将12Cr1MoV钢加热至不同温度(650，750，850，950，1050，1150℃)保温3h并分别进行空冷和水冷来模拟火灾现场的火烧过程，采用金相检测、小冲杆试验、拉伸试验和硬度测试研究了火烧温度和冷却方式对试验钢显微组织和力学性能的影响。结果表明：当火烧温度不高于750℃时，空冷和水冷方式下试验钢的显微组织均主要为铁素体、珠光体和碳化物，强度、断后伸长率和硬度随火烧温度的变化很小；在空冷方式下，当火烧温度高于750℃时，随着火烧温度升高，试验钢的晶粒尺寸变大，珠光体含量增加，使得强度增大，断后伸长率降低；在水冷方式下，当火烧温度高于750℃时，试验钢组织中出现马氏体，随着火烧温度升高，马氏体含量增加，试验钢强度和硬度提高，断后伸长率降低。
1、试样制备与试验方法
试验材料为12Cr1MoV钢，试样表面尺寸为30mm×30mm，热处理状态为1000℃正火+730℃高温回火。采用马弗炉将试样分别加热至650，750，850，950，1050，1150℃保温3h，再分别进行空冷和水冷，以模拟火灾现场的火烧过程。
在模拟火烧前后的试样上截取金相试样，经打磨、抛光，用由体积比为1∶1∶1的HNO3、HCl和H2O组成的混合溶液腐蚀15s后，采用光学显微镜(OM)观察显微组织，利用金相检验软件测定显微组织中珠光体和铁素体含量。采用电火花方法将试样加工成直径为10mm、厚度约为0.7mm 的小圆片，再用砂纸打磨至厚度为(0.5±0.005)mm，采用图1所示装置进行小冲杆试验。压杆在传动系统作用下施压于直径0.25mm的小钢珠，使小钢珠以0.5mm·min-1速度冲压小圆片试样，使试样发生变形直至破裂。在冲压过程中，由位移传感器记录上下表面位移，力传感器获取压杆载荷，从而获得载荷-位移曲线。
按照GB/T 228.1—2010，在模拟火烧前后的试样上截取拉伸试样，标距为25mm，在拉伸试验机上进行室温拉伸试验，屈服前的应变速率为0.00025s-1，屈服后通过横梁位移控制拉伸速度为4.2mm·min-1。采用万能硬度计测试维氏硬度，载荷为10N，保载时间为10s，测试3次取平均值。
2、试验结果与讨论
2.1 显微组织
由图2可以看出，原始热处理态(模拟火烧前)试验钢的显微组织为铁素体、珠光体和颗粒状碳化物。在空冷条件下，当火烧温度不高于750℃时，试验钢的显微组织未发生明显变化，珠光体在晶间分布均匀，碳化物主要分布在铁素体表面，铁素体晶粒尺寸较均匀；当火烧温度高于750℃时，随着火烧温度的升高，铁素体表面碳化物减少，珠光体和铁素体晶粒尺寸增大；珠光体在火烧温度850，950℃下呈聚集的块状，在火烧温度1050，1150℃下出现轻度球化，并聚集为大颗粒状。经测定：原始热处理态试验钢中珠光体的面积分数在5%~10%；经650，750，850，950，1050，1150℃模拟火烧并空冷后，试验钢中珠光体的面积分数分别在5%~10%，5%~10%，10%~15%，15%~20%，20%~25%，25%~30%。可见空冷条件下，当火烧温度高于750℃时，珠光体含量随火烧温度升高而增加。
由图3对比图2可以看出：在水冷条件下，当火烧温度不高于750℃时，试验钢的显微组织与原始热处理态组织相似，由铁素体、珠光体和碳化物组成；当火烧温度升高至850℃时，试验钢组织变为马氏体和铁素体；当火烧温度为950，1050，1150℃时，试验钢组织为板条状马氏体、残余奥氏体和少量铁素体。
12Cr1MoV钢的奥氏体相变开始温度 为776℃，终了温度为885℃。在850℃及以下温度保温时组织奥氏体化程度低，水冷后组织中未发生相变的铁素体含量较高；当火烧温度高于885℃时，3h的保温时间不足以实现完全奥氏体化，组织中仍有少量铁素体未发生相变。经测定，在水冷条件下，当火烧温度分别为650，750，850，950，1050，1150℃时，试验钢中铁素体的面积分数分别为90%，90%，45%，10%~15%，5%~10%，<5%。可见，在水冷条件下，当火烧温度高于750℃时，铁素体含量随火烧温度的升高显著减少，相应的马氏体含量增加。
2.2 力学性能
由小冲杆试验得到模拟火烧前后试样的载荷-位移曲线见图4，基于最大载荷和最大位移，由经验关联公式计算得到试验钢的屈服强度和抗拉强度，经验关联公式如下：
由小冲杆试验和拉伸试验得到原始热处理态试验钢的屈服强度分别为360，356MPa，抗拉强度分别为480，478MPa。由图5可见，由小冲杆试验和拉伸试验得到的2种冷却方式下试验钢的强度随火烧温度的变化趋势基本一致：当火烧温度不高于750℃时，屈服强度和抗拉强度变化不大，当火烧温度由950℃升高到1150℃时，屈服强度和抗拉强度明显增大。由小冲杆试验得到的强度与由拉伸试验得到的强度的相对误差小于5.0%，验证了小冲杆试验测定强度的可靠性。
由图6可以看出：随着火烧温度的升高，空冷方式下试验钢的断后伸长率先增大后减小，而水冷方式下的断后伸长率一直降低；当火烧温度不高于750℃时，空冷和水冷方式下的硬度变化都不大，但当火烧温度超过850℃时，硬度明显升高，说明12Cr1MoV钢在火烧后会发生硬化；当火烧温度不低于750℃时，水冷方式下试验钢的断后伸长率低于空冷方式下，而硬度高于空冷方式下。
综上可知，火烧温度和冷却方式通过改变试验钢的显微组织而对力学性能产生了较大影响。在空冷方式下，不同温度模拟火烧后的显微组织主要为铁素体、珠光体和碳化物，并且珠光体含量在火烧温度高于750℃时随火烧温度升高而增加；珠光体含量在决定12Cr1MoV钢强度方面起着主导作用。在水冷方式下，当火烧温度不高于750 ℃时试验钢的显微组织由铁素体、片层状珠光体和碳化物组成，但当火烧温度升高到850℃时，显微组织变为马氏体和铁素体，当火烧温度在950~1150℃时，组织中出现了残余奥氏体，并且随着火烧温度升高，马氏体含量增加，铁素体含量减少；水冷条件下试验钢的强度主要受马氏体含量影响。马氏体形态及分布相对复杂，含量统计困难，但是铁素体含量与马氏体含量存在一定反比例关系，故根据文献可用铁素体含量的变化来分析强度的变化。
在空冷方式下，当火烧温度不高于750℃时，温度未达到试验钢的奥氏体相变温度，试验钢组织中的珠光体含量未随火烧温度而变化，与原始热处理态组织中相同，因此模拟火烧后的屈服强度和抗拉强度与原始热处理态基本一致；但是在保温过程中珠光体发生熔断、破碎，破碎的渗碳体对位错阻碍作用变小，因此试验钢的断后伸长率略有提升，硬度略微降低。当火烧温度升高到850℃时，试验钢的晶粒比原始热处理态细小，同时片层状渗碳体在铁素体间分布较均匀，对铁素体变形阻碍作用明显，因此抗拉强度较原始热处理态有所提高；当火烧温度为950，1050，1150℃时，晶粒明显变大，且珠光体含量增加，造成相界面增加，对位错运动的阻碍作用增大，因此试验钢强度增大，断后伸长率降低。
在水冷方式下，当火烧温度不高于750℃时，试验钢的显微组织与强度随火烧温度的变化与空冷方式下相似；当火烧温度为850℃，快速冷却的奥氏体向马氏体转变时会在铁素体晶界形成大量位错，硬而脆的马氏体对位错的阻碍作用比珠光体强，使得可移动位错密度降低，塑性变形困难，因此试验钢强度增大，断后伸长率降低；随着火烧温度的继续升高，铁素体含量减少，硬而脆的马氏体含量增加，试验钢强度急剧增大，断后伸长率降低，硬化现象越发明显。
3、结 论
(1)由小冲杆试验得到的强度与拉伸试验得到的强度的相对误差小于5.0%，说明小冲杆试验测定强度具有一定可靠性。
(2)在温度750~1150℃保温3h空冷模拟火烧后，12Cr1MoV钢的显微组织为铁素体、珠光体和颗粒状碳化物；当火烧温度不高于750℃时，组织中的珠光体面积分数均在5%~10%，晶粒尺寸较小，强度、断后伸长率和硬度随火烧温度的变化很小；当火烧温度高于750℃后，随着火烧温度的升高，12Cr1MoV钢的晶粒尺寸增大，珠光体含量增加，强度增大，断后伸长率降低。
(3)在水冷方式下，当火烧温度不高于750℃时，12Cr1MoV钢的组织主要为铁素体、珠光体和碳化物，铁素体面积分数为90%，强度、断后伸长率和硬度随火烧温度的变化很小；当火烧温度为850℃时，组织变为板条马氏体和铁素体，铁素体面积分数降至45%；当火烧温度在950~1150℃时，组织由板条马氏体、残余奥氏体和少量铁素体组成，随着火烧温度升高，铁素体含量减少(即马氏体含量增多)，强度和硬度显著提升，断后伸长率降低。
引用本文：
李小凯，关凯书.火烧温度和冷却方式对12Cr1MoV钢显微组织和力学性能的影响[J].机械工程材料，2023，47（3）：31-36.
Li X K, Guan K S. Effect of Burning Temperature and Cooling Way on Microstructure and Mechanical Properties of 12Cr1MoV Steel, 2023, 47（3）: 31-36.
DOI:10.11973/jxgccl202303006
