分享：29CrMo钢连续冷却转变曲线的测定

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  江苏常宝普莱森钢管有限公司,常州 213200

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  江苏常宝钢管股份有限公司,常州 213000

连续冷却转变（CCT）曲线能够描述钢在不同冷却速率下过冷奥氏体的转变规律,对钢的热处理工艺制定具有重要参考价值[1-3]。 

29CrMo钢常用于制造石油生产领域的输油管,在生产过程中,一般需对该钢进行调质热处理,要想控制热处理后材料的组织,就必须参考该材料的CCT曲线[4]。然而,现阶段关于铬钼钢的固态相变规律研究较少。为分析和解决这一问题,笔者通过热膨胀试验研究了29CrMo钢在不同冷却速率下的相变规律及相变后的组织和硬度,结果可为该钢种的热处理工艺制定与新钢种的开发提供理论参考。 

1.   试验材料及方法

1.1   试验材料

试验材料为企业生产的热轧态29CrMo圆钢,其组织为贝氏体（见图1）。29CrMo钢的化学成分如表1所示。 

图  1  29CrMo钢的显微组织形貌

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Table  1.  29CrMo钢的化学成分

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
实测值	0.32	0.28	0.49	0.011	0.003	0.68	0.94
标准值	0.27~0.35	0.15~0.35	0.40~0.50	≤0.012	≤0.002	0.50~0.90	0.85~1.2

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1.2   试验方法

采用热膨胀法测定29CrMo钢的CCT曲线,并采用热模拟试验机进行试验。首先,制成热膨胀圆棒试样,试样表面粗糙度为1.6 μm。 

试样制备完成后,先在试样表面中心焊接K型热电偶,再将试样放入真空箱内,在加热过程中抽真空,以防止氧化。按照YB/T 5127—2018《钢的临界点测定 膨胀法》进行29CrMo钢临界点温度检测试验,具体过程如下：首先,将试样以10 ℃/s加热速率升温到400 ℃；然后,以0.05 ℃/s加热速率升温至1 000 ℃,保温5 min；最后以0.05 ℃/s的冷却速率冷却至室温,确定其加热时珠光体向奥氏体转变的温度Ac1和加热时转变为奥氏体的终了温度Ac3。按照YB/T 5128—2018《钢的连续冷却转变曲线图的测定膨胀法》,对29CrMo钢进行连续冷却转变曲线的绘制。首先,将试样以加热速率为5 ℃/s升温至1 000 ℃,保温5 min后,使试样组织完全奥氏体化；再分别以0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,3.0,5.0,10,15,20 ℃/s的不同冷却速率将试样冷却至室温,记录下冷却过程中试样径向膨胀量随温度的变化曲线。 

将试样冷却后打磨、抛光,采用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样,将试样置于光学显微镜下观察。采用维氏硬度计进行硬度测试,试验力为98 N,每个试样各测试5个点,取平均值作为最终测试结果。 

2.   试验结果与分析

2.1   临界点

29CrMo钢试样的热膨胀曲线如图2所示。由图2可知：29CrMo钢的临界点温度Ac1为759 ℃、Ac3为856 ℃。 

图  2  29CrMo钢试样的热膨胀曲线

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2.2   显微组织

可以采用冷却过程的膨胀曲线对过冷奥氏体转变产物的种类和数量进行描述。然而,当转变产物的数量较少或膨胀曲线上的转变点不显著时,通常需借助金相法和硬度法进行增补和校准[5]。 

29CrMo钢以不同冷却速率冷却至室温的显微组织形貌如图3所示。随着冷却速率的变快,过冷奥氏体的相变组织由铁素体+珠光体、贝氏体向马氏体转变。当冷却速率为0.1~0.5 ℃/s时,过冷奥氏体的转变组织以铁素体和贝氏体为主,还有微量的珠光体,同时随着冷却速率的增大,贝氏体含量增多,铁素体和珠光体含量减少。当冷却速率为1.0 ℃/s时,组织为贝氏体和少量的铁素体,当冷却速率为2.0 ℃/s时,组织全部为贝氏体；当冷却速率升高至3.0 ℃/s时,开始出现马氏体,同时随着冷却速率的不断增大,贝氏体逐渐被马氏体替代。当冷却速率不小于15 ℃/s时,贝氏体消失,组织完全转变为马氏体。 

图  3  29CrMo钢以不同冷却速率冷却至室温的显微组织形貌

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2.3   维氏硬度

不同冷却速率下29CrMo钢的显微组织与硬度如表2所示（其中F为铁素体,P为珠光体,B为贝氏体,M为马氏体）,不同冷却速率下29CrMo钢的硬度曲线如图4所示。由图4可知：试样的硬度随着冷却速率的增大而增大。当冷却速率由0.1 ℃/s上升至2.0 ℃/s时,组织中贝氏体逐渐占据主导地位,硬度随之快速增大；当冷却速率为3.0 ℃/s时,组织中开始出现马氏体,硬度持续增大；当冷却速率为10 ℃/s时,组织以马氏体为主,还有少量贝氏体,硬度变化趋势不明显；当冷却速率达到15 ℃/s及以上时,组织为单一马氏体,硬度基本不再发生变化。 

Table  2.  不同冷却速率下29CrMo钢的显微组织与硬度

冷却速率/（℃·s−1）	显微组织	硬度/HV
0.1	F+P+B	202
0.2	F+P+B	228
0.5	F+P+B	263
1.0	F+B	294
2.0	B	350
3.0	B+M	400
5.0	B+M	460
10	B+M	523
15	M	534
20	M	536

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图  4  不同冷却速率下29CrMo钢的硬度曲线

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2.4   CCT曲线

结合29CrMo钢的组织与硬度测试结果,通过切线法测定该钢在不同冷却速率下的膨胀曲线,得到29CrMo钢的静态CCT曲线,如图5所示。由图5可知：其CCT曲线可划分为3个相变区域,高温区相变温度为650~800 ℃,该区域内过冷奥氏体发生铁素体析出、珠光体转变,中温区相变温度为400~550 ℃,该区域内过冷奥氏体发生贝氏体转变,低温区相变温度为250~391 ℃,该区域内过冷奥氏体发生马氏体转变。因此,可知29CrMo钢的马氏体转变开始温度Ms为391 ℃,临界冷却速率为10~15 ℃/s。当冷却速率不小于15 ℃/s时,29CrMo钢的组织为单一马氏体,随着冷却速率的减小,材料产生贝氏体,同时转变开始温度随冷却速率的减小而逐步升高,且转变量不断增多。当冷却速率达到2 ℃/s时,转变产物只存在贝氏体。当冷却速率减小到1 ℃/s时,29CrMo钢中逐渐有少量铁素体析出。直至冷却速率减小到0.5 ℃/s时,29CrMo钢开始出现珠光体转变。 

图  5  29CrMo钢的静态CCT曲线

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在29CrMo钢中添加Cr、Mo等合金元素,在高温时可提高碳元素在奥氏体中的扩散激活能,减缓碳的扩散速率,进而使奥氏体的扩散分解时间延长。因此,只有在冷却速率为0.1~0.2 ℃/s的情况下,铁素体才会出现[6-8]。当冷却速率为2.0 ℃/s时,先共析铁素体的析出会被抑制,这主要是因为冷却速率的增大减弱了原子活动能,导致先共析铁素体长大受扩散控制,致使其组织占比减小[9]。同时,29CrMo钢中Cr、Mo、V、Nb等合金元素可以延缓过冷奥氏体转变成珠光体的速率[10]。在珠光体转变阶段,碳元素和合金元素会在铁素体与渗碳体间二次分配,合金元素的自扩散速率慢,因其与碳元素的亲和作用,减缓了碳元素的扩散速率,进而珠光体形核得到了抑制。因此,珠光体相变仅在较慢的冷却速率下出现[11-12]。当冷却速率为0.1~10 ℃/s时,29CrMo钢存在贝氏体。通常,贝氏体转变受合金元素的作用效果关键在于γ相到α相的转变速率及碳元素的扩散速率。Mo、V等元素会提高γ相到α相的转变速率,但同时减缓了碳元素的扩散速率,最终推迟了贝氏体的转变进程[13]。当以3 ℃/s的冷却速率将29CrMo钢冷却至391 ℃时,在奥氏体晶粒内的位错和层错处,会出现结构和能量的涨落,并通过位错和层错的运动,这种涨落会被迅速放大,进而过冷奥氏体开始转变为马氏体,并伴随冷却速率的增大,马氏体转变含量逐渐增大[14]。 

根据试验结果可知：29CrMo钢在淬火热处理冷却速率达到15 ℃/s及以上时,即可得到以马氏体为主的组织。工业生产中,29CrMo钢的淬火方式建议选用水淬,以确保回火后具备最优的组织与性能。 

3.   结论

（1）?29CrMo钢的临界点温度Ac1为759 ℃,Ac3为856 ℃,Ms为391 ℃,马氏体转变完成温度Mf为235 ℃。该CCT曲线可划分成4部分：当冷却速率小于1.0 ℃/s时,组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体,随着冷却速率的增大,铁素体和珠光体含量占比逐渐减小,贝氏体含量占比增大；冷却速率为1.0 ℃/s时,珠光体消失,组织为贝氏体+少量铁素体；冷却速率为2.0~10 ℃/s时,组织以贝氏体为主,且随冷却速率的增大,贝氏体含量占比逐渐减小,马氏体含量占比增大；冷却速率达到15 ℃/s及以上时,组织完全转变为马氏体。 

（2）?硬度随冷却速率的增大而不断增大,当冷却速率大于10 ℃/s时,硬度变化趋于稳定,冷却速率为20 ℃/s时,硬度达到536 HV。 

（3）?29CrMo钢在工业生产时的淬火方式建议选用水淬,即可获得单一马氏体组织