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国产5Ni钢性能和组织结构与热处理工艺关系的研究

胡素坤鲁彦平

摘要

本研究采用观察、分析方法，综合研究了不同热处理条件下5Ni钢的微观组织结构和宏观力学性能间的关系。结果表明，为了获得具有高强度、高韧性、可焊接的新型耐压壳体用结构钢，必须采用适宜的热处理工艺制度，即：900±10℃淬火+650℃高温回火。

一、前言

为了研制一种新型的高强度、高韧性、可焊接的耐压壳体用结构钢，首先必须设计合理的化学成分系，还需选择适宜的冶炼、加工和热处理工艺制度。诚然，钢的化学成分、加工工艺对钢的微观结构和宏观的力学性能有着明显的影响。然而热处理制度对钢的相组成和成分要有决定的作用，进而决定钢的宏观力学性能。

本研究利用各种观察、分析方法，综合研究了不同热处理工艺制度对5Ni钢的微观组织结构和宏观力学性能的作用。经过反复试验研究后发现，采用调质热处理工艺制度，即淬火、再经过高温回火的热处理工艺制度，可使5Ni钢获得高强度、高韧性、可焊接等良好力学性能。

二、试验研究方法和结果

试验用钢是采用抚顺钢厂的碱性电弧炉冶炼的钢锭，在鞍钢开坯轧制成20、30、40mm厚钢板。热处理制度为900℃淬火后，经不同的温度、不同保温时间的回火处理。热处理温度与力学性能的关系曲线如图1所示。图中表明，5Ni钢经900℃淬火+650℃回火时的抗拉强度σs和屈服强度分别为：970～1310MPa和800～1080MPa;伸长率δ?为17%;断面收缩率ψ为60～68%;-20℃夏比冲击吸收功Akv达到140J,可以认为5Ni钢具有高强度、高韧性的良好综合性能，是一种理想的耐压壳体用结构钢。

5Ni钢经900℃淬火后，通过光学显微镜和透射电镜观察，发现其显微组织为典型的低碳板条马氏体(图2)。图2所示的马氏体彼此排列成群，构成板条束，这些板条束在光学显微镜下呈块状(见图2a);在透射电镜下，可清晰看到板条群的基本单元，并可辨认出各板条小

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0火温度℃

图1回火温度与力学性能关系曲线

(a)700×(b)38000×

图2淬火组织

角度或大角度亚晶界的晶界面及板条中的亚结构。

众所周知，经淬火后形成的低碳板条马氏体，通常会产生自回火现象，因此在板条状马氏体晶界内出现了弥散分布的细小的碳化物，即ε-碳化物，经穆斯堡尔谱仪和x光衍射仪测出，淬火态的5Ni钢中尚有约2%左右的残余奥氏体。实测表明，具有上述淬火态组织的

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5Ni钢其力学性能显然是强度高、韧性低。呈现这样的性能，不能视为是理想的结构钢。为获得高强度、高韧性良好匹配的结构钢，势必须再进行热处理，以改善其韧性。

九

为了获得高强度、高韧性的5Ni钢，采用了调质处理，从而得到了较好的效果。将5Ni钢首先经900±10℃水淬，然后分别采用低温(200℃)直至高温(650℃)回火，其结果显著不同，见图1。

图35Ni钢200℃回火后的显微组织(38000×)图1中所示的低温回火后的5Ni钢的力

图35Ni钢200℃回火后的显微组织(38000×)

均较高，而夏比冲击韧性值和伸长率均偏低。图3示出了200℃低温回火后的显微组织基本上与淬火态相同，只是试样腐蚀后，组织较黑，并无显著变化。

从图1还可看出，淬火态的5Ni钢随着回火温度的不断升高，其宏观力学性能则发生了明显的变化。屈服强度σ?.2、硬度HB值均有所降低；断面收缩率山、伸长率δ?和夏比冲击吸收功均有升高，以致达到了峰值。图1还表明，经高温回火后，钢的力学性能已达到高强度(0?.2=800～940MPa)、高韧性(-20℃Akv=140J)的良好匹配。显然，获得这种良好的综合性能，表明所选择的热处理工艺制度是合理的。因为它使5Ni钢的显微组织发生了明显的变化。

三、讨论

5Ni钢经900℃淬火后，其显微组织为板条状马氏体、ε-碳化物、残余奥氏体所组成，这时钢的强度和硬度均很高，而塑性和韧性却很低。钢经200℃低温回火后，其显微组织结构并未发生明显的变化，即仍然保留板条状的马氏体的特征(见图3),虽然有些e-碳化物析出，也只是起弥散强化作用，所以此时钢的强度高而韧性低。

同样经过9