生产工艺过程不存在问题，同时黄块组织在（a）、（b）两种热处理工艺下皆产生，经CCT曲线判断此两种工艺不可能产生马氏体组织，因此排除黄块马氏体组织的可能。

2.5 显微硬度

为确定铁素体形态黄块组织的具体组织类型，对应图1（b）中的金相组织，使用德国Z w i c k公司的Z H V 1-m显微维氏硬度计对12 Cr1MoVG中不同组织部位进行了显微硬度的测量，其中白色铁素体维氏硬度H V 0.1为190，珠光体为313，黄色块状组织为220。黄块组织H V 0.1的硬度为220，接近粒状贝氏体的显微硬度值，从硬度上看是一种贝氏体组织，但由于光学显微镜的放大倍数不足以观察到黄块组织是否为贝氏体组织形态，因此需要进行扫描电子显微镜分析。

2.6 扫描电镜分析

使用EVO50XVP扫描电镜对12 Cr1MoVG进行组织分析，组织照片如图4所示，其中图4（a）为1200 X下的组织，深色部分（标识为F）为铁素体组织，含有析出相的部分（标识为P）为珠光体组织，区别于深色部分的铁素体形态的（标识为Y）为黄块组织。为了观察黄块组织的微观形态，把黄块部分组织放大到2000倍，如图4（b）所示，可见晶粒中有片状的析出相产生。

图4 不同倍数下12 Cr1MoVG钢扫描电镜结果

黄块组织中的析出相不仅以片状存在，通过扫描电镜观察的其他的黄块组织中，析出相同样也以颗粒状或有取向地进行分布，如图5所示。

由图4、图5可知，铁素体形态的黄块组织存在析出相，因此不是一种铁素体组织，应该为贝氏体组织，但析出相仅限于从晶界向内的微量析出，对比珠光体中的析出相，黄块组织中的析出相尺度较小，应为未完全转变的贝氏体组织。

图5 不同倍数下12 Cr1MoVG钢扫描电镜结果

黄块组织在显微镜下虽然形态和铁素体相似，但在显微镜下呈现黄色表象，铁素体因为其不含有析出相而在金相制样的腐蚀过程中呈现均匀腐蚀，在光学显微镜下入射光由于样品表面腐蚀均匀而反射回大部分的入射光，因此铁素体在显微镜下为白亮色。黄块组织在光镜下呈现黄色，主要因为其铁素体基体上有微量细小的析出相产生，散射了部分入射光，因此反射光呈现黄色，不同于珠光体的情况，珠光体由于析出相的颗粒较大，因此入射光几乎完全被散射，在光镜下看为深黑色。

判断黄块组织为未完全转变的贝氏体组织的另两个参考因素为CCT曲线和显微硬度，通过CCT曲线，结合热处理工艺发现12 Cr1MoVG在生产工艺下只能得到铁素体+珠光体+贝氏体的组织，同时显微硬度值也表明黄块组织是一种贝氏体组织。由于厚壁12 Cr1MoVG锅炉管厚度在22m m，在正火过程中芯部冷速会远远低于内外表面，造成冷速的不均匀，冷却过程中应仅仅在短时间内跨越CCT曲线中的贝氏体区域，从图1（b）中可知，常见的贝氏体组织极少，在跨越贝氏体区域过程中已经初步形成贝氏体组织，由于冷速过慢导致没有充分析出而形成未完全转变的贝氏体组织。从性能上看，此类组织对产品的力学性能没有影响。