ni-cr-mo-b超厚钢板的厚度方向微观组织演变

ni-cr-mo-b超厚钢板的厚度方向微观组织演变

随着海洋油气需求和开采深度的增加，海洋工程设备逐步原型化，对海洋平台用钢的尺寸、规格和性能要求也不断提高。其中，厚板和高弹奏板的厚度表现出很大的高差。本研究对工业生产的117mm厚Ni-Cr-Mo-B齿条钢进行了全厚度逐层解剖分析，发现了不同的截面效应，在整个厚度方向上冲击功变化曲线呈现“M”型，即表层和芯部的冲击功均较低，而1/8T处的冲击功最高。因此，有必要对该117mm厚的Ni-CrMo-B齿条钢全厚度的显微组织进行观察，包括夹杂物、元素偏析、组织类型、原始奥氏体晶粒尺寸、有效晶粒尺寸、板条宽度、碳化物的尺寸与分布等多种因素，并综合分析上述因素对齿条钢力学性能的影响，为消除Ni-Cr-Mo-B超厚齿条钢板的截面效应提供理论指导。1试验结果分析实验材料为工业化生产的117mm厚的Ni-CrMo-B齿条钢，其制备工艺如下：先模铸，后轧制，再进行调质处理。淬火温度为900℃，保温后采用表面高压喷水冷却，回火温度为630℃，保温后空冷处理。对实验超厚板沿厚度方向分别取样进行成分、夹杂物、力学性能及显微组织等的观察和分析，取样方式如图1a所示。将超厚板沿整个厚度方向(ND)平均分为9层(每层13mm)，分别用0T、1/8T、1/4T、3/8T、1/2T、5/8T、3/4T、7/8T和1T等表示不同位置处的拉伸和冲击样品。在距表面不同厚度位置分别取样进行显微组织的观察，如用6mm来表示观察面为距表层厚6mm处的组织，也代表0T冲击样品中心部位的组织，而19和58mm分别表示1/8T和1/2T冲击样品中心部位的组织。表1和2分别为超厚板不同位置的化学成分和夹杂物评级。由表1可见，超厚板表层和芯部的主元素、微量元素和杂质元素含量基本相同，说明实验用超厚板在厚度方向上的化学成分均匀，而不同厚度位置处的夹杂物差别也不大(表2)，且均以细系为主，仅有少量的0.5～1.0级的D类和0～0.5级的DS类夹杂物。在不同厚度位置分别沿横向(TD)和轧制方向(RD)取拉伸和冲击试样，比较超厚板在2个方向上的性能差异。拉伸实验和冲击实验分别参考GB/T228.1-2010和GB/T229-2007进行，其中拉伸试样的平行段尺寸为直径5mm、长30mm，冲击样品为10mm×10mm×55mm的CharpyV型缺口试样，缺口沿厚度方向，拉伸实验在室温下进行，冲击实验温度为-60℃，测试结果均取3个试样测试结果的算术平均值。原始奥氏体晶粒和显微组织观察用的样品依次经过水砂纸机械研磨、金刚石抛光膏抛光，然后进行腐蚀，前者采用热腐蚀，腐蚀剂为过饱和的苦味酸水溶液(添加几滴洗涤剂)，后者采用4%(体积分数)硝酸酒精腐蚀。采用GX51型光学显微镜(OM)进行原始奥氏体晶粒和金相组织的观察，其中随机选取5个以上不同视场，采用截线法对原始奥氏体晶粒尺寸进行统计。采用MERLINCompact场发射扫描电镜(FESEM)对显微组织进行观察，采用S-3400N扫描电镜(SEM)对冲击断口进行断口形貌观察，同时对冲击断口的剖面进行裂纹扩展路径观察，冲击断口的剖面取样方案如图1b所示。电子背散射衍射(EBSD)样品经过研磨和抛光后采用电解抛光方法制备，电解液为10%(体积分数)的高氯酸酒精溶液，电解电压和时间分别为15V和30s,EBSD数据搜集采用MERLINCompact场发射电镜中集成的Ox‐fordNordlysF2结果2.1冲击功与强度图2为Ni-Cr-Mo-B超厚板在RD和TD2个方向上的屈服强度、延伸率和-60℃冲击功沿厚度方向的变化曲线。由图可见，超厚板各个厚度位置的横向、轧制方向性能基本一致，比如芯部的横向、轧制方向屈服强度分别为719和718MPa，延伸率均为22.0%，冲击功分别为16和20J。因此，整个厚度方向横向、轧制方向力学性能的变化规律相同。以轧制方向力学性能为例(下文均指轧制方向性能)，表层到芯部屈服强度逐渐降低，其中表层和芯部的屈服强度分别为798和718MPa；延伸率基本相同，其中表层和芯部的延伸率分别为20.0%和22.0%。厚度方向上的冲击功变化较大，其中表层和芯部的冲击功相差不大，都较低，分别为35和20J，而1/8T处的冲击功为160J，明显高于表层和芯部。在整个厚度方向，冲击功变化曲线呈现“M”型，即表层和芯部冲击功低，而1/8T处冲击功高，该截面效应与文献2.2碳化物对超厚板微观结构的影响针对超厚板在厚度方向的冲击功存在较大差异，对超厚板不同厚度位置处分别进行原始奥氏体晶粒和微观组织的观察。图3为Ni-Cr-Mo-B超厚板6、19和58mm位置的原始奥氏体晶粒形貌。由图可见，上述3个位置的原始奥氏体晶粒尺寸不同，从表层到芯部，原始奥氏体晶粒尺寸逐渐增加，分别为17.5、24.4和29.5μm。图4为Ni-Cr-Mo-B超厚板距离表面不同位置处的OM像。由图可知，1～24mm处的组织均呈现板条特征，其中1mm处为典型的回火板条马氏体组织(LM图5为Ni-Cr-Mo-B超厚板6、19和58mm处的SEM像。由图可见，6mm处组织为LM图7为超厚板不同位置处的晶界分布图，其中黑线表示大角度晶界(highanglegrainboundaries,HAGBs)，红线表示小角度晶界(lowanglegrainbound‐aries,LAGBs)。由图可见，从表层1mm到19mm,HAGBs密度逐渐增加(图7a～d)，随后开始逐渐下降(图7e和f)。由图7e和f可见，在32和58mm处出现HAGBs分布不均匀的现象，并且芯部58mm处最明显。这是因为24mm以上位置存在2种不同组织，其中HAGBs密度较大的区域(A和C)为LB进一步采用TEM对超厚板不同位置处的微观结构进行观察，同时观察碳化物特征。图9为Ni-CrMo-B超厚板6、19和58mm位置处的TEM像。由图可见，超厚板6和19mm位置处均为板条(lath)结构(图9a和b)，芯部除了具有板条结构的区域(图9c)，还存在明显的块状区域(图9d)，这是因为该位置处存在块状的GB3分析与讨论3.1碳化物与流变剂的组织分解Ni-Cr-Mo-B超厚板不同厚度位置处显微组织的不同与超厚板的生产制备工艺密切相关，超厚板在制备过程中不同厚度位置处轧制变形量的不同、淬火冷速的不同等都会显著影响显微组织Ni-Cr-Mo-B超厚板的厚度较大(达到117mm)，淬火时从表层到芯部存在较大的冷速梯度，从而导致厚度方向形成梯度变化的显微组织。研究Ni-Cr-Mo-B超厚板淬火后进行了630℃高温回火处理，此时不同厚度位置处形成的不同淬火组织均要发生分解，LM和LB均会分解为α-Fe和碳化物，而GB组织的分解则相对复杂。GB由贝氏体铁素体(BF)基体和岛状马氏体-奥氏体(M-A)2部分组成，630℃高温长时回火过程中，BF和M-A岛也都会分解为α-Fe并析出碳化物。由此可见，虽然NiCr-Mo-B超厚板不同厚度位置处具有不同的淬火态组织，但回火之后均由α-Fe基体和碳化物组成。因此，工业化生产的Ni-Cr-Mo-B超厚板不同厚度位置处组织的差别，本质上可归结于基体α-Fe和第二相碳化物的差别。碳化物的差别与其淬火态组织类型不同有关。在回火过程中，LM和LB等发生分解时，析出的碳化物尺寸比较细小(图9e～g)，而GB组织中M-A岛的C含量相对较高，其尺寸多为微米级对Ni-Cr-Mo-B超厚板而言，基体α-Fe具有丰富的亚结构。一般认为，低碳马氏体或贝氏体中一个原始奥氏体晶粒往往分割为板条束(packet)、板条块(block)和板条(lath)，其中Block边界为HAGBs，而板条边界总是LAGBs3.2厚度方向上的冲击功从表层到芯部，Ni-Cr-Mo-B超厚板不同厚度位置处的屈服强度逐渐降低，延伸率变化不大；冲击功的变化最大，表层和芯部冲击功相当，均不超过40J，而1/8T位置处冲击功可达160J。合金钢的力学性能主要取决于成分和微观组织，前面的分析表明超厚板在厚度方向上成分均匀，而各位置处的夹杂物含量均较少，不会引起厚度方向上力学性能的显著变化。虽然Ni-Cr-Mo-B超厚板在不同厚度位置处均由α-Fe基体和碳化物2相组成，但α-Fe基体的有效晶粒尺寸和碳化物尺寸存在明显不同，从而造成超厚板不同位置处力学性能存在差异。有研究其中，k其中，M为析出强化系数，G为剪切模量，b为Burg‐ers矢量模，f为析出相的体积分数，R为析出相的平均半径。由上式可见，Δσ与强度相比，超厚板厚度方向上的冲击功差别较大。冲击断裂过程可分为裂纹启裂和裂纹扩展2个阶段，而碳化物一般被认为作为裂纹源可导致解理裂纹的萌生，且碳化物尺寸越大，裂纹越容易启裂，从而降低材料的冲击功铁素体晶粒尺寸(d其中，T为了更好地分析超厚板的韧化机制，对超厚板不同位置处冲击断口剖面进行了观察分析，如图12所示。图中剖面区域均选自冲击断口的解理区，其中样品和镶嵌料的边界为初生裂纹，初生裂纹由曲折的多条线段组成，每一条线段为裂纹向前扩展一次穿过的路径，定义为单位初生裂纹路径(图12中线段所示)，单位初生裂纹路径的平均长度为单位初生裂纹长度(unitprimarycracklength,UPCL)。一般认为，UPCL越小，偏转角度越大，裂纹偏转次数越多，材料对裂纹的阻碍作用越强，表示材料的冲击韧性越高4厚度方向上显微组织的变化(1)工业化生产的117mm厚Ni-Cr-Mo-B超厚钢板，在厚度方向上存在较大的力学性能差异。从表层到芯部，超厚板的屈服强度逐渐降低，表层和芯部的屈服强度分别为798和718MPa，而延伸率变化不大，均在20.0%～22.0%。然而超厚板的-60℃冲击功变化较大，从表层到芯部冲击功先增加后减小，1/8T的冲击功最高，为160J，表层和芯部的冲击功则较低，分别为35和20J，使得整个厚度方向上的冲击功变化曲线呈现“M”型。(2)Ni-Cr-Mo-B超厚钢板厚度方向上的显微组织存在较大差异，其中表层为回火板条马氏体(L