ni-cr-mo-b超厚鋼板的厚度方向微觀組織演變

ni-cr-mo-b超厚鋼板的厚度方向微觀組織演變

隨著海洋油氣需求和開采深度的增加，海洋工程設(shè)備逐步原型化，對海洋平臺用鋼的尺寸、規(guī)格和性能要求也不斷提高。其中，厚板和高彈奏板的厚度表現(xiàn)出很大的高差。本研究對工業(yè)生產(chǎn)的117mm厚Ni-Cr-Mo-B齒條鋼進行了全厚度逐層解剖分析，發(fā)現(xiàn)了不同的截面效應(yīng)，在整個厚度方向上沖擊功變化曲線呈現(xiàn)“M”型，即表層和芯部的沖擊功均較低，而1/8T處的沖擊功最高。因此，有必要對該117mm厚的Ni-CrMo-B齒條鋼全厚度的顯微組織進行觀察，包括夾雜物、元素偏析、組織類型、原始奧氏體晶粒尺寸、有效晶粒尺寸、板條寬度、碳化物的尺寸與分布等多種因素，并綜合分析上述因素對齒條鋼力學性能的影響，為消除Ni-Cr-Mo-B超厚齒條鋼板的截面效應(yīng)提供理論指導(dǎo)。1試驗結(jié)果分析實驗材料為工業(yè)化生產(chǎn)的117mm厚的Ni-CrMo-B齒條鋼，其制備工藝如下：先模鑄，后軋制，再進行調(diào)質(zhì)處理。淬火溫度為900℃，保溫后采用表面高壓噴水冷卻，回火溫度為630℃，保溫后空冷處理。對實驗超厚板沿厚度方向分別取樣進行成分、夾雜物、力學性能及顯微組織等的觀察和分析，取樣方式如圖1a所示。將超厚板沿整個厚度方向(ND)平均分為9層(每層13mm)，分別用0T、1/8T、1/4T、3/8T、1/2T、5/8T、3/4T、7/8T和1T等表示不同位置處的拉伸和沖擊樣品。在距表面不同厚度位置分別取樣進行顯微組織的觀察，如用6mm來表示觀察面為距表層厚6mm處的組織，也代表0T沖擊樣品中心部位的組織，而19和58mm分別表示1/8T和1/2T沖擊樣品中心部位的組織。表1和2分別為超厚板不同位置的化學成分和夾雜物評級。由表1可見，超厚板表層和芯部的主元素、微量元素和雜質(zhì)元素含量基本相同，說明實驗用超厚板在厚度方向上的化學成分均勻，而不同厚度位置處的夾雜物差別也不大(表2)，且均以細系為主，僅有少量的0.5～1.0級的D類和0～0.5級的DS類夾雜物。在不同厚度位置分別沿橫向(TD)和軋制方向(RD)取拉伸和沖擊試樣，比較超厚板在2個方向上的性能差異。拉伸實驗和沖擊實驗分別參考GB/T228.1-2010和GB/T229-2007進行，其中拉伸試樣的平行段尺寸為直徑5mm、長30mm，沖擊樣品為10mm×10mm×55mm的CharpyV型缺口試樣，缺口沿厚度方向，拉伸實驗在室溫下進行，沖擊實驗溫度為-60℃，測試結(jié)果均取3個試樣測試結(jié)果的算術(shù)平均值。原始奧氏體晶粒和顯微組織觀察用的樣品依次經(jīng)過水砂紙機械研磨、金剛石拋光膏拋光，然后進行腐蝕，前者采用熱腐蝕，腐蝕劑為過飽和的苦味酸水溶液(添加幾滴洗滌劑)，后者采用4%(體積分數(shù))硝酸酒精腐蝕。采用GX51型光學顯微鏡(OM)進行原始奧氏體晶粒和金相組織的觀察，其中隨機選取5個以上不同視場，采用截線法對原始奧氏體晶粒尺寸進行統(tǒng)計。采用MERLINCompact場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對顯微組織進行觀察，采用S-3400N掃描電鏡(SEM)對沖擊斷口進行斷口形貌觀察，同時對沖擊斷口的剖面進行裂紋擴展路徑觀察，沖擊斷口的剖面取樣方案如圖1b所示。電子背散射衍射(EBSD)樣品經(jīng)過研磨和拋光后采用電解拋光方法制備，電解液為10%(體積分數(shù))的高氯酸酒精溶液，電解電壓和時間分別為15V和30s,EBSD數(shù)據(jù)搜集采用MERLINCompact場發(fā)射電鏡中集成的Ox‐fordNordlysF2結(jié)果2.1沖擊功與強度圖2為Ni-Cr-Mo-B超厚板在RD和TD2個方向上的屈服強度、延伸率和-60℃沖擊功沿厚度方向的變化曲線。由圖可見，超厚板各個厚度位置的橫向、軋制方向性能基本一致，比如芯部的橫向、軋制方向屈服強度分別為719和718MPa，延伸率均為22.0%，沖擊功分別為16和20J。因此，整個厚度方向橫向、軋制方向力學性能的變化規(guī)律相同。以軋制方向力學性能為例(下文均指軋制方向性能)，表層到芯部屈服強度逐漸降低，其中表層和芯部的屈服強度分別為798和718MPa；延伸率基本相同，其中表層和芯部的延伸率分別為20.0%和22.0%。厚度方向上的沖擊功變化較大，其中表層和芯部的沖擊功相差不大，都較低，分別為35和20J，而1/8T處的沖擊功為160J，明顯高于表層和芯部。在整個厚度方向，沖擊功變化曲線呈現(xiàn)“M”型，即表層和芯部沖擊功低，而1/8T處沖擊功高，該截面效應(yīng)與文獻2.2碳化物對超厚板微觀結(jié)構(gòu)的影響針對超厚板在厚度方向的沖擊功存在較大差異，對超厚板不同厚度位置處分別進行原始奧氏體晶粒和微觀組織的觀察。圖3為Ni-Cr-Mo-B超厚板6、19和58mm位置的原始奧氏體晶粒形貌。由圖可見，上述3個位置的原始奧氏體晶粒尺寸不同，從表層到芯部，原始奧氏體晶粒尺寸逐漸增加，分別為17.5、24.4和29.5μm。圖4為Ni-Cr-Mo-B超厚板距離表面不同位置處的OM像。由圖可知，1～24mm處的組織均呈現(xiàn)板條特征，其中1mm處為典型的回火板條馬氏體組織(LM圖5為Ni-Cr-Mo-B超厚板6、19和58mm處的SEM像。由圖可見，6mm處組織為LM圖7為超厚板不同位置處的晶界分布圖，其中黑線表示大角度晶界(highanglegrainboundaries,HAGBs)，紅線表示小角度晶界(lowanglegrainbound‐aries,LAGBs)。由圖可見，從表層1mm到19mm,HAGBs密度逐漸增加(圖7a～d)，隨后開始逐漸下降(圖7e和f)。由圖7e和f可見，在32和58mm處出現(xiàn)HAGBs分布不均勻的現(xiàn)象，并且芯部58mm處最明顯。這是因為24mm以上位置存在2種不同組織，其中HAGBs密度較大的區(qū)域(A和C)為LB進一步采用TEM對超厚板不同位置處的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，同時觀察碳化物特征。圖9為Ni-CrMo-B超厚板6、19和58mm位置處的TEM像。由圖可見，超厚板6和19mm位置處均為板條(lath)結(jié)構(gòu)(圖9a和b)，芯部除了具有板條結(jié)構(gòu)的區(qū)域(圖9c)，還存在明顯的塊狀區(qū)域(圖9d)，這是因為該位置處存在塊狀的GB3分析與討論3.1碳化物與流變劑的組織分解Ni-Cr-Mo-B超厚板不同厚度位置處顯微組織的不同與超厚板的生產(chǎn)制備工藝密切相關(guān)，超厚板在制備過程中不同厚度位置處軋制變形量的不同、淬火冷速的不同等都會顯著影響顯微組織Ni-Cr-Mo-B超厚板的厚度較大(達到117mm)，淬火時從表層到芯部存在較大的冷速梯度，從而導(dǎo)致厚度方向形成梯度變化的顯微組織。研究Ni-Cr-Mo-B超厚板淬火后進行了630℃高溫回火處理，此時不同厚度位置處形成的不同淬火組織均要發(fā)生分解，LM和LB均會分解為α-Fe和碳化物，而GB組織的分解則相對復(fù)雜。GB由貝氏體鐵素體(BF)基體和島狀馬氏體-奧氏體(M-A)2部分組成，630℃高溫長時回火過程中，BF和M-A島也都會分解為α-Fe并析出碳化物。由此可見，雖然NiCr-Mo-B超厚板不同厚度位置處具有不同的淬火態(tài)組織，但回火之后均由α-Fe基體和碳化物組成。因此，工業(yè)化生產(chǎn)的Ni-Cr-Mo-B超厚板不同厚度位置處組織的差別，本質(zhì)上可歸結(jié)于基體α-Fe和第二相碳化物的差別。碳化物的差別與其淬火態(tài)組織類型不同有關(guān)。在回火過程中，LM和LB等發(fā)生分解時，析出的碳化物尺寸比較細小(圖9e～g)，而GB組織中M-A島的C含量相對較高，其尺寸多為微米級對Ni-Cr-Mo-B超厚板而言，基體α-Fe具有豐富的亞結(jié)構(gòu)。一般認為，低碳馬氏體或貝氏體中一個原始奧氏體晶粒往往分割為板條束(packet)、板條塊(block)和板條(lath)，其中Block邊界為HAGBs，而板條邊界總是LAGBs3.2厚度方向上的沖擊功從表層到芯部，Ni-Cr-Mo-B超厚板不同厚度位置處的屈服強度逐漸降低，延伸率變化不大；沖擊功的變化最大，表層和芯部沖擊功相當，均不超過40J，而1/8T位置處沖擊功可達160J。合金鋼的力學性能主要取決于成分和微觀組織，前面的分析表明超厚板在厚度方向上成分均勻，而各位置處的夾雜物含量均較少，不會引起厚度方向上力學性能的顯著變化。雖然Ni-Cr-Mo-B超厚板在不同厚度位置處均由α-Fe基體和碳化物2相組成，但α-Fe基體的有效晶粒尺寸和碳化物尺寸存在明顯不同，從而造成超厚板不同位置處力學性能存在差異。有研究其中，k其中，M為析出強化系數(shù)，G為剪切模量，b為Burg‐ers矢量模，f為析出相的體積分數(shù)，R為析出相的平均半徑。由上式可見，Δσ與強度相比，超厚板厚度方向上的沖擊功差別較大。沖擊斷裂過程可分為裂紋啟裂和裂紋擴展2個階段，而碳化物一般被認為作為裂紋源可導(dǎo)致解理裂紋的萌生，且碳化物尺寸越大，裂紋越容易啟裂，從而降低材料的沖擊功鐵素體晶粒尺寸(d其中，T為了更好地分析超厚板的韌化機制，對超厚板不同位置處沖擊斷口剖面進行了觀察分析，如圖12所示。圖中剖面區(qū)域均選自沖擊斷口的解理區(qū)，其中樣品和鑲嵌料的邊界為初生裂紋，初生裂紋由曲折的多條線段組成，每一條線段為裂紋向前擴展一次穿過的路徑，定義為單位初生裂紋路徑(圖12中線段所示)，單位初生裂紋路徑的平均長度為單位初生裂紋長度(unitprimarycracklength,UPCL)。一般認為，UPCL越小，偏轉(zhuǎn)角度越大，裂紋偏轉(zhuǎn)次數(shù)越多，材料對裂紋的阻礙作用越強，表示材料的沖擊韌性越高4厚度方向上顯微組織的變化(1)工業(yè)化生產(chǎn)的117mm厚Ni-Cr-Mo-B超厚鋼板，在厚度方向上存在較大的力學性能差異。從表層到芯部，超厚板的屈服強度逐漸降低，表層和芯部的屈服強度分別為798和718MPa，而延伸率變化不大，均在20.0%～22.0%。然而超厚板的-60℃沖擊功變化較大，從表層到芯部沖擊功先增加后減小，1/8T的沖擊功最高，為160J，表層和芯部的沖擊功則較低，分別為35和20J，使得整個厚度方向上的沖擊功變化曲線呈現(xiàn)“M”型。(2)Ni-Cr-Mo-B超厚鋼板厚度方向上的顯微組織存在較大差異，其中表層為回火板條馬氏體(L