Ce對30MnNbRE鋼淬火回火微觀組織和力學(xué)性能的影響

宋 操, 王曉東, 包喜榮, 陳 林, 湯雪嬌

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為提高材料的性能,拓寬材料的服役條件,油井用無縫鋼管的設(shè)計思路主要是增加合金含量進(jìn)行強(qiáng)化,如通過C、Si、Mn進(jìn)行固溶強(qiáng)化或通過Nb、V、Ti進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化[1-5]。然而過多地添加合金元素會增加生產(chǎn)成本,在實(shí)際工程生產(chǎn)中并未得到廣泛應(yīng)用。因此,實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計中常采用添加某種主要的元素以增加材料在某些方面的性能。Nb作為微合金化添加元素,被廣泛應(yīng)用于管道、采礦、汽車等領(lǐng)域,尤其在天然氣與石油管道的勘測中,添加Nb與其他微合金元素以提高管材強(qiáng)度與低溫韌性是現(xiàn)代無縫鋼管設(shè)計與開發(fā)的必然趨勢[6-7]。

由于稀土元素有獨(dú)特的外部電子結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)化學(xué)活性、可變的價態(tài)和更大的原子尺寸,稀土已成為應(yīng)用于高附加值鋼材料的重要微合金元素[8]。目前,我國許多學(xué)者對稀土在鋼中的作用有成熟的理論體系,尤其通過第一性原理假設(shè)對稀土控制Nb在鋼中固溶析出行為做出了解釋,這些理論為稀土取代部分合金元素提供了有力的證據(jù)[9-10]。但這些研究大多只停留在理論方面,對實(shí)際生產(chǎn)中遇到的一些問題并沒有深入的探究。隨著純凈鋼冶煉和微合金化等冶金技術(shù)的發(fā)展,鋼中較低的RE固溶量即可實(shí)現(xiàn)其微合金化作用,RE在鋼中可起到變質(zhì)夾雜、細(xì)化組織、凈化強(qiáng)化晶界等作用,可提高鋼的強(qiáng)韌性能,RE已成為高附加值金屬材料中的重要微合金元素,其應(yīng)用也由單一微合金化發(fā)展到了復(fù)合微合金化[11-12]。其中30MnNbRE鋼便是RE微合金復(fù)合強(qiáng)化的典型鋼種。

目前有關(guān)30MnNbRE鋼的研究主要集中在其熱處理工藝優(yōu)化方面[13],對30MnNbRE鋼淬、回火過程中稀土元素對微觀組織和力學(xué)性能的影響還缺乏深入研究?；诖?本試驗(yàn)在模擬實(shí)際生產(chǎn)的前提下,對添加稀土元素Ce的30MnNbRE鋼淬、回火后微觀組織和力學(xué)性能變化開展一系列探究,為30MnNbRE無縫鋼管的成分設(shè)計與力學(xué)性能提升提供了試驗(yàn)與理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料制備

以30MnNbRE油井管用鋼為基礎(chǔ),通過改變Ce含量,設(shè)計了3種成分的試驗(yàn)鋼,分別為0Ce、0.01Ce和0.03Ce鋼,使用真空感應(yīng)爐冶煉澆鑄,澆鑄成形后加熱至1250 ℃保溫1 h后鍛造空冷待用。試驗(yàn)鋼經(jīng)Labspark 750T精密直讀火花光譜儀檢測后,實(shí)際成分見表1。

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表1 試驗(yàn)鋼30MnNbRE的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試驗(yàn)方法

圖5為3種成分試驗(yàn)鋼經(jīng)900 ℃淬火+ 450 ℃回火后的X射線衍射圖譜,從圖5可以看出,3種試驗(yàn)鋼回火后的基體均以體心立方結(jié)構(gòu)的回火馬氏體為主,并沒有出現(xiàn)殘留奧氏體的特征峰,3種試驗(yàn)鋼中均出現(xiàn)了微弱的碳化物衍射峰,且碳化物主要以M3C的形式存在。此外,從3種材料的主衍射峰可以看出,添加Ce使得衍射峰向左發(fā)生了少量偏移,這可能是Ce的原子半徑略大于Fe的原子半徑,當(dāng)Ce原子溶于鐵的晶體結(jié)構(gòu)中會導(dǎo)致原始晶格畸變,體現(xiàn)為低角度衍射峰向左偏移。

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圖6是經(jīng)淬火和回火后對試樣表層硬度測量的結(jié)果統(tǒng)計。由圖6可見,淬火后,當(dāng)Ce含量從0增加到0.03%時,30MnNbRE鋼的硬度從51.8 HRC增加到56.9 HRC,可見隨著Ce含量的增加,淬火后的硬度逐漸升高。這是因?yàn)镃e可以促進(jìn)C、Nb等元素在γ-Fe的溶解,而形成過飽和固溶體,淬火使這些元素來不及從基體中析出,而被保存在馬氏體中,從而增加了硬度。而回火后試樣含Ce量越高,硬度降低越明顯,如0.03Ce鋼的硬度從56.9 HRC降低到41.8 HRC,一方面,Ce促進(jìn)了馬氏體在回火時的分解轉(zhuǎn)變,降低了淬火馬氏體在組織中的比例,使硬度下降;另一方面,回火過程中原子活性增加,使淬火后固溶的C、Nb等元素易于從過飽和固溶體中析出,加之Ce又促進(jìn)Nb在α-Fe中進(jìn)一步析出,從而使硬度下降。由此可見,0.01Ce鋼在淬火+回火后可獲得最高硬度,為42.6 HRC。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen

圖2 沖擊試樣尺寸Fig.2 Dimensions of impact specimen

1.2.2 斷口形貌及組織分析

在“常規(guī)施肥”區(qū)處理：常規(guī)施肥（N1P1K1）、常規(guī)施肥無氮（N0P1K1）、常規(guī)施肥無磷（N1P0K1）、常規(guī)施肥無鉀（N1P1K0）。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ce對微觀組織的影響

圖9為0.03Ce試驗(yàn)鋼沖擊斷口中某夾雜物的EDS面掃分析。由圖9(a)夾雜物形貌可見其為球狀夾雜,尺寸較粗大,約為5 μm,主要成分為Ce、O元素,并存在S的偏聚?？芍狢e可有效吸附鋼中的O、S等有害元素球狀夾雜,起到凈化鋼液作用。但0.03Ce試驗(yàn)鋼夾雜物尺寸偏大,其尺寸分布如圖10(b)所示,

圖3 不同Ce含量的30MnNbRE鋼淬火(a～c)、回火(d～f)后的SEM圖Fig.3 SEM images of the 30MnNbRE steel with different Ce contents after quenching(a-c) and tempering(d-f)(a,d) 0Ce; (b,e) 0.01Ce; (c,f) 0.03Ce

圖4為不同Ce含量試驗(yàn)鋼的析出物形貌和EDS能譜,結(jié)合析出物的能譜信息與樣品的X射線衍射圖譜(見圖5)可以判斷,含Nb析出物主要為(FeMnNb)3C。使用場發(fā)射掃描電鏡對0Ce試樣進(jìn)行檢測時,發(fā)現(xiàn)樣品中的含Nb析出物尺寸主要集中在60～180 nm,主要分布于晶界,這是由于30MnNbRE鋼奧氏體化前,(FeMnNb)3C因保溫時間過短或加熱溫度不足而以較大的尺寸保留在基體中,這些(FeMnNb)3C析出物雖然可以阻礙奧氏體的長大,但因數(shù)量過少,實(shí)際生產(chǎn)中不能起到細(xì)化晶粒的作用。在0.01Ce和0.03Ce試樣中發(fā)現(xiàn)納米級析出物,均在40 nm以下,這些析出物是隨著馬氏體的分解而析出的,這是由于馬氏體在回火時,晶格從四方向立方回復(fù)的過程中,Ce在一定程度上抑制了Nb在α-Fe中的固溶,從而降低了Nb在基體中的溶解度;在450 ℃回火過程中,C更易發(fā)生擴(kuò)散,而Nb是一種強(qiáng)碳化物,易與C結(jié)合形成化合物析出,促進(jìn)了(FeMnNb)3C的形成。因此,這些納米級彌散分布的(FeMnNb)3C在材料中起到了顯著的細(xì)晶強(qiáng)化作用。因板條界是位錯運(yùn)動的主要障礙,(FeMnNb)3C在馬氏體板條之間析出也能夠很好地釘扎位錯阻礙其運(yùn)動,有利于進(jìn)一步提高30MnNbRE鋼的強(qiáng)度。

圖5 回火后不同Ce含量30MnNbRE鋼的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the 30MnNbRE steel with different Ce contents after tempering

1.2.1 力學(xué)性能測試

2016年10月18日，江西日報社推出江西融媒體“中央廚房”智慧云平臺——贛鄱云，這是江西報刊媒體首個融媒體云平臺。隨后，江西日報社又推出了“江西頭條”移動云平臺。

2.2 Ce對力學(xué)性能的影響

將3種試驗(yàn)鋼分別切下14 mm×14 mm×90 mm(拉伸試樣毛坯)和10 mm×10 mm×60 mm(沖擊試樣毛坯)的塊狀試樣,加熱到900 ℃,保溫50 min,水淬,然后在450 ℃回火70 min,空冷至室溫。用邁格Touch-Rock觸摸屏數(shù)顯硬度計測量淬火和回火后的表面硬度。將回火后的材料分別切成棒狀拉伸試樣和V型缺口沖擊試樣,尺寸如圖1及圖2所示。拉伸試驗(yàn)在GNT200萬能試驗(yàn)機(jī)上完成,拉伸速率0.6 mm/min。沖擊性能測試在帶斷裂曲線沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為室溫。

圖6 不同Ce含量30MnNbRE鋼淬、回火后的硬度Fig.6 Hardness of the 30MnNbRE steel with different Ce contents after quenching and tempering

經(jīng)Nano measurer軟件測量稀土夾雜物平均粒徑達(dá)到了2.3 μm,體積過大反而使周圍易形成孔隙,降低30MnNbRE鋼的韌性。添加0.01%Ce含量的0.01Ce試驗(yàn)鋼中夾雜物尺寸分布如圖10(a)所示,平均粒徑約1 μm,韌性下降不明顯。因此,為提升材料的沖擊性能必須在煉鋼時注意夾雜物尺寸的控制。

圖7 不同Ce含量30MnNbRE鋼回火后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of the 30MnNbRE steel with different Ce contents after tempering

圖8 回火后不同Ce含量30MnNbRE鋼的拉伸斷口(a～c)與沖擊斷口(d～f)形貌Fig.8 Tensile fracture(a-c) and impact fracture(d-f) morphologies of the 30MnNbRE steel with different Ce contents after tempering(a,d) 0Ce; (b,e) 0.01Ce; (c,f) 0.03Ce

表2 不同Ce含量30MnNbRE鋼回火后的力學(xué)性能

圖8為3種試驗(yàn)鋼淬火、回火后的拉伸斷口及沖擊斷口形貌。圖8(a～c)拉伸斷口相貌中均出現(xiàn)深淺不一的韌窩,是典型的韌性斷裂的特征。圖8(a)中韌窩尺寸較大,其周圍出現(xiàn)了撕裂特征,并一直延續(xù)到下一個韌窩周圍;而在加入0.01%Ce時韌窩數(shù)量增多且最為細(xì)小,如圖8(b)所示,同時在大韌窩的周圍存在較小的等軸狀韌窩,并未出現(xiàn)向外擴(kuò)展的趨勢,表明此時發(fā)生了較大的塑性變形,與表2中0.01Ce鋼斷后伸長率最高可達(dá)13.8%相符,此時強(qiáng)度也達(dá)到最大值1135 MPa,表明加入0.01%的Ce使30MnNbRE鋼具有最佳力學(xué)性能;而圖8(c)中0.03Ce鋼又出現(xiàn)了撕裂特征,表明加入0.03%Ce使30MnNbRE鋼的塑性反而降低,如表2所示其斷后伸長率降至最低12.3%,此時強(qiáng)度也降低至1074 MPa。此外,由圖8(d～f)中3種試驗(yàn)鋼淬火、回火后的沖擊斷口形貌可知,圖8(d)所示0Ce鋼中韌窩分布均勻細(xì)小,基本呈等軸狀,表明在其沖擊過程中吸收了較多的能量而發(fā)生斷裂,韌性最好,由表2可知其韌性最高,可達(dá)109.8 J;而從圖8(e,f)所示的0.01Ce、0.03Ce鋼斷口形貌中可見不均勻分布的大尺寸韌窩,并在韌窩中可見粗大塊狀稀土夾雜物,這類夾雜可導(dǎo)致應(yīng)力集中而演變?yōu)樾碌牧鸭y源,并在沖擊斷裂時易使裂紋急劇擴(kuò)張,大大降低沖擊性能,由表2可見其韌性分別下降至84.5、78.7 J。因此,Ce加入30MnNbRE鋼中會使韌性下降,存在夾雜缺陷的位置更容易發(fā)生裂紋的急劇擴(kuò)張。

拉伸斷口經(jīng)超聲波清洗10 min后立即用保鮮膜封存,金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶解侵蝕。采用蔡司光學(xué)顯微鏡對組織初步分析,使用ZEISS Sigma300場發(fā)射掃描電鏡對斷口形貌和微觀組織進(jìn)行精細(xì)觀察,同時對材料中出現(xiàn)的析出物進(jìn)行EDS分析。將材料切成10 mm×10 mm×10 mm的塊狀,將一面拋光,在Smartlab-9kw型X射線衍射儀上測定物相組成,采用Cu靶,掃描角度為30°～130°, 掃描速率為5°/min。

3種成分的試驗(yàn)鋼在淬、回火后的顯微組織如圖3所示,由圖3(a)可知,組織主要由馬氏體基體和大量彌散分布的析出物組成,此外,發(fā)現(xiàn)析出物主要分布于回火馬氏體周圍,顯然是在馬氏體回火轉(zhuǎn)變時伴生析出[14]。隨著Ce含量的增加,回火板條馬氏體變細(xì),經(jīng)Nano measurer軟件測量,在未添加Ce時板條平均厚度為2.7 μm,在0.01Ce試樣中板條厚度下降到了1.6 μm,而在0.03Ce試樣中板條平均厚度降低到了1 μm以下。這是因?yàn)镃e的添加,促進(jìn)了Nb在?-Fe中的溶解,生成過飽和固溶體,在回火過程中,析出物的釘扎作用使淬火馬氏體分解時形成更短更細(xì)的板條狀回火馬氏體,這些均勻細(xì)小的回火馬氏體是材料強(qiáng)度升高的主要原因[15-16]。

圖9 回火后0.03Ce試樣中夾雜物EDS分析Fig.9 EDS analysis of inclusions in the 0.03Ce specimen after tempering

圖10 回火后不同Ce含量30MnNbRE鋼中夾雜物尺寸分布Fig.10 Inclusion size distributions of the 30MnNbRE steel with different Ce contents after tempering(a) 0.01Ce; (b) 0.03Ce

表2是Ce含量對30MnNbRE鋼拉伸及沖擊性能的影響,由表2知,Ce可以顯著提高30MnNbRE鋼的強(qiáng)度,但其影響并非簡單的線性關(guān)系。在添加0.01%的Ce時,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度提升了10.4%,抗拉強(qiáng)度提升了10.9%。而在添加0.03%的Ce時,強(qiáng)度雖較未添加Ce時略有提升,但提升幅度僅為5%左右,其強(qiáng)度比添加0.01%的Ce時的強(qiáng)度低,3種試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。3種試驗(yàn)鋼強(qiáng)度出現(xiàn)差異的原因可能與其各自的基體組織有關(guān),在前面對試驗(yàn)鋼組織的分析中可知,在回火后隨Ce含量的增加,鋼中合金元素固溶比例上升,相變體積協(xié)調(diào)困難,使位錯密度升高,而(FeMnNb)3C的析出強(qiáng)化,使回火馬氏體板條維持在一個穩(wěn)定的厚度,且隨馬氏體分解一同析出的碳化物會進(jìn)一步對位錯運(yùn)動產(chǎn)生釘扎效應(yīng),而使得材料整體強(qiáng)度大幅提高。在圖8中也可以看出,在加入稀土后,拉伸斷口的韌窩明顯縮小。

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3 結(jié)論

1) Ce可以細(xì)化回火馬氏體板條厚度,促進(jìn)(FeMnNb)3C在回火后的析出。

2) Ce對馬氏體板條的細(xì)化作用與促進(jìn)(FeMnNb)3C析出而產(chǎn)生的析出強(qiáng)化作用能有效地提升材料強(qiáng)度,然而其材料強(qiáng)度的影響不是簡單的線性關(guān)系,在添加0.01%Ce時強(qiáng)度可提升10%左右,而添加0.03%Ce時強(qiáng)度僅能提升5%左右。

3) 添加Ce后會引入稀土夾雜,這些夾雜對強(qiáng)度的影響不顯著,對韌性有顯著的影響,當(dāng)Ce的添加量從0.01%增加到0.03%時,稀土夾雜物的平均粒徑從1 μm提升到了2.3 μm,而隨著夾雜物體積的增大,材料韌性會大幅度降低。

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