加热速度对T91铁素体耐热钢奥氏体形成的影响

第17卷　第3期2009年6月　材　料　科　学　与　工　艺M A T E R I A L S S C I E N C E ＆T E C H N O L O G YV o l .17N o .3J u n .,2009加热速度对T 91铁素体耐热钢奥氏体形成的影响宁保群1,2,严泽生3,付继成3,别利剑1,刘永长2(1.天津理工大学材料科学与工程学院,天津300191,E -m a i l :n i n g b a o q u n @163.c o m ;2.天津大学材料科学与工程学院,天津300072;3.天津钢管集团股份有限公司,天津300301)摘　要:采用高精度差分膨胀仪对不同加热速度(10～6000K /m i n )下T 91铁素体耐热钢的奥氏体形成动力学规律进行了系统研究.研究表明:加热速度显著影响T 91钢的奥氏体形成开始温度A c 1、结束温度A c 3、相变速率及淬火后的组织.加热速度愈大,A c 1和A c 3温度愈高,奥氏体相变速率愈快,奥氏体形成温度区间愈窄;相对较慢和较快的加热速度对淬火后的组织都有不利的影响.关键词:差分膨胀仪;加热速度;T 91铁素体耐热钢;奥氏体化中图分类号:T G 142.1文献标识码:A 文章编号:1005-0299(2009)03-0329-04E f f e c t o f h e a t i n g r a t e o nt h e a u s t e n i z a t i o np r o c e s s o f T 91f e r r i t i c h e a t -r e s i s t a n t s t e e lN I N GB a o -q u n 1,2,Y A NZ e -s h e n g 3,F UJ i -c h e n g 3,B I EL i -j i a n 1,L I UY o n g -c h a n g2(1.S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,T i a n j i n 300191,C h i n a ,E -m a i l :n i n g b a o q u n @163.c o m ;2.C o l l e g e o f M a t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,T i a n j i n U n i v e r s i t y ,T i a n j i n300072,C h i n a ;3.T i a n j i n P i p e (G r o u p )C o r p o r a t i o n ,T i a n j i n 300301,C h i n a )A b s t r a c t :T h e i n f l u e n c e s o f h e a t i n g r a t e o n t h e a u s t e n i z a t i o n p r o c e s s o f T 91f e r r i t i c h e a t -r e s i s t a n t s t e e l w e r e s y s -t e m a t i c a l l y e x p l o r e d b y h i g h -r e s o l u t i o n d i f f e r e n t i a l d i l a t o m e t e r i n a w i d e r a n g e o f 10～6000K /m i n d u r i n g c o n t i n -u o u s h e a t i n g .I t i s f o u n d t h a t t h e a p p l i e d h e a t i n g r a t e h a s a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h e A c 1t e m p e r a t u r e f o r t h e o n s e t o f a u s t e n i z a t i o n ,t h e A c 3te m p e r a t u r ef o r t h e e n d o f a u s t e n i z a t i o n ,t h e f o r m a t i o n r a t e o f a u s t e n i t e a n dt h e f i n a l m i c r o s t r u c t u r e a f t e r q u e n c h i ng .Th u s d e t e r mi n e d t e m p e r a t u r e s o f A c 1a n d A c 3i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s i n g h e a t -i n g r a t e .F o r t h e s p e c i m e n f a s t l y h e a t e d ,t h e t e m p e r a t u r e r a n g e n e e d e d f o r a u s t e n i z a t i o n d e c r e a s e s .I n a d d i t i o n ,t h e r a p i d h e a t i n g r a t e l e a d s t o a h i g h f o r m a t i o n r a t e o f a u s t e n i t e a n d t h u s a s h o r t p e r i o d f o r t h e w h o l e a u s t e n i z a -t i o n p r o c e s s .B o t h t h e s l o w a n d f a s t h e a t i n g r a t e s h a v e b a d i n f l u e n c e o n t h e q u e n c h e d m i c r o s t r u c t u r e .K e y w o r d s :d i f f e r e n t i a l d i l a t o m e t e r ;h e a t i n g r a t e ;T 91f e r r i t i c h e a t -r e s i s t a n t s t e e l ;a u s t e n i z a t i o n 收稿日期:2007-01-18.基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助重点项目(50834011);国家自然科学基金资助项目(20571055);天津市“材料物理与化学”重点学科资助项目.作者简介:宁保群(1972-),女,博士,讲师;刘永长(1971-),男,教授,博士生导师. T 91钢是高C r 铁素体耐热钢的代表钢种,因其优异的综合性能被广泛用于当今世界超临界发电厂锅炉耐热管道上,而且在日本、欧美等国被作为开发更高使用温度耐热钢材的研究基准[1-3].因此,人们对其进行了多方面的研究,但目前在生产工艺上对T 91钢的研究重点集中在过冷奥氏体冷却分解的环节上[4-6],忽视了对其加热过程中奥氏体转变的研究.而奥氏体化过程是钢材热处理的第一个步骤,是过冷奥氏体状态的根本决定因素,热处理后钢件的组织、性能都与奥氏体的组织形态有着密切关系[7].因此,研究奥氏体的形成规律,以便控制奥氏体的组织形态,在钢材热处理的理论和实践中都占有重要的地位.本文着重探讨了连续加热过程中加热速度对T 91钢奥氏体化过程的影响,为对其进行深入系统的研究提供理论依据.1　实　验1.1　试样制备实验用钢取自天津钢管公司生产的热轧钢管,化学成分见表1.因T91钢的淬透性极高,热轧后空冷即为马氏体组织,回火后为回火马氏体组织.用线切割切取圆柱形试样,尺寸为5m m×10m m.表1　T91钢的化学成分(质量分数/%)C S i C r M o M n V N b N0.090.309.001.000.400.200.080.041.2　实验过程采用热膨胀法进行T91钢加热过程中奥氏体化过程的研究,热膨胀法通过线膨胀数据的测量可以对相变过程中试样的体积变化进行实时监控,并可由体积膨胀曲线确定相变产物体积分数的变化.在德国B a e h r公司生产的D I L805差分膨胀仪上进行线膨胀测量,该膨胀仪具有可编程的加热-保温-冷却系统,其相对位移测量精度可达±20n m.测量过程中,每个试样均放在两个石英棒之间,其中一个石英棒固定,一个与线电压差分转换器(L V D T)相接触.L V D T上另外连接一个参比石英棒,参比棒的另一端与固定的平板相接触,测量与试样接触的石英棒和参比石英棒之间的相对位移.试样的加热由感应线圈进行,并由点焊在感应线圈上的铂铑合金热电耦进行温度测量.试验均在10-4m b a r真空度下进行.分别以10、100、200、500、1000、3000、6000K/m i n的加热速度将膨胀试样加热到1100℃,保温10m i n后冷却到室温.实验后的试样从中心沿纵向剖开,经过抛光处理后用F e C l3溶液侵蚀,利用C-35A O L Y M P U S光学显微镜进行金相分析.2　结果及讨论2.1　线膨胀量变化的分析图1给出了试样在实验过程中线膨胀量大小(Δl/l,其中Δl为线长度膨胀大小,l为初始试样长度)随温度(θ)变化的关系,如图所示:A B段代表T91钢正常升温膨胀过程,即马氏体的热膨胀过程;B C段代表连续加热时奥氏体的形成过程,因奥氏体的比容小,马氏体转变为奥氏体的过程中试样的体积要发生收缩;C D段代表奥氏体形成后的升温膨胀过程.2.2　奥氏体相变过程与分析2.2.1　体积分数及相变速率的确定由于试样在相变过程中体积的变化在总体上可认为是各向同性的,因此,在相转变中相对体积变化(ΔV/V0)与相对长度变化(Δl/l0)的关系可以表达为[8]ΔVV03Δll0(1)式中:l0是试样的初始长度,V0是试样的初始体积,Δl和ΔV是试样的长度与体积变化.所以利用实验测定的Δl/l0数据就可以利用杠杆定律[9,10],从测定的线膨胀曲线中确定T91钢奥氏体化过程中奥氏体体积分数(f)随温度的变化关系,如图2所示.图1　实验测定的T91钢试样线应变量随温度变化关系图2　T91钢加热过程中奥氏体体积分数与温度的关系 奥氏体相变速率的大小,也是影响奥氏体化过程的重要因素.通过以上奥氏体体积分数随温度的变化关系对转变时间求导后可确定在奥氏体形成过程中不同温度下转变速率(d f/d t)的大小.图3为T91钢在不同加热速度下奥氏体转变速率随温度变化的关系曲线.·330·材　料　科　学　与　工　艺 第17卷　图3　T91钢加热过程中奥氏体化速率与温度的关系2.2.2　相变过程分析从图2可以看出,不同加热速度下奥氏体体积分数随温度的转变趋势大体相同,但奥氏体形成开始温度A c1和结束温度A c3发生了明显的变化,根据图2中给出的各加热速度下的奥氏体转变开始点和结束点,绘制出了不同加热速度(V)下奥氏体转变开始温度(A c1点)和结束温度(A c3点)的变化关系图,如图4所示.由图4可见,随着加热速度的增加,A c1和A c3的温度显著提高,即奥氏体转变的过热度增大.T91钢属于低碳高合金钢,在奥氏体相变过程中,伴随着碳化物的溶解、碳及合金元素的扩散,原子通过扩散在各相之间进行迁移.加热速度增大时,碳及合金元素在平衡温度下来不及扩散,把奥氏体转变温度推向高温.在A c1和A c3随加热速度增加而提高的同时,奥氏体转变的温度区间(A c1～A c3)却随着加热速度的增加在减小.而奥氏体形成所需的时间由下式决定:Δt=(A c3-A c1)/V.(2)式中:Δt为奥氏体形成所需的时间,V为加热速度.由式(2)可知,加热速度的增加在从分子和分母两个方面急剧地缩短了奥氏体形成的时间,这将影响到奥氏体的初始晶粒状态及均匀程度,从图4　T91钢奥氏体化过程中A c1和A c3与加热速度关系而影响随后冷却过程的组织转变.同样根据图3中的信息可以得出奥氏体相变速率的峰值随加热速率变化的情况,利用多项式拟合,得出相变速率的峰值与加热速度的变化关系,见图5.拟合方程为d f/d t m a x=-2.1709×10-8V2+0.00030556V-0.018375,(3)其中,V为加热速度.图5　T91钢加热过程中奥氏体化速率与加热速度关系 从图5可见,奥氏体相变速率的峰值随加热速度的增加而显著增大,这与奥氏体相变的热力学有关:N=f N e x p(-Q N/KΔT),(4)G=f G e x p(-Q G/KΔT).(5)式中:N为形核率,G为长大速率,Q N、Q G为形核激活能与长大激活能,f N、f G为结构对形核与长大的影响因子,ΔT为过热度.由式(4)和(5)可知,加热速度增加导致过热度ΔT增大,从而提高奥氏体化的形核率与长大速率,使奥氏体相变速率增大[11].因此,随加热速度的增加,奥氏体相变速率增大.因相变速率的增大,奥氏体形成所需的时间减少,温度区间减小,与以上实验结果相吻合.由上述分析可知,加热速度对T91钢奥氏体化过程有很大的影响,随加热速度的增加,在奥氏体化开始温度A c1与淬火温度之间所经历的时间·331·第3期宁保群,等:加热速度对T91铁素体耐热钢奥氏体形成的影响显著减小.这种时间的差别对T 91钢奥氏体化行为的影响不次于奥氏体化的加热温度和保温时间对其的影响.低的加热速度相当于增加了奥氏体的保温时间,有可能造成奥氏体晶粒的长大;而高的加热速度相对地减少了奥氏体化的保温时间,使奥氏体化开始温度A c 1到淬火温度的时间缩短,不利于碳及合金元素的扩散,极有可能造成试样内部的成分不均匀.图6为不同加热速度下T 91试样淬火组织,加热速度为10K /m i n 时,马氏体板条相对稍有粗大;当加热速度为1000K /m i n 时,马氏体板条相对细小且组织均匀;当加热速度为6000K /m i n 时,因加热速度快,奥氏体化时间短,碳及合金元素扩散不充分造成了明显的偏析.可见在T 91钢奥氏体化时要根据加热速度选择适当的奥氏体化温度和保温时间才能在适合的后续热处理中得到好的组织.图6　不同加热速度下奥氏体化后的T 91钢淬火组织 综上所述,T 91钢奥氏体化过程不仅与其化学成分有关,与加热速度亦明显相关,所以热处理时忽略加热速度对其奥氏体化的影响是不当的,加热速度通过影响T 91钢奥氏体的形成,间接地影响着钢材的组织与性能.由此说明,对T 91钢来说,优化热处理工艺必须考虑连续加热过程中淬火前的加热速度对奥氏体相变的影响,以期得到最佳的组织和性能.3　结　论不同的加热速度显著影响T 91钢奥氏体形成的开始温度A c 1和结束温度A c 3,加热速度愈大,A c 1和A c 3温度愈高,奥氏体形成温度范围愈窄.随加热速度的增大,奥氏体相变速率显著增大,奥氏体形成所需的时间明显缩短,相变速率的峰值与加热速度符合如下关系:d f /d t m a x =-2.17×10-8V 2+3.06×10-4V -1.84×10-2.在同样的淬火条件下,相对较慢和较快的加热速度对最终组织都有不利影响.参考文献:[1]WA T A N A B E T ,T A B U C H I M ,Y A M A Z A K IM ,e t a l .C r e e p d a m a g ee v a l u a t i o no f 9C r -1M o -V -N bs t e e l w e l d e dj o i n t s s h o w i n g T y p e I V f r a c t u r e [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g ,2006,83(1):63-71.[2]G U P T AG ,J I A O Z ,H A M AN .M i c r o s t r u c t u r a l e v o l u -t i o no fp r o t o ni r r a d i a t e dT 91[J ].J o u r n a l o f N u c l e a r M a t e r i a l s ,2006,351(1-3):162-173.[3]Y I Y ,L E EB ,K I M S .C o r r o s i o na n dc o r r o s i o nf a t i g u eb e h a v i o r s o f 9C r s t e e l i nas u p e rc r i t i c a l w a t e r c o nd i t i o n [J ].M a te r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ,2006,429(1):161-168.[4]M A C K E N Z I EM ,C R A V E NAJ ,C O L L I N S CL .N a n o -a n a l y s i s o f v e r y f i n eV N p r e c i p i t a t e s i ns t e e l [J ].S c i p t a M a t e r i a l i a ,2006,54(1):1-5.[5]O O R OJ .W e l d m e t a l m i c r o s t r u c t u r e a n a l y s i s o f 9%～12%C rs t e e l s [J ].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP r e s s u r e V e s s e l s a n d P i p i n g ,2006,83(7):540-545.[6]K L U E H L ,H A S H I M O T O N ,M A Z I A S ZP J .D e v e l o p -m e n t o f n e w n a n o -p a r t i c l e -s t r e n g t h e n e d m a r t e n s i t i c s t e e l s [J ].S c r i p t aM a t e r i a l i a ,2005,53(3):275-280.[7]G A R C I AC ,C A B A L L E R OFG .M o d e l l i n g o f k i n e t i c s a n dd i l a t o me t r i cb e h a v i o r of n o n -i s o t h e r m a l p e a r l i t e -t o -a u s -t e n i t et r a n s f o r m a t i o ni na ne u t e c t o i ds t e e l [J ].S c r i p t a M a t e r i a l i a ,1998,39:791-796.[8]L I U Y C ,S O M M E R F ,M I T T E M E I J E R EJ .A b n o r m a la u s t e n i t e f e r r i t et r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o u r i ns u b s t i t u t eF e -b a s e a l l o y s [J ].Ac t a M a t e r ,2003,58(2):507-513.[9]姚可夫,钱滨,石伟,等.马氏体回火过程中组织转变量预测的实验研究[J ].金属学报,2003,39(8):892-896.[10]张世中.钢的过冷奥氏体转变曲线图集[M ].北京:冶金工业出版社,1993.[11]G A R C I AC ,C A B A L L E R OFG ,C A P D E V I L AC ,e t a l .A p p l i c a t i o n o f d i l a t o m e t r i c a n a l y s i s t o t h e s t u d y o f s o l i d -s o l i d p h a s e t r a n s f o r m a t i o n s i n s t e e l s [J ].M a t e r i a l s C h a r -a c t e r i z a t i o n ,2002,48(1):101-111.(编辑　吕雪梅)·332·材　料　科　学　与　工　艺 第17卷　。