鋼鐵是現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)發(fā)展的主要耗材。石油、天然氣以及風(fēng)能等行業(yè)使用的鋼材具有最佳的強(qiáng)度和韌性以及較低的生產(chǎn)成本。由于深水環(huán)境中嚴(yán)苛的高壓和低溫條件，海上工業(yè)使用低合金鋼來(lái)制造水下應(yīng)用的鍛造部件。為了滿足全球能源需求，石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)不斷地被轉(zhuǎn)移到環(huán)境更加嚴(yán)苛的地方，如超深海和北極地區(qū)。這導(dǎo)致冶煉行業(yè)設(shè)計(jì)了壁厚較厚的低合金鋼鍛造部件，以滿足水下關(guān)鍵部件承受更高的壓力。低合金鋼經(jīng)常被設(shè)備制造商用于制造具有高強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)部件，這種材料通過(guò)鍛造操作和熱處理工藝的結(jié)合能充分發(fā)揮其機(jī)械性能，其強(qiáng)度和韌性之間的平衡通過(guò)正火、淬火和回火處理組成的熱處理循環(huán)獲得。

1、 石油天然氣用大型鍛件的制造工藝

大型鋼鍛件的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，大致可以分為下圖所示的煉鋼、軋制、熱處理和機(jī)械加工等過(guò)程。

這種工藝生產(chǎn)出來(lái)的鍛件質(zhì)量依賴于鍛造部件所能達(dá)到的機(jī)械性能。鍛造過(guò)程中需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析相關(guān)的加工參數(shù)，以便制造出滿足需求的高質(zhì)量大型鍛件。然而，盡管在生產(chǎn)加工中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)十分重要，但由于難以在工業(yè)設(shè)備或直接在組件中安裝測(cè)量或記錄設(shè)備，因此對(duì)處理參數(shù)的監(jiān)測(cè)并不總是可行的。

2、 熱處理工藝

熱處理是大型鋼鍛件制造順序中的最后一道工序，它決定了部件的最終顯微組織和機(jī)械性能。熱處理工藝的設(shè)計(jì)包括關(guān)鍵參數(shù)的定義，如加熱速率、溫度、均熱時(shí)間和冷卻速率，以獲得所需的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。在過(guò)去的幾十年中，這些參數(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究，然而，為了滿足某些特殊行業(yè)（例如海上工業(yè)）的需求，新的熱處理工藝也在不斷發(fā)展，這包括使用超大型熔爐和全新設(shè)計(jì)的淬火槽。由于與大型鍛件熱處理相關(guān)的潛在顯微組織變化，鍛造工業(yè)在保證大型鍛件的機(jī)械性能方面存在不確定性。

2.1 正火

大型鍛件在開式模鍛和環(huán)件軋制操作后的顯微組織主要有三個(gè)觀察指標(biāo)。首先，晶粒流動(dòng)優(yōu)先取向取決于鍛件縱軸或橫軸上塑性變形的嚴(yán)重程度。這種微觀結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致鍛件的縱向或橫向方向的機(jī)械性能不同；其次，由于在熱加工操作之后的冷卻過(guò)程中經(jīng)歷的冷卻速率變化，沿著鍛件的壁厚可能形成不均勻的微觀組織，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。從這個(gè)意義上說(shuō)，正火處理具有降低熱加工后產(chǎn)生的不均勻性和顯微組織各向異性的能力，因?yàn)樗軌蚴沟秃辖痄摰慕M織均勻化和細(xì)化。正火的工藝流程包括包括將材料加熱到奧氏體相（面心立方結(jié)構(gòu)），將其保持在奧氏體化溫度，直到鍛件尺寸達(dá)到完全轉(zhuǎn)變，最后停止加熱并在空氣中冷卻至室溫。在顯微組織方面，大型鍛件在正火處理后通常會(huì)出現(xiàn)鐵素體-珠光體組織。

由于在熱加工操作過(guò)程中采用了較高的鍛造溫度（1100℃-1250℃），鍛造過(guò)程后零件中產(chǎn)生了粗晶粒組織，然而，這種粗組織實(shí)際上是在正火過(guò)程后使用900℃-950℃之間的溫度而得到細(xì)化的。

2.2 淬火

盡管如前所述，大型鍛件的顯微組織在正火后得到了顯著優(yōu)化，但仍需進(jìn)行淬火處理，以促進(jìn)在最終部件中實(shí)現(xiàn)所需性能所必不可少的相變。

淬火可被視為鍛造行業(yè)中定制低合金鋼和高合金鋼的組織和性能的關(guān)鍵工藝流程。這個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程可以總結(jié)如下：最初將部件加熱到其奧氏體范圍，然后在均熱時(shí)間結(jié)束后將材料從熔爐中取出，并轉(zhuǎn)移到淬火槽中。在淬火槽中，將部件浸入淬火介質(zhì)中，以促進(jìn)快速冷卻，從而避免形成不希望得到的結(jié)構(gòu)。如果冷卻速度足夠快，根據(jù)淬火過(guò)程中產(chǎn)生的非平衡冷卻條件、鍛件的化學(xué)成分和截面尺寸，奧氏體結(jié)構(gòu)可能轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，如馬氏體或貝氏體。

2.3 回火

淬火過(guò)程后需要對(duì)鍛件進(jìn)行回火處理，因?yàn)榇慊鸬玫降鸟R氏體硬度雖大但易碎，因此不適合直接做結(jié)構(gòu)件。回火包括在特定時(shí)間內(nèi)將先前獲得的馬氏體結(jié)構(gòu)加熱至確定的溫度，并在靜止空氣中冷卻。回火時(shí)間是根據(jù)零件的厚度計(jì)算的，通常部件厚度為 25mm/h，而回火溫度的選擇則取決于鍛件所需的機(jī)械性能。研究人員通過(guò)選定的試樣在 870℃奧氏體化后停留一小時(shí)，接著在油中淬火，然后在 200℃-600℃之間回火，研究回火溫度對(duì)鎳鉻鉬鋼強(qiáng)度和韌性的影響。研究人員觀察到過(guò)高的溫度將導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度降低。另一方面，隨著回火溫度的升高，韌性下降。此外，淬火馬氏體在回火過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，回火馬氏體由針狀鐵素體基體組成，碳化物沉淀位于原奧氏體晶粒尺寸邊界或板條亞結(jié)構(gòu)內(nèi)。值得注意的是，回火處理期間使用的最高溫度必須低于較低的臨界溫度AcI（加熱時(shí)奧氏體溫度開始轉(zhuǎn)變），以避免奧氏體轉(zhuǎn)變。

回火的初始階段（100-200℃）包括Fe2.4C碳化物的形成，這也稱為 ?-碳化物。在第二階段，先前淬火操作產(chǎn)生的殘余奧氏體在 200℃-350℃之間轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體的混合物。第三階段發(fā)生在 250℃-750℃之間。在此溫度范圍內(nèi)，根據(jù)材料的化學(xué)成分，形成Fe3C滲碳體或M3C滲碳體碳化物，這將導(dǎo)致馬氏體體心四方性的終止，并逐漸降低其應(yīng)力水平，馬氏體組織在回火過(guò)程中形成的碳化析出物的分布和取向決定了該材料的力學(xué)性能。

2.4 熱處理的發(fā)展

在過(guò)去的十到十五年中，熱處理技術(shù)取得了許多進(jìn)步。引進(jìn)新合金，如雙相不銹鋼、微合金鋼、HSLA鋼、低鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼、等溫淬火球墨鑄鐵、定向凝固和單晶高溫合金、鋁鋰合金、各種金屬基復(fù)合材料等。行業(yè)內(nèi)呼吁基于結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性進(jìn)行新的研究。

熱處理工藝也發(fā)生了變化，包括連續(xù)退火、感應(yīng)加熱和使用激光或電子束的表面硬化操作的改進(jìn)，等離子輔助表面硬化工藝商業(yè)化可行性的確立，以及熱機(jī)械加工的進(jìn)步。然而，最引人注目的進(jìn)展發(fā)生在新開發(fā)的用于改進(jìn)過(guò)程表征和過(guò)程控制的工具領(lǐng)域。這些發(fā)展中值得注意的是改進(jìn)了控制爐溫、爐內(nèi)氣氛和表面碳含量的儀器、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）的實(shí)際應(yīng)用、計(jì)算機(jī)建模在硬度曲線預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，表面硬化性能回火的定量建模，以及材料及其熱處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)輔助面向?qū)ο筮x擇。筆者認(rèn)為信息化，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入將是未來(lái)大型鍛件熱處理工藝的一大發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)也確實(shí)在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。具體而言，計(jì)算機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用到以下過(guò)程中：

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和檢索

（2）轉(zhuǎn)化過(guò)程的建模

（3）微觀結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測(cè)

（4）過(guò)程分析和優(yōu)化

（5）實(shí)時(shí)工藝監(jiān)控

通過(guò)開發(fā)基于計(jì)算機(jī)的材料成分、材料性能、加工變量對(duì)材料性能的影響、各種合金的 CCT 和 TTT 信息存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)，熱處理技術(shù)專家將更容易評(píng)估材料選擇對(duì)熱處理及其最終性能的影響。與此同時(shí)，人們也可以更容易地對(duì)可用的材料和加工備選方案進(jìn)行評(píng)估。利用計(jì)算機(jī)，可以對(duì)熱處理過(guò)程進(jìn)行足夠精確的建模，以便分析處理變量的影響。因此，為了研究CLR 處理變量的影響，可能不需要進(jìn)行昂貴且冗長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，而是可以進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)的過(guò)程直接進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算機(jī)還可以用于熱處理過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)和控制。這在很大程度上取決于固態(tài)傳感器的發(fā)展。計(jì)算機(jī)是求解傳熱和形變行為問(wèn)題的重要工具，這與熱處理過(guò)程中遇到的問(wèn)題直接相關(guān)，加入計(jì)算機(jī)技術(shù)后，工程人員便可以對(duì)這些情況進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，以開發(fā)熱處理工藝和預(yù)測(cè)熱處理性能。

3、 結(jié)論

本篇研究分析了低合金鋼的加工路線、組織和性能之間的關(guān)系。特別是如何通過(guò)改變相關(guān)的冶金參數(shù)，如化學(xué)成分（煉鋼）、變形程度（鍛造）或冷卻速度（淬火），來(lái)改變低合金鋼的組織和性能。此外，本文還簡(jiǎn)要介紹了大型鍛件的熱處理工藝發(fā)展以及可能的發(fā)展趨勢(shì)。在描述這些進(jìn)展時(shí)，筆者并非詳盡無(wú)遺，感興趣的讀者可以閱讀文中引用的參考文獻(xiàn)。熱處理的未來(lái)前景在于已提出的一些新工藝的進(jìn)一步發(fā)展。大規(guī)模的業(yè)務(wù)整合，如從鑄鋼到熱處理產(chǎn)品的連續(xù)加工，可能會(huì)受到更多的關(guān)注。計(jì)算機(jī)在熱處理中的應(yīng)用將越來(lái)越多，將成長(zhǎng)為未來(lái)的主流發(fā)展趨勢(shì)。

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