回火温度和有效厚度对CF-62钢力学性能影响

这是原创性的一篇文章，试验和结论都是自己做、自己分析的。作者是兰石的一位女工程师，写出来也不容易，大家鼓励鼓励吧。
回火温度和有效厚度对CF-62钢力学性能影响
CF-62钢为高强度低温用钢,其突出优点是具有低的裂纹敏感性,主要被用于焊制城市煤气、氧气、氮气及丙烯等类型的大型球型储罐。我厂压力容器分厂制造的丙烯球罐法兰及盲板采用CF-62钢,其力学性能要求如下：σs≥490MPa,σb为 607.6～725.2MPa,δ5≥17%,akv≥47.04　J/cm2。为满足设计要求并考查CF-62钢用于不同厚度零件时的适用性,就该钢调质时的回火温度、预先热处理类型和试块有效厚度对性能的影响进行了试验研究。
1　试验方法
　　试验所用的CF-62钢材的化学成分见表1,力学性能见表2。对非金属夹杂物进行金相检验 ,其结果为脆性夹杂物1.5级,塑性夹杂物1级,二者均达到合格要求。
表1　试验用CF-62钢化学成分%
C    S    P    Si    Mn    Cr    Ni    Mo    Cu    B    V
0.098    0.010    0.019    0.269    1.279    0.270    1.215　    0.273    0.119    0.0005    0.033
表2　CF-62钢原材料力学性能
σs/MPa    σb/MPa    δ5/%　    ψ/%　    akv/J    —40℃akv/J    HB
330    546    29.5    65.3　　    166　    20    163

图1　回火温度和有效厚度对静拉伸性能影响
原材料经改锻以后加工成Φ200mm×50mm、Φ200mm×100mm及Φ200mm×150mm这3种不同厚度的试块,热处理以后分别在其表面和1/4厚度处取样加工成静拉伸试样（短试样）和冲击试样,在WE-300型万能材料试验机和JB30A冲击试验机上测定其静拉伸性能和低温冲击性能。试块的热处理工艺选用预先热处理后调质。本试验中采用的是正火预处理和淬火预处理工艺,加热温度均为940℃,主要目的在于细化锻后组织。调质时的淬火工艺均为900℃加热保温后水冷,回火工艺则有3种,即分别在600℃、650℃和700℃加热保温后空冷。
2　试验结果
　　回火温度和试块有效厚度对CF-62静拉伸性能（取样部位均为1/4厚度处）影响见图1。屈服强度σs、抗拉强度σb、断后伸长率δ5和断面收缩率ψ只取决于回火温度而与试块有效厚度无明显关系,回火温度升高,σs和σb下降,700℃回火后的σs达不到设计要求。塑性指标δ5和ψ在各回火温度下均能满足设计要求。预先热处理类型对最终性能影响及试块表面和1/4厚度处性能对比（均为Φ200mm×150mm试块650℃回火）见图2。正火预处理和淬火预处理对调质后的力学性能无明显影响。试块表面和1/4厚度处的力学性能也无明显差别。

图2　预处理和取样部对性能的影响
　　回火温度和试块有效厚度对CF-62钢低温冲击性能（取样部位均为1/4厚度处）的影响见图3。数据表明,650℃回火后的低温冲击性能最优,而600℃和700℃回火后的低温冲击性能均较差。试块有效厚度对低温冲击性能有较明显的影响,试块有效厚度增加,低温冲击性能降低。生产中还发现,由于锻造比不够遗留的带状组织及非金属夹杂物形状、分布和数量对低温冲击性能也有显著影响。

图3　回火温度和有效厚度对低温冲击性能影响
3　分析讨论
3.1　回火温度对力学性能影响
　　回火温度对CF-62钢强度指标的影响符合一般规律,但其低温冲击性能并未随回火温度的提高而增加,导致这种现象的原因与不同温度回火后的显微组织有关。图4为Φ200mm×100mm试块分别经过600℃、650℃及700℃加热保温2h后空冷得到的组织。由图可看出,600℃回火后其机体组织大多数仍保持淬火组织的外形,已发生回复再结晶的α相数量相对较少（图4a）,因此其强度较高而低温冲击性能较差。当回火温度提高到650℃时,发生回复再结晶的α相数量相对较多,碳化物颗粒也有所长大（图4b）,因此强度降低,低温冲击性能提高。回火温度达到700℃时,α相的回复再结晶基本完成,碳化物颗粒也发生了明显的聚集和长大（图4c）,这虽然使强度进一步降低,但碳化物颗粒粗化和沿晶界偏聚,使低温冲击性能不升反降,这说明低温冲击性能对显微组织的变化较为敏感,尤其是对碳化物颗粒的大小和分布非常敏感。Φ200mm×50mm试块在700℃回火后低温冲击性能仍保持在较高水平,可能与其回火保温时间短（1h）,碳化物尚未聚集长大有关。

图4　不同温度回火后的金相组织
3.2　试块有效厚度对力学性能影响
　　试块有效厚度对CF-62钢1/4厚度处的强度和塑性指标基本无影响,这说明该钢在有效厚度不大于150mm时在1/4厚度处均可淬透。然而,同样在1/4厚度处,—40℃低温冲击性能却随试块有效厚度的增大而减小,这又说明当试块有效厚度增大时,1/4厚度处的淬透程度在下降。这种似乎相互矛盾的现象可从以下几点得到解释：①距表面相同深度处的淬火冷却速度随试块有效厚度的增大而减小。②同一试块在距表面不同深度处的淬火冷却速度随深度增加而减小。③距表面1/4厚度处的绝对深度随试块有效厚度的增大而增加,由于前两种效应的综合作用,1/4厚度处的淬火冷却速度随试块有效厚度的增大而明显减小,这必然导致不同厚度试块在1/4厚度处的淬透程度有较大差别,显微组织存在较大差别,虽然在通常意义上说均为淬透（马氏体和/或贝氏体组织含量不小于50%）,对静拉伸性能不会产生什么影响,但却对低温冲击性能产生了较为明显的影响,说明低温冲击性能与静拉伸性能相比,其对组织状态的敏感性更高。这也提示我们,对于在低温条件下使用且截面尺寸较大的零件,应考虑尺寸效应对低温冲击性能的影响。
4　结论
　　①正火和淬火预处理对CF-62钢调质后的力学性能无明显影响,生产中可采用淬火预处理以缩短工艺周期,节约能源,降低成本。②CF-62在钢预处理后经900℃加热淬火、650℃回火可使静拉伸和低温冲击性能合理配合。③低温冲击性能对组织状态特别是碳化物的大小和分布具有较高的敏感性,对低温条件下使用的重要零件,要特别注意尺寸效应对热处理后组织和低温冲击性能的影响。