碳含量对508_3钢组织和性能的影响_金明

钢铁

　Vol.46,No.1January　2011

IronandSteel

碳含量对508-3钢组织和性能的影响

金　明1,2,　刘正东2,　林肇杰2,　李昌义2,　孙立军1

(1.昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明650093;　2.钢铁研究总院结构材料研究所,北京100081)摘　要:研究了碳含量对508-3钢大锻件组织与性能的影响。试验结果表明:在一定的热处理制度下,大锻件表面、1/4T、1/2T(T为最大截面处的厚度)处,碳的质量分数为0.19%时,回火后贝氏体铁素体板条较窄,析出的碳化物颗粒变细,分布均匀,强度、塑性均得到提高且有良好的低温韧性。关键词:508-3钢;碳含量;组织;性能

文献标志码:A　　文章编号:0449-749X(2011)01-0075-05

EffectofCarbonContentonMicrostructureand

PropertyofSA508Gr3Steel

JINMing

1,2

,　LIUZheng-dong,　LINZhao-jie,　LIChang-yi,　SUNLi-jun

2221

(1.FacultyofMaterialScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming

650093,Yunnan,China;　2.CentralIronandSteelResearchInstitute,Beijing100081,China)

Abstract:TheeffectofcarboncontentonthemicrostructureandpropertyofSA508Gr3steelheavyforgingwasin-vestigated.Theresultsshowthatwhencarboncontentoftestingsteelis0.19%,thesizeoftemperedbainiteissmaller,andtheprecipitatedcarbidesarefiner,uniformlydistributedinsidegrainsandalonggrainboundariesatthesurface,1/4T,and1/2T(whereTisthicknessofheavyforging)aftercertainheattreatmentprocessing,whichleadstotheimprovementofstrengthandductilityaswellaslow-temperaturetoughnessofthetestingsteel.Keywords:SA508Gr3steel;carboncontent;microstructure;mechanicalproperty

　　反应堆压力容器是核电站重要的安全屏障。核压力容器大型化和一体化发展的趋势使锻件厚度不

断增大,致使热处理过程组织转变成为影响压力容器性能的关键。508-3钢是目前核压力容器的通用选材

[1-3]

坯,终锻温度900℃,横向锻打成 16mm×650mm圆棒和14mm×14mm×800mm方棒,再经650℃×2h退火处理。冲击试样为标准夏比V型冲击试样,尺寸10mm×10mm×55mm。室温拉伸试样采用d0=5mm圆棒。试棒热处理工艺采用预热处理900℃×5hAC+640℃×8hAC和性能热处理850℃×3h,然后分别按180、8.64、6.7℃/min冷却至400℃+660℃×3h回火。锻件的最大厚度为700mm,根据不同直径的低合金钢棒料在水中冷却时的冷却曲线推定大型锻件实际淬火过程中表面、1/4T、1/2T(T为最大截面处的厚度)处的冷却

%

S≤0.0250.01000.01000.00570.0079

Al≤0.040.00760.00810.00770.0062

V≤0.050.00840.00700.00820.0069

,508-3钢主要含C、Mn、Mo、Ni等元素。

本文研究了在一定的热处理制度下,碳含量变化对

508-3钢大锻件组织和性能的影响。

1　试验材料与方法

试验钢采用50kg真空感应炉冶炼,浇铸成25kg钢锭,化学成分见表1。钢锭经1150℃锻造开

表1　试验钢化学成分(质量分数)

Table1　Chemicalcompositionsofexperimentalsteels

项目

ASME标准SA-508/SA-508M

1号炉

2号炉3号炉4号炉

C≤0.250.130.170.190.23

Si

Mn

Ni

Cr≤0.250.210.210.190.21

Mo

P

0.15～0.401.2～1.50.4～1.0

0.160.260.140.13

1.471.381.41.38

0.790.700.860.78

0.45～0.60≤0.025

0.570.510.600.57

0.0150.015<0.0050.013

基金项目:国家重大科技专项资助项目(2010ZX06004-016)

作者简介:金　明(1984—),女,硕士;　　E-mail:jinming8674@163.com;　　收稿日期:2010-01-13

·76·

钢　铁第46卷

速度分别为180、8.64、6.7℃/min。采用Leica金相显微镜,S-4300型冷场发射扫描电镜,H-800透射电镜分别进行试样的组织和析出物分析,通过摆锤式冲击试验机、室温拉伸试验机测量试验钢的力学性能。

内,碳含量对塑性影响较小,伸长率和断面收缩率随碳含量增加变化不明显,略有波动。碳含量对室温及-20℃的冲击韧性影响较大,其中碳质量分数为0.19%时,试验钢冲击韧性最好,其室温冲击功相对其他试验钢高出约45J。-20℃时不同碳含量试验钢的冲击功均小于室温时的冲击功值,且碳的质量分数为0.19%试验钢的冲击功均高于其他碳含量试验钢,其中碳的质量分数为0.19%试验钢与碳的质量分数为0.17%、0.23%试验钢冲击功差值平均为90J。必须说明的是,3号试验钢的冲击韧性明显高于其他试验钢的原因可能是多方面的,其中一个原因应该是该试验钢的磷、硫含量较其他试验钢明显低。

2　试验结果与讨论

2.1　碳含量对508-3钢锻件组织和性能的影响

1)碳含量对强韧性的影响。

碳含量对大锻件表面、1/4T、1/2T处强韧性的影响见图1。碳含量对强度影响较大,随着碳含量的增加,屈服强度和抗拉强度均增加。试验研究范围

(a)室温强度;　(b)室温塑性;　(c)室温冲击功;　(d)-20℃冲击功。

图1　碳含量对508-3钢锻件的强韧性影响

Fig.1　EffectofcarboncontentonthestrengthandtoughnessofSA508Gr3steelforging

　　2)碳含量对试验钢显微组织的影响。

不同碳含量试验钢热处理后1/2T处的显微组

织如图2所示。从图中可以看到,碳的质量分数为0.13%试验钢的组织中有明显的块状铁素体及回火贝氏体,其中块状铁素体是淬火冷却过程中由于冷速较慢而形成的。由于碳含量增加引起Bs点的下降,碳的质量分数0.17%、0.19%、0.23%试验钢的组织基本为回火贝氏体。

IrvineKJ和PickeringFB指出

[4]

,对于组织

为贝氏体的钢,影响其韧性的因素包括贝氏体铁素

体的晶粒尺寸及碳化物的形态和分布。贝氏体钢的韧脆转变温度与晶粒直径的平方根成正比,由于奥氏体晶粒大小决定贝氏体铁素体条束的尺寸,平均晶粒尺寸减小,铁素体条束细小,碳化物弥散而均匀,在外力作用下,一旦产生微裂纹,其裂纹扩展受到阻碍,故导致韧脆转变温度降低,显著提高钢的低

第1期金　明等:碳含量对508-3钢组织和性能的影响

·77·

(a)0.13%;　(b)0.17%;　(c)0.19%;　(d)0.23%。

图2　不同碳含量对700mm厚锻件心部回火组织的影响

Fig.2　Effectofcarboncontentonmicrostructureof1/2Tpositionofa700mmforging

温韧性。根据GB6394-86金属平均晶粒度标准级别评定得出试验钢原始奥氏体晶粒度,见表2。从表2和图3可以看出,碳质量分数为0.19%试验钢晶粒度级别最低,即晶粒尺寸约为17.07μm。贝氏

体铁素体板条尺寸较小。另一方面贝氏体铁素体上析出的碳化物相对细小和分布均匀,因此,碳的质量分数为0.19%试验钢在室温和零下-20℃的冲击功最好。而其他碳含量的试验钢晶粒度均为7.0级,其晶粒尺寸约为28.28μm。板条尺寸较大,且贝氏体铁素体上析出颗粒部分已经长大,故冲击功较低。碳含量增加将降低贝氏体形成温度,而贝氏体的强度又随其形成温度的降低而提高,故碳的质量分数为0.23%试验钢强度高于其他碳含量的试验钢。

表2　不同碳含量试验钢的晶粒度Table2　Grainsizesofexperimentalsteelsof

differentcarboncontent

碳的质量分数/%0.130.170.190.23表面7.57.58.57.0锻件不同部位的晶粒度/级

1/4T7.07.08.57.01/2T7.07.08.57.02.2　锻件表面、1/4T、1/2T处的组织和性能

1)锻件不同部位的力学性能。

图4为大锻件不同部位的强塑性及冲击韧性。由图可见,表面到心部抗拉强度、屈服强度逐渐降低,伸长率与断面收缩率变化不大。在室温时,锻件表面处的冲击功高于1/4T、1/2T处的冲击功。

2)组织特征观察。

由于模拟的反应堆压力容器壁厚为700mm,沿壁厚的显微组织存在明显差异。图5为碳的质量分数为0.19%试验钢在表面、1/4T、1/2T处的显微组织,可见表面处贝氏体铁素体板条比1/4T、1/2T的细小。采用SEM和TEM对碳的质量分数为0.19%试验钢表面和心部的碳化物进行精细观察分析(图6),表面处碳化物细小,呈弥散分布(图6(a)、(c)),而心部碳化物大多集中在铁素体板边界上,呈连续分布,部分颗粒已长成短杆状(图6(b)、(d))。

[5]

3　结论

1)在本试验研究的碳含量范围和热处理制度下,碳的质量分数为0.19%试验钢具有良好的强韧性能匹配,其冲击韧性明显高于其他试验钢的冲击

·78·

钢　铁第46卷

第1期金　明等:碳含量对508-3钢组织和性能的影响

·79·

韧性,这一结果除与碳含量有关外,还与该试验钢中低的硫磷含量有关。

2)在本试验研究热处理制度下,模拟壁厚为700mm的508-3钢锻件冷却过程中组织演变,从表面到心部的组织基本为回火贝氏体,但析出碳化物的形态和分布有较大的差异。心部为分布在晶界和板条边界粗大的条状碳化物,表面为均匀分布的球状的细小碳化物,而且表面处的贝氏体铁素体板条较窄。

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