热处理对钢的组织与性能的影响

1、热处理参数对钢性能和组织变化的影响锅炉管子的热处理锅炉设备中过热器管子、蒸汽导管等零部件在工业性生产中的热处理一般是正火+回 火。正火温度和回火温度的选择主要是根据管子性能要求而决定的。实验49 表明，为了获 得良好的强度与韧性匹配，9Cr-1Mo类钢最佳热处理工艺参数为:1060Clh正火+760C1h回 火。另外，需指出，随着钢的化学成分复杂化，钢管的正火温度有所提高。1-4-2.奥氏体化温度的影响热处理规范中奥氏体化温度对耐热钢性能有显著的影响。许多试验证明:随着奥氏体化 温度提高，使耐热钢的热强性增加。如1Cr-0. 5Mo钢、Mo-V钢、12Cr1MoV钢和 12Cr3Mo1VSiT

2、iB等管子钢均随正火温度提高而使钢的持久强度增加。日本的藤田利夫等人 57, 58曾研究过淬火温度对数种1296 Cr型钢持久强度的影响，也表明高的淬火温度通常具 有高的持久强度;并认为，第二相粒子的大小、数量、形状和分布及晶粒大小是导致不同温 度淬火后持久性能不同的主要原因。Ik-Min Park等59对低Si-12Cr-Mo-V-Nb钢的研究表 明:1100C淬火，其1000小时断裂强度比1050C淬火提高2A-3. 5kgf/mm2，而蠕变延伸率略 有下降，在550C至700C的蠕变温度下，下降了大约3人-5960材料的性能与材料内部的组 织结构有着密切的关系。实验证明:提高奥氏体化温度

3、可以引起a固溶体合金化程度增加、 晶粒尺寸增大、回火或使用过程中碳化物在基体上析出数量的增加及金相组织改变等。 这些因素的改变对耐热钢的热强性有一定的影响。文献60曾考察了奥氏体化温度对 20Cr11MoVNbNB钢的组织和性能的影响，提出了与上述一致的观点。下面简述与奥氏体化温度有关的一些因素：晶粒度一般地说，奥氏体化温度高，晶粒尺寸就大，同时影响固溶强化和析出硬化的合金元素 的固溶量也多。因此，对于利用固溶强化和析出硬化的实际耐热钢来讲，既受晶粒大小的 影响，也受合金元素固溶量的影响，一般认为后者的影响大，晶粒尺寸的影响，J、110文献6i对Cr-Mo-V钢650C持久强度的研究指出，持久

4、强度随奥氏体晶粒尺寸增大 而增加，但当奥氏体晶粒度超过6级（相当晶粒直径50 um）后，则持久强度开始下降或达到 饱和值;看来，奥氏体晶粒度不仅对室温强度，而且对持久强度也有一个最佳范围。文献 在总结了大量资料后指出，低合金耐热钢随着晶粒尺寸增大到某一范围时，钢的热强性提高， 而持久塑性和冲击韧性降低，钢的缺口敏感性增加。在选择热处理规范时，从晶粒度角度应 考虑其良好的综合性能，对管子用钢希望晶粒度在3-6级范围内。未溶碳化物奥氏体化温度对钢性能的影响，其实质是通过随后的淬（正）火工艺，来影响钢的组 织与结构。当奥氏体化温度偏低时，存在许多沿原奥氏体晶界少数在晶内）分布的较粗大未 溶碳化物。因

5、这些颗粒与基体金属的热胀系数不同，所以在急冷时，在这些粒子的周围产生 位错63, 64）f，而析出物在这种原因引起的位错上优先析出。在回火过程中，随回火时间 的延长及温度的提高，已析出的碳化物将聚集长大。K。H o 6 e e s。x，n 65, 66得出第二 相在固溶体中的溶解度与第二相粒子的半径r有关：Ln全=丝纽Coo RTp.r式中：Cr-第二相粒子半径为r时的溶解度C 一第二相粒子半径为00时的溶解度M 一第二相分子量P一第二相密度Y一单位面积界面能由上式可见，粒子半径r越小，溶解度Cr越大。粒子半径的大小差别越大，粒子 周围基体的溶质浓度差也愈大，溶质原子的扩散越快，从而加速了粒子

6、的粗化，使第二相粒 子的强化作用下降。所以，奥氏体化温度低时，持久强度低。C、s铁素体试验67. 68表明，当奥氏体化温度（淬火温度）低或保温时间短时，基体中由于第二相 溶解不充分及C, N扩散不充分，存在低C, N区，淬火时，出现s铁素体，降低了钢的高温 性能。文献69认为低、中碳合金钢的强度和塑性基本上取决于铁素体的含量，而与铁素体 的形状、大小及分布关系较小。当铁素体含量增加时，钢的强度下降，塑性也有降低的趋势。 文献70研究了含W, Mo, V的两种12%Cr型钢，认为6铁素体存在及其内部碳化物的析出 和长大降低了钢的强度、韧性及持久塑性。文献71也有相同的论述，认为s铁素体对钢在 高

7、温下工作是有害的，常常产生严重的脆性。1-4-3 .回火温度的影响回火温度对钢管的机械性能和高温持久强度的影响同样起着重要作用。回火主要目的 是使固溶体中析出细而弥散的碳化物相起沉淀强化作用，使合金元素在a固溶体和碳化物之 间合理分配，使合金元素在钢中进一步发挥有益作用。文献49）指出，9Cr-1Mo类钢，随回 火参数的提高，延伸率和断面收缩率得到改善。文献，指出，回火温度对耐热钢持久强 度的影响，目前尚无统一规律。但已有资料表明Cr-Mo-V钢，当回火温度高于650C以后， 随回火温度提高，钢的持久强度降低;Cr-Mo-V钢中也出现回火脆性，并提出了一些新的观 点:引起回火脆性的决定因素是碳

8、化物分布状态，而不是碳化物析出数量残余奥氏体的分解 造成晶界结构的变化及晶格歪换理论。试验72表明:12%Cr型耐热钢在300A500C之间出 现二次硬化现象;当550C回火时，会出现可逆回火脆性;在回火温度低于300C时，表现为 沿晶断裂;回火温度高于600C时，为韧性断裂。其原因在于C由原奥氏体边界向马氏体板 条界扩散，而Cr, P, Sn等元素扩散到原奥氏体边界造成脆断，当然这一非平衡扩散有待进一 步研究。MC碳化物是由强碳化物形成元素所形成的合金碳化物。它既可以在位错上析出90， 也可以在层错等处析出91, 92，或者在两者上都析出93, 94。由于MC碳化物颗粒尺寸 较小，分布较为均

9、匀，故能有效地钉扎晶内位错的运动，从而继续使晶内保持较高的位错密 度。即使在较高温度下保持很长的时间，MC碳化物也无聚集长大的迹象。含Mo钢回火的二次硬化现象一般认为是由于Mo2C析出的作用，通常Mo2C是在Fe3C 的析出后作为亚稳定的碳化物析出的。一般认为Mo2C是单独析出的，过程中伴防着渗碳 体的溶解82, 95。关于Mo在位错上形核的报道也有不少96, 97。1-7.组织变化与性能的关系正（淬）回火基体中具有高密度位错和较细小的第二相。第二相变化规律如前所述。基体 在高温回火时，由于第二相的钉扎作用，位错只作回复变化，一般不发生再结晶现象”09。 但当时效或高温长期运行时，则发生了回复

10、与再结晶。在组织对耐热钢强度的影响机理上，有两种不同的观点:一种认为基体中的亚结构及固 溶强化占主导地位110。由于钢中有较多的强碳化物形成元素，与碳的亲和力较大，强烈 阻止C, N原子的扩散，使基体保持较高的固溶度，以使C, N原子与位错作用形成Cottrol 气团而强化、同时由于_总,.Mo、一Ni原子的尺寸与Fe原子的尺寸不同，造成一定程度的 晶格畸变，使得耐热钢强化111;另一种则认为第二相的弥散强化及随后Laves相的弥散强 化是热强钢高温强化的主要矛盾11zo n . B00000000 口等认为高温下，基体的回复与再结 晶主要是靠位错的攀移，而弥散的碳化物和Laves相对阻止位错的攀移是最有效的。但第二 相的长大、粗化又大大降低了热强性113。近来的研