T24钢过冷奥氏体连续冷却转变研究

王晓峰^{1, 2}，李红英¹，张尚青¹，李阳华²

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 衡阳华菱钢管有限公司 技术中心，湖南 衡阳，421001)

摘要：利用Gleeble-1500 热模拟机测量T24钢以不同速度连续冷却时的膨胀曲线，结合差热分析法与金相-硬度法，确定临界点及相变温度点，绘制并对比分析T24钢的过冷奥氏体的连续冷却曲线(CCT 图)，研究实验钢连续冷却时的奥氏体转变。研究结果表明：T24钢过冷奥氏体在高温区可能发生铁素体转变，中温区可能发生贝氏体转变，低温区可能发生马氏体转变；当冷却速度小于0.10 ℃/s 时，转变产物为铁素体和少量贝氏体的混合组织；当冷却速度分别为0.03，0.05和0.10 ℃/s时，过冷奥氏体先在高温区发生组织转变，转变量分别为49%，25%和22%，之后在中温区发生组织转变。在0.50~10.00 ℃/s的冷却速度范围内，转变产物为贝氏体。当冷却速度大于20.00 ℃/s时，转变产物为马氏体。合金元素Cr和Mo等能够推迟奥氏体分解，Mn对贝氏体转变有促进作用，对于T24钢，只有以低于0.10 ℃/s的速度冷却才会有先共析铁素体和碳化物生成，在0.50~10.00 ℃/s 的较宽冷却速度范围内连续冷却都会发生贝氏体转变。

关键词：T24钢；CCT图；连续冷却；相变

中图分类号：TG151.2                文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)11-3769-09

Continuous cooling transformation of undercooling austenite of T24 steel

WANG Xiaofeng^{1, 2}, LI Hongying¹, ZHANG Shangqing¹, LI Yanghua²

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

2. Technology Center, Hengyang Valin Steel Tube Co. Ltd., Hengyang 421001, China)

Abstract: The dilatometric curves of T24 steel during continuous cooling process at different cooling rates were measured on Gleeble-1500 thermal mechanical simulator. According to DSC analysis and microstructure observation combined with hardness test, the critical temperatures and phase transformation temperatures were determined from the dilatometric curves, which were used to determine the continuous cooling transformation (CCT) diagram of T24 steel. The results show that ferrite can be formed in supercooled austenite of tested steel at higher temperature intervals, and bainite transformation and martensite transformation can occur in intermedium temperature and low temperature zones respectively. The transformation product consists of polygonal ferrite and a small amount of bainite at the cooling rates below 0.10 ℃/s. High temperature transformation occurs at first when the super-cooled austenite is cooled at the rates of 0.03, 0.05 and 0.10 ℃/s, and then middle temperature microstructure transformation begins to take place. The percentages of transformation product in high temperature ranges are 49%, 25% and 22% correspondingly and when the cooling rate ranges from 0.50 to 10.00 ℃/s, the product is mainly composed of bainite. When the cooling rate is higher than 20.00 ℃/s, martensite is the main transformation product. Because the alloy elements such as Cr and Mo can inhibit the decomposition of austenite, proeutectoid ferrite can be formed only at the condition of cooling rate below 0.10 ℃/s. Mn can accelerate the bainite transformation, and therefore bainite can be easily formed during the continuous cooling process for a large range of cooling rate (0.5-10.00 ℃/s).

Key words: T24 steel;continuous cooling transformation diagram;continuous cooling;phase transformation

提高火力发电机组参数是提高机组效率、可靠性和节能环保的重要途径，超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果^[1-2]，正逐步取代污染大、能耗高的中小型发电机组，成为火电企业的主要机组。超临界锅炉的主蒸汽和再热蒸汽温度为538~566 ℃^[3-4]，作为超临界火电机组的关键部件之一，蒸汽管道需要长期在高温高压并有腐蚀介质的条件下服役，对钢管材料和制造技术都提出了更高的要求，除了常规力学性能和抗腐蚀性能外，还须在服役温度范围内具有足够的热强性和抗高温氧化性能。此外，由于锅炉容量增大，为了提高效率，必须增大受热面积，导致超临界火电机组中锅炉水冷壁更大更薄。T24钢是在T22钢的基础上加入Ti和V等合金元素开发出来的，可用作超临界锅炉水冷壁的材料，焊前不用预热、焊后不必热处理，用于制作大而薄的管件有较大优势。进行有效的热处理是改善钢材综合性能最关键的技术手段^[5-6]。T24钢过冷奥氏体连续冷却转变是一个极复杂的过程，在不同冷却条件下和不同温度，奥氏体会发生不同的转变，可能得到铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体及残余奥氏体等不同的室温组织，先共析铁素体的形态与冷却速度有关，片状珠光体的片层间距与转变温度有关。CCT图能够表征过冷奥氏体在不同冷却速度下获得的组织，用来指导制定热处理工艺，可以达到通过控制冷却速度来控制过冷奥氏体转变的目的^[7]。本文作者研究T24钢过冷奥氏体的连续冷却转变，确定不同冷却速度下的相变开始点和结束点，测定和分析了相应的CCT图，并与前期所测T23和T91的CCT图进行比较研究，研究合金成分对CCT图的影响。

1  实验材料及方法

实验材料为耐热钢热轧管，其化学成分如表1所示。利用差示扫描量热法、膨胀法并结合金相-硬度法，测试实验钢的临界点A_c1和A_c3以及过冷奥氏体经不同速度连续冷却的相变点。

从钢管上切取片状试样，经砂纸粗磨后获得长×宽×厚为6.0 mm×6.0 mm×0.8 mm试样，以2 K/min的速度将试样升温至1 000 ℃，保温10 min，测得实验钢在缓慢升温过程中的温度-热量曲线，确定其临界点A_c1和A_c3^[8]。

获取直径×长度为6 mm×10 mm的圆柱试样，加热至奥氏体化温度，保温10 min，利用Gleeble-1500热模拟机冷却至室温，获取不同冷却速度对应的膨胀曲线。T24钢、T23钢、T91钢的奥氏体化温度为1 000，1 050和1 050 ℃，T24钢的冷却速度分别为0.03，0.05，0.10，0.50，1.00，2.50，5.00，10.00，20.00，25.00和30.00 ℃/s，T23钢的冷却速度分别为0.10，0.50，1.00，2.50，5.00，10.00，15.00，20.00，25.00和30.00 ℃/s，T91钢的冷却速度分别为0.03，0.05，0.100，0.50，1.00，2.50，5.00，10.00，15.00，20.00，25.00，30.00，45.00和60.00 ℃/s。

利用POLYVAR-MET金相显微镜进行组织观察。利用HVS-1000型维氏硬度计测量显微硬度(HV2)，压头为金刚石，载荷为1.96 N，每个试样测量3次，取平均值。

表1 实验钢的化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of experimental steels       %

2  实验结果与分析

图1所示为利用差示扫描量热法获得的T24实验钢的升温DSC曲线。从图1可以看出：实验钢的临界转变温度A_c1为773 ℃，A_c3为963 ℃。

钢铁发生固态相变时，由于钢中不同组织的结构和比容不同，常伴有体积的不连续变化，导致热膨胀曲线在相变温度处出现拐点^[9]，因此，可以利用膨胀法确定相变点。通常采用极值法、切线法、平均法确定不同冷却速度下的相变温度，极值法方便快捷，温度容易确定，但是确定的相变温度并不是真正的相变温度^[10]。切线法能够准确地反映相变开始与结束的实际温度，因此，本文采用切线法确定相变温度点。

图2所示为T24实验钢过冷奥氏体以较低和较高速度连续冷却的膨胀曲线。从图2可以看出：当冷却速度为0.10 ℃/s时，存在2个组织转变区，在高温度区(780~ 865℃)和中温区(330~645 ℃)均有相变发生；当冷却速度为30.00 ℃/s时，仅在356~450 ℃的低温区有组织转变。

图1  T24钢的升温DSC曲线

Fig. 1  DSC curve of T24 steel during heating process

图3所示为利用杠杆法计算过冷奥氏体组织转变量的示意图^[11]。当膨胀曲线只有1个转变区时，若材料在冷却过程中没有相变发生，则膨胀曲线应沿着段线性发展。当温度降低到T_a时，材料发生相变，膨胀曲线偏离直线。当温度降低到T_b时，相变结束，膨胀曲线回归直线。段对应相变引起的总线膨胀量，可用式(1)计算温度T对应的新相的体积分数。当膨胀曲线有2个转变区时，可分别用式(2)和(3)计算高温区和低温区的组织转变量。

              (1)

           (2)

           (3)

式中：f，f₁，f₂分别为不同转变产物的体积分数；Q为最大转变量。

图2  较低与较高冷却速度对应的膨胀曲线

Fig. 2  Dilatometric curves of experimental steel at lower and higher cooling rates

图3 杠杆法计算组织转变量的示意图

Fig. 3  Schematic diagram of lever method for evaluating fraction of phase transformation

图4所示为计算得到的T24钢在不同冷却速度下过冷奥氏体转变体积分数与温度的关系。从图4可见：当冷却速度为0.03，0.05和0.10 ℃/s时，过冷奥氏体先在高温区发生组织转变，转变量分别为49%，25%和22%，之后在中温区发生组织转变。

图4  组织转变体积分数与温度的关系

Fig. 4  Variation of volume fraction of transformation product with temperature for different cooling rates

当组织转变量较少时，膨胀曲线变化不明显，从而影响测量的准确度，可以利用显微组织观察。若显微组织较难分辨时，则可以利用硬度法加以辅助。图5所示为T24实验钢原始组织和以不同速度连续冷却到室温的显微组织，表2所示为T24钢奥氏体以不同速度冷却到室温的显微硬度。

由图5可以看出：当冷却速度小于0.10 ℃/s时，T24实验钢会发生铁素体转变和贝氏体转变，由于碳含量较低，在铁素体边界上有一些离散的渗碳体，随冷却速度的提高，组织中铁素体逐渐减少，粒状贝氏体逐渐增加；当过冷奥氏体的冷却速度高于临界冷却速度(0.10 ℃/s)时，铁素体便不能析出长大，只能发生贝氏体转变和马氏体转变；当冷却速度为0.50~10 ℃/s时，主要发生贝氏体转变，且随着冷却速度的增大，贝氏体量逐渐增加；当冷却速度达到一定值后，贝氏体含量开始减少，形成粒状贝氏体和微量板条状马氏体的混合组织，随着冷却速度不断增大，马氏体板条逐渐变明显；当冷却速度大于20.00 ℃/s时，只发生马氏体转变，组织为马氏体和部分残余奥氏体；随着冷却速度的增大，马氏体板条逐渐变得粗大。

图5  T24实验钢过冷奥氏体经不同速度连续冷却到室温的显微组织

Fig. 5  Microstructure of steel after continuous cooling at different cooling rates

表2  T24实验钢经不同冷却速度冷却后的硬度

Table 2  Vickers hardness of samples with different cooling rates

综合膨胀法及金相、硬度法所得结果可以看出：当冷却速度小于0.50 ℃/s时，主要发生铁素体转变和贝氏体转变；随着冷却速度的提高，过冷度增大，铁素体晶粒越来越细小，贝氏体含量增加，硬度逐渐增加；当冷却速度在0.50~10.00 ℃/s之间时，不会发生铁素体转变，主要发生贝氏体转变；当冷却速度提高到5.00 ℃/s时，马氏体开始点及其稍下的区域与下贝氏体转变区可能重叠，形成了针状的下贝氏体和马氏体混合组织，马氏体形成时在其相邻的奥氏体中发生协作变形，位错等缺陷导致畸变能增加，激发了贝氏体亚单元的形核^[12]，硬度(HV2)剧增至407。当冷却速度提高到10.00 ℃/s时，形成了许多亚单元或超细亚单元，转变产物中贝氏体铁素体片条变细小，位错、孪晶等亚结构增多，碳化物也变的较细小，硬度达到最高；当冷却速度大于20.00 ℃/s时，主要发生马氏体转变，马氏体转变具有降温转变特征，转变往往不彻底，存在不同程度的残余奥氏体，形成马氏体和残余奥氏体的混合组织，硬度反而有所降低。

3  CCT图的绘制及分析

分析膨胀曲线获得的相变信息，结合组织观察和硬度测试，可以确定对应的相变点，表3所示为T24钢过冷奥氏体在不同冷却速度对应的相变温度。

将表3中的相变点绘制到温度-时间半对数坐标上，用光滑曲线将物理意义相同的点连接，并在坐标上标出A_c1和A_c3，得到如图6所示的T24钢的CCT图，图中冷却曲线旁的数字为冷却速度，冷却曲线下端的数字为以该速度冷却到室温的硬度(维氏硬度HV2)。

T23钢与T24钢为成分相近的钢，T91钢为改良的9Cr1Mo钢，其成分与T24有较大差别。采用相同的方法，确定T23钢和T91钢不同冷却速度下的相变温度分别如表4和表5所示。

利用类似T24钢CCT图的绘制方法，将表4和表5中的温度点绘制到坐标上，分别得出T23钢和T91钢的CCT图，如图7和图8所示。

表3  T24钢过冷奥氏体在不同冷却速度下的相变温度

Table 3  Phase transformation temperatures of T24 steel corresponding to different cooling rates         ℃

图6  T24钢的CCT图

Fig. 6  CCT diagram of T24 steel

表4  T23钢过冷奥氏体在不同冷却速度下的相变温度

Table 4  Phase transformation temperatures of T23 steel corresponding to different cooling rates

由图6和图7可以看出：T24钢和T23钢的CCT图表现出较大相似性，高温区发生铁素体转变，中温区主要发生贝氏体转变，在较低冷却速度也能得到贝氏体，低温区主要发生马氏体转变。T23钢和T24钢都是在T22钢(2.25Cr1Mo)的基础上通过增减合金元素开发出来的，其中的主合金元素Cr，Mo和W都属于强碳化物形成元素，与碳原子有较强的亲和力，能够增加碳原子在奥氏体中的扩散激活能，从而降低碳的扩散系数^[13]。T23钢和T24钢的过冷奥氏体只有在较低冷却速度下才会发生高温转变，这是因为碳原子只有在较低的冷却速度和较高的温度才能够充分扩散。与T24 钢相比，在相同的冷却速度下，T23钢的高温转变温度比T24钢的高，这是因为T24钢含有更高含量的Mo，能够很好地抑制奥氏体的分解。T23钢中较高含量的W也能够在一定程度上抑制奥氏体的分解，但是抑制能力较 Mo的抑制能力弱。

表5  T91钢过冷奥氏体在不同冷却速度下的相变温度

Table 5  Phase transformation temperatures of T91 steel at different cooling rates

图7  T23钢的CCT图

Fig. 7  CCT diagram of T23 steel

由图8可以看出：T91钢在连续冷却时，没有贝氏体转变区，只有铁素体的转变和马氏体转变；当冷却速度在0.03~0.10 ℃/s时，过冷奥氏体先析出铁素体，然后析出极少量马氏体；当冷却速度大于0.10 ℃/s时，冷却后的组织为完全马氏体组织；与T24钢相比，在相同的冷却速度下，T91钢的高温转变温度较低；当冷却速度为0.03 ℃/s时，T24钢的高温转变开始温度和结束温度分别为848 ℃和716 ℃，T91钢在相同冷却速度下的转变温度分别为662 ℃和541 ℃。这主要是因为T91钢中的Cr的体积分数高达8.51%，极大地提高了碳的扩散激活能，较大程度抑制了奥氏体的分解，因此，在较慢的冷却速度(0.03~0.10 ℃/s)和较低的温度才会有先共析铁素体生成。此外，T91钢中的Mo和Mn等元素也会使相变驱动力减小，从而提高了过冷奥氏体在高温转变区的稳定性，起到了延长高温转变和中温转变孕育期的作用^[14-15]，使得奥氏体在高温区和中温区停留的时间不足以达到孕育时间，降低了铁素体和马氏体转变的开始点。

图8  T91钢的CCT图

Fig. 8  CCT diagram of T91 steel

4  结论

1) 测定T24钢的临界转变温度A_c1为773 ℃，A_c3为963 ℃。当冷却速度小于0.10 ℃/s时，过冷奥氏体发生高温转变和中温转变，0.03，0.05和0.10 ℃/s冷却速度对应的过冷奥氏体先在高温区发生组织转变，转变量分别为49%，25%和22%，之后在中温区发生组织转变，转变产物为铁素体、碳化物和贝氏体。在0.50~10.00 ℃/s的冷却速度范围内，转变产物为粒状贝氏体，发生完全马氏体转变的临界冷却速度为20.00 ℃/s。

2) 成分相近的T24钢及T23钢的CCT图表现出较大相似性，高温区发生铁素体转变，中温区主要发生贝氏体转变，低温区主要发生马氏体转变，合金元素Mn对贝氏体转变有促进作用，在较宽的冷却速度范围内都能得到贝氏体。

3) T91钢有较高的Cr含量，有推迟奥氏体分解的作用，没有贝氏体转变区，只有铁素体转变和马氏体转变。当冷却速度在0.03~0.10 ℃/s时，过冷奥氏体先析出铁素体，然后析出极少量马氏体；当冷却速度大于0.10 ℃/s时，冷却后的组织为完全马氏体组织。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-12-02；修回日期：2014-02-20

基金项目(Foundation item)：湖南省重大科技专项(2008FJ1003) (Project(2008FJ1003) supported by Major Science and Technology Program of Hunan Province)

通信作者：李红英(1963-)，女，湖南湘乡人，博士，教授，博士生导师，从事金属及合金的强韧化研究；电话：0731-88836328；E-mail: lhying@csu.edu.cn