15CrMoR钢的显微组织与时效冲击性能

陈广兴^1,2，许晓嫦¹

(1. 中南大学材料科学与工程学院， 湖南 长沙 410083；2. 宝钢湛江钢铁有限公司技术中心， 广东 湛江 524072)

摘要：为探索原始组织形态对15CrMoR钢时效过程低温冲击性能的影响，明确15CrMoR钢具有高时效冲击性能稳定性的原始组织形态，通过控制奥氏体化后的冷却方式获得了15CrMoR钢的3种原始组织，使用OM、SEM、EPMA和EBSD等材料结构表征方法和低温冲击测试研究了15CrMoR钢的显微组织和时效态低温冲击性能。结果表明，15CrMoR钢奥氏体化后分别以炉冷、空冷和风冷的方式冷却至室温，分别获得了粗大铁素体+片状珠光体组织、铁素体+退化珠光体组织和粒状贝氏体组织。片状珠光体组织中碳化物主要呈层片状，退化珠光体中的碳化物主要呈断续短杆状和颗粒状，粒状贝氏体中的富碳M-A岛主要沿晶界分布。3种原始组织形态的15CrMoR钢在循环时效过程中均发生了晶界碳化物析出和长大，导致低温冲击性能不断恶化。当晶界碳化物呈链状分布时，15CrMoR钢的低温冲击性能较差。粗大的铁素体+片状珠光体组织晶界面积较少，导致晶界碳化物容易呈链状分布；粒状贝氏体中主要沿晶界分布的富碳M-A岛也容易导致晶界碳化物呈链状分布。因此，原始组织为铁素体+退化珠光体的15CrMoR钢在循环时效过程中具有较好的冲击性能稳定性，经历6次循环时效后，-10 ℃平均冲击吸收功仍高达196 J；而原始组织为铁素体+片状珠光体和原始组织为粒状珠光体的15CrMoR钢，经历4次循环时效后，晶界处已形成呈链状分布的碳化物，-10 ℃平均冲击吸收功均仅为18 J。

关键词：15CrMoR钢； 原始组织形态； 碳化物； 时效； 冲击性能

1 引言

铬钼合金钢添加了一定量合适配比的铬和钼元素，因而具有较好的抗高温氧化性及高温强度，是制造临氢设备常用的材料。在铬钼合金钢系列中，15CrMoR钢的合金元素添加量较少，碳当量小，焊接性能较好，而且成本较低、性价比较高，因而作为临氢设备用钢广泛应用于石化和火电等行业中。

中国提出了二氧化碳排放力争2030年前达到峰值并争取在2060年前实现碳中和的目标，以应对全球气候变化。为积极响应和配合国家的“双碳”政策，石化、火电等行业加快了提升设备效率的步伐，而设备效率的提升主要依赖于设备的大型化。大型临氢设备用钢普遍面临着制造过程如多次长时间焊后热处理等过程引起的组织老化和性能恶化问题。钢老化的过程实质上是位错回复和析出相等微观结构变化的过程，主要取决于钢的化学成分和原始微观组织结构。Lee Y J等研究发现，1Cr-0.5Mo和1.25Cr-0.5Mo钢在时效过程中发生了碳氮化物演变。韩少强等研究了2.25Cr-1Mo钢原始组织形态对钢时效稳定性的影响，发现随着铁素体组织含量增加，材料的时效脆化现象变得显著，笔者对14Cr1MoR(H)钢的研究也得到了类似的结论。但迄今为止，鲜有关于不同原始组织对15CrMoR钢时效稳定性影响的对比性报道。

目前，国内钢铁厂在生产15CrMoR钢的过程中通常采用成本较高的调质热处理工艺，这是由于采用成本较低的正火(空冷)+回火热处理生产15CrMoR钢时，难以把控钢板厚度与成分的关系，意味着难以稳定控制15CrMoR钢的正火组织，导致钢板的力学性能合格率较低。为此，本文通过控制钢板奥氏体化后的冷却方式获得原始组织不同的3种15CrMoR试验钢，研究原始组织形态对力学性能的影响，为15CrMoR钢的稳定生产和安全服役提供参考。

2 精选图表

3 结论

(1)15CrMoR钢奥氏体化后分别经炉冷、空冷和风冷冷却至室温，分别获得了粗大铁素体+片状珠光体组织、铁素体+退化珠光体组织和粒状贝氏体组织。片状珠光体中碳化物主要呈层片状，退化珠光体中碳化物主要呈断续短杆状和颗粒状，粒状贝氏体中的M-A岛主要沿晶界分布。

(2)原始组织为铁素体+片状珠光体和原始组织为粒状贝氏体的15CrMoR钢经历4次循环时效后，晶界处已存在较多且呈链状分布的碳化物；原始组织为铁素体+退化珠光体的15CrMoR钢经历8次循环时效后，晶界处才出现明显呈链状分布的碳化物。

(3)原始组织为铁素体+退化珠光体的15CrMoR钢在时效过程中具有较好的冲击性能稳定性，经历6次循环时效后，-10 ℃平均冲击吸收功仍高达196 J；原始组织为铁素体+片状珠光体和GB的15CrMoR钢在时效过程中的冲击性能稳定性较差，经历4次循环时效后，-10 ℃平均冲击吸收功均仅为18 J。