9310钢的CCT曲线测定与分析_邓为豪.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-06369310 钢的 CCT 曲线测定与分析邓为豪1,王 杰1,2,蒲 欢3,贾雪梅1,杨 眉1(1.西南石油大学新能源与材料学院,四川 成都 610500;2.长沙理工大学材料科学与工程学院,湖南 长沙 410082;3.中国石油西南油气田公司工程技术研究院,四川 德阳 618000)摘 要:通过 Formastor-F 相变仪测试了 9310 钢在不同冷却速度下的膨胀曲线,并绘制其连续冷却转变曲线(CCT 曲线);以CCT 曲线为基础,结合光学显微镜、扫描电镜(SEM)及维氏硬度计等分析了不同冷却速度对实验钢组织转变的影响。结果表明:当冷却速度为 0.051 /s 时,随着冷却速度的提高,铁素体转变逐渐过渡为贝氏体转变;当冷却速度为 5 /s 时,只发生贝氏体转变;当冷却速度为 1020 /s 时,贝氏体转变逐渐向马氏体转变过渡。当冷却速度从 0.05 /s 增加到 5 /s 时,9310 实验钢的维氏硬度迅速增加;当冷却速度提高至 10 /s 及以上,维氏硬度稳定在约 410 HV0.5。关键词:9310 钢;连续冷却;CCT 曲线;显微组织;维氏硬度中图分类号:TG142.3 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0166-08收稿日期:2022-12-19 修订日期:2023-04-07基金项目:四川省自然科学基金(2022NSFSC0325)作者简介:邓为豪(1998),男,硕士研究生,主要研究方向为金属材料异种连接,E-mail:923632189 。通信作者:杨 眉(1971),男,教授,博士,主要研究方向为高性能结构材料及其加工,发表论文 80 余篇,E-mail:380056676 。引用格式:邓为豪,王杰,蒲欢,等.9310 钢的 CCT 曲线测定与分析J.材料热处理学报,2023,44(7):166-173.DENG Wei-hao,WANG Jie,PU Huan,et al.Determination and analysis of CCT curve of 9310 steelJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):166-173.Determination and analysis of CCT curve of 9310 steelDENG Wei-hao1,WANG Jie1,2,PU Huan3,JIA Xue-mei1,YANG Mei1(1.School of New Energy and Materials,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.School of Materials Science and Engineering,Changsha University of Technology,Changsha 410082,China;3.Engineering Technology Research Institute of PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Deyang 618000,China)Abstract:The expansion curves of 9310 steel at different cooling rates were tested using a Formator-F phase transformation instrument,and its continuous cooling transformation curve(CCT curve)was plotted.Based on the CCT curve,the influence of different cooling rates on microstructure transformation of the experimental steel was analyzed by means of optical microscope,scanning electron microscopy(SEM)and Vickers hardness tester.The results show that when the cooling rate is 0.05-1 /s,the ferrite transformation gradually changes to bainite transformation with the increase of cooling rate.When the cooling rate is 5 /s,only bainite transformation occurs.When the cooling rate is 10-20 /s,the bainite transformation gradually changes to martensite transformation.When the cooling rate increases from 0.05 /s to 5 /s,the Vickers hardness of the 9310 experimental steel increases rapidly.When the cooling rate is increased to 10 /s or above,the Vickers hardness stabilizes at about 410 HV0.5.Keywords:9310 steel;continuous cooling;CCT curve;microstructure;Vickers hardness 9310 合金钢(也称 AISI9310 钢),具有高淬透性、高心部硬度和高疲劳强度,还具有固体延展性、焊接性和可加工性。其构件截面大,要求韧性和核心强度高;主要用于飞机发动机关键齿轮、汽车结构件、热处理轴、高性能直升机传动齿轮构件等。连续冷却转变(CCT)曲线对金属材料热处理工艺的制定有重要的指导意义1,金属材料在诸多领域占据着重要地位,对金属材料进行热处理,有利于优化金属材料的性能2。金属材料的 CCT 曲线取决于该材料的成分,其中合金元素含量及碳含量起决定第 7 期邓为豪等:9310 钢的 CCT 曲线测定与分析 性作用,不同微量元素含量变化对于连续冷却转变过程中的转变形式以及转变起始时间都有显著影响;例如:除 Co、Al 以外钢种的其他金属元素会使 C 曲线右移;Mo、W 使珠光体转变曲线右移显著而对贝氏体转变曲线右移不明显3。对于大型结构件用的高强度钢,在保证足够高强度的前提下,为了兼顾较好韧性和焊接性,要降低碳含量并加入种类多而含量少的合金元素,在制定热处理工艺时,没有现成的 CCT 曲线可供参考。因此在开发新的钢材品种时,需要测定相应的 CCT 曲线,掌握 9310 钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线不仅可为 9310 钢制定合理的锻造、焊接及热处理等工艺提供参考依据,而且对于其在热加工及热处理等过程的显微组织转变的有限元模型构建和数值模拟具有重要的指导意义4。1 实验材料与方法 实验材料为企业提供的 9310 铸态钢柱,为了避免铸态材料的偏析造成钢柱组织成分不均导致测试误差,在所提供的钢柱中心位置进行取样实验,并检验其具体化学成分,结果如表 1 所示。表 1 9310 钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the 9310 steel(mass fraction,%)CSiMnPSCrMoNiCuBFe0.110.230.530.010.011.210.083.350.30-Bal.通过 FTF-340 型 Formastor-F 相变仪测定实验钢在不同冷却速度下的膨胀曲线,并结合金相-硬度法确定不同冷却速度下的组织转变过程及产物,Formastor-F 相变仪可以测试钢、铁等金属材料静态相变温度,其测量温度范围为-150 1400,能够满足本次实验要求,相变仪采用高频感应加热和气体喷雾冷却来实现温度的精确控制,优化设计标准试样尺寸为 3 mm10 mm,实验所用试样尺寸如图 1 所示。图 1 试样尺寸图(单位:mm)Fig.1 Sample size diagram(unit:mm)以 YB 512893钢的连续冷却转变曲线图的测定方法(膨 胀 法)标 准 进 行 CCT 曲 线 测 试:以10 /s 的升温速度将 9310 实验钢试样加热到 920,保温 5 min,然后分别以 0.05、0.1、0.25、1、5、10、20、30、40、50 和 60 /s 的速度连续冷却至室温。测得不同冷却速度下实验钢的膨胀曲线,然后根据切线法获得各转变点数据。采用 XJP-3C 型双目光学显微镜和 ZEISS EV0 MA15 型扫描电镜(SEM),观察实验钢在不同冷却速度下冷却到室温的显微组织。先采用砂纸对样品进行打磨,再使用 P-1 型抛光机对其抛光,然后使用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液进行表面腐蚀,腐蚀时间为 1525 s。采用 HVS-1000 型维氏硬度计测试不同冷却速度下实验钢的维氏硬度,加载力选用 500 g,保荷时间 15 s,每个试样至少分散测度 5 个点的维氏硬度,舍去一个最高数值和一个最低数值再取其余数据的平均值。2 实验结果2.1 不同冷却速度对应膨胀曲线 实验测得 9310 实验钢开始发生奥氏体转变的临界温度 Ac1为745,奥氏体转变结束的临界温度 Ac3为 780;并得到 11 条不同冷却速度下 9310 钢的膨胀曲线。图 2 为实验钢前后转变差异较明显的典型膨胀曲线,冷却速度分别为 0.05、5、20 和 60 /s。从图2(a)可以明显看出,当冷却速度为 0.05 /s 时,其连续冷却的膨胀曲线在降温阶段有 4 个明显的拐点,这表明在冷却速度为 0.05 /s 时 9310 实验钢发生了两次相转变;而冷却速度分别为 5、20 和 60 /s时,膨胀曲线在降温阶段均仅有 2 个明显的拐点,因此可以判断只发生了一次相转变。2.2 不同冷却速度对应的组织及其维氏硬度 合金钢连续冷却转变过程中可以发生珠光体转变而无贝氏体转变发生,也可以有贝氏体转变发生而不发生珠光体转变,也可以珠光体转变和贝氏体转变都发生,其具体的转变过程取决于合金钢的合金元素的种类和含量。当钢种为共析钢或过共析钢时,其连续冷却转变只会发生珠光体转变;当含碳量在中碳以下时,则可以存在贝氏体转变区;当成分为含碳较低的合金结构钢,如 75CrMo 时,珠光体和贝氏体转变同时存在,且两者分开,但贝氏体转变超前;当成分为高碳合金工具钢时,贝氏体和珠光体转变也同时存在,两者分开,但此时珠光体转变超前,例如 Cr12;当成分为含有较高 Cr、Ni 元素的低碳和中碳合金结构761 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷 图 2 实验钢在不同冷却速度时的膨胀曲线(a)0.05 /s;(b)5.0 /s;(c)20.0 /s;(d)60.0 /sFig.2 Expansion curves of the experimental steel at different cooling rates(a)0.05 /s;(b)5.0 /s;(c)20.0 /s;(d)60.0 /s钢时,只有贝氏体转变区;当成分为中碳高铬钢时,只有珠光体转变区5。表 2 为不同冷却速度下实验钢的维氏硬度。冷却速度为 0 /s 时的硬度为实验钢基体硬度,9310钢