两相区热处理对含铜9Ni钢组织和性能的影响

　　液化天然气(LNG)作为绿色清洁能源在世界能源消费结构中的比重越来越大，开发利用LNG已经成为许多国家能源结构调整和可持续发展的重点战略[1]。我国正在建造的LNG调峰站也稳步增多。为了满足LNG大型化需求，提高空间使用效率和节约建造成本，保证良好的安全性，工业中建造 LNG 采用的 9Ni 钢的强度和厚度都需要提高[2]。

　　目前，对9Ni钢的热处理工艺、焊接热影响区等方面的研究已有较多[3-5]。采用两相区热处理(Quenching，Lamellarizing and Tempering，QLT)工艺可以使 9Ni 钢达到较佳强韧性的匹配，进一步提高材料强度则可通过合金化来实现。Cu在钢中能够产生强烈的沉淀强化作用，利用Cu的时效硬化技术已发展了一类新型高强度低合金钢，被广泛应用于管线、造船、采油平台、工程机械等用钢[6-9]。Nakada 等通过在9Ni 钢中添加Cu使材料的强韧平衡得到提高[10]。张怀征等初步探讨了9Ni-1Cu钢的热处理工艺和焊接性能[11]，表明添加Cu能够在保证韧性的条件下充分提高材料的强度。目前，含铜9Ni钢研究报导仍然较少，因此研究含铜9Ni钢的两相区热处理工艺、Cu在9Ni钢中的析出行为和相应的组织和性能，开发具有高强度的9Ni钢具有十分重要的意义。

　　本文通过添加Cu获得高强韧9Ni钢，探索其热处理工艺特点，研究不同两相区热处理工艺条件下的显微组织演化和力学性能变化规律，为含铜9Ni钢的工业化生产提供依据。

　　1 试验材料及方法

　　试验钢为80kg真空感应炉冶炼的铸锭，化学成分见表1。

　　铸锭经加热至1180℃保温4h均匀化处理，扒皮后加工成110mm×110mm×250mm坯料。坯料在1180℃保温2h，出炉后经粗轧(温度为1050℃)轧至74mm厚，再经精轧(温度为890℃)轧成20mm厚钢板，终轧后轧件经约20℃/s的速率冷却至200℃ 。采用Netzsch DIL 402PC热膨胀仪测试Φ6mm×20mm样品在加热过程中在长度方向的膨胀量，获得试验用钢加热时α→γ的转变开始温度AC1为590℃和转变终了温度Ac3为720℃。制定如下QL和QLT热处理工艺:

　　1) QL处理: 780℃保温1h，水淬，在将试样分别加热至两相区的600、635和670℃，保温1h，水淬，再将试样分别命名为QL600、QL635和QL670;

　　2) QLT处理: 将经过QL处理的试样分别经过570℃回火1h，水冷; 分别记为QLT600、QLT635和QLT670;

　　3) 为了研究不同回火温度的影响，从QL635试样取样，其分别经过520、470和420℃回火1h，水淬，试样命名为QLT635-520，QLT635-470和QLT635-420。

　　厚度(ND)×轧制方向(RD)截面经过抛光和4% 硝酸酒精溶液侵蚀，使用扫描电镜(SEM，Quanta3D FEG)观察显微组织。用于透射电镜(TEM)观察的薄膜样品先经机械减簿，再经5%高氯酸+95%乙醇溶液双喷至穿孔。使用 JEM-2100F 透射电镜观察簿膜样品显微组织形貌。奥氏体相成分通过JEM-2100F透射电镜配套的Oxford能谱测量获得。室温奥氏体相分数测定采用XRD实验技术，抛光样品经5% 高氯酸和95%乙醇溶液电解抛光，使用设备为Rigaku D/Max-2500/PC，测量参数为: CuKα靶，电压40kV，电流150mA，步长0.02°。选择FCC的(200)，(220)和(311)和BCC的(200)和(211)衍射峰进行扫描，计算时将所测量的5条衍射线强度进行组合比较，共6对，分别计算回转奥氏体的含量，取其算术平均值为最终结果，系统分析误差为±1%。测试试样横向(TD)力学性能。使用250kN(Instron 5585H)万能拉伸实验机测试标距段为Φ8mm×50mm的圆棒试样的室温屈服强度(Rp0.2)，拉伸强度(Rm)，伸长率(A5)和断面收缩率(Z)，屈服时拉伸速度为3mm/min。Charpy V型冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm，在ND开标准V型槽。