钢铁是现代社会工业发展的主要耗材。石油、天然气以及风能等行业使用的钢材具有最佳的强度和韧性以及较低的生产成本。由于深水环境中严苛的高压和低温条件，海上工业使用低合金钢来制造水下应用的锻造部件。为了满足全球能源需求，石油和天然气的勘探和生产不断地被转移到环境更加严苛的地方，如超深海和北极地区。这导致冶炼行业设计了壁厚较厚的低合金钢锻造部件，以满足水下关键部件承受更高的压力。低合金钢经常被设备制造商用于制造具有高强度要求的结构部件，这种材料通过锻造操作和热处理工艺的结合能充分发挥其机械性能，其强度和韧性之间的平衡通过正火、淬火和回火处理组成的热处理循环获得。

1、石油天然气用大型锻件的制造工艺

大型钢锻件的生产是一个复杂的工艺过程，大致可以分为下图所示的炼钢、轧制、热处理和机械加工等过程。

这种工艺生产出来的锻件质量依赖于锻造部件所能达到的机械性能。锻造过程中需要严格的质量控制，实时监测和分析相关的加工参数，以便制造出满足需求的高质量大型锻件。然而，尽管在生产加工中实时监测相关参数十分重要，但由于难以在工业设备或直接在组件中安装测量或记录设备，因此对处理参数的监测并不总是可行的。

2、热处理工艺

热处理是大型钢锻件制造顺序中的最后一道工序，它决定了部件的最终显微组织和机械性能。热处理工艺的设计包括关键参数的定义，如加热速率、温度、均热时间和冷却速率，以获得所需的微观结构和机械性能。在过去的几十年中，这些参数已经得到了广泛的研究，然而，为了满足某些特殊行业（例如海上工业）的需求，新的热处理工艺也在不断发展，这包括使用超大型熔炉和全新设计的淬火槽。由于与大型锻件热处理相关的潜在显微组织变化，锻造工业在保证大型锻件的机械性能方面存在不确定性。

2.1 正火

大型锻件在开式模锻和环件轧制操作后的显微组织主要有三个观察指标。首先，晶粒流动优先取向取决于锻件纵轴或横轴上塑性变形的严重程度。这种微观结构的各向异性导致锻件的纵向或横向方向的机械性能不同；其次，由于在热加工操作之后的冷却过程中经历的冷却速率变化，沿着锻件的壁厚可能形成不均匀的微观组织，从而导致内部结构的变化。从这个意义上说，正火处理具有降低热加工后产生的不均匀性和显微组织各向异性的能力，因为它能够使低合金钢的组织均匀化和细化。正火的工艺流程包括包括将材料加热到奥氏体相（面心立方结构），将其保持在奥氏体化温度，直到锻件尺寸达到完全转变，最后停止加热并在空气中冷却至室温。在显微组织方面，大型锻件在正火处理后通常会出现铁素体-珠光体组织。

由于在热加工操作过程中采用了较高的锻造温度（1100℃-1250℃），锻造过程后零件中产生了粗晶粒组织，然而，这种粗组织实际上是在正火过程后使用900℃-950℃之间的温度而得到细化的。

2.2 淬火

尽管如前所述，大型锻件的显微组织在正火后得到了显著优化，但仍需进行淬火处理，以促进在最终部件中实现所需性能所必不可少的相变。

淬火可被视为锻造行业中定制低合金钢和高合金钢的组织和性能的关键工艺流程。这个复杂的工艺过程可以总结如下：最初将部件加热到其奥氏体范围，然后在均热时间结束后将材料从熔炉中取出，并转移到淬火槽中。在淬火槽中，将部件浸入淬火介质中，以促进快速冷却，从而避免形成不希望得到的结构。

如果冷却速度足够快，根据淬火过程中产生的非平衡冷却条件、锻件的化学成分和截面尺寸，奥氏体结构可能转变为亚稳态结构，如马氏体或贝氏体。

2.3 回火

淬火过程后需要对锻件进行回火处理，因为淬火得到的马氏体硬度虽大但易碎，因此不适合直接做结构件。回火包括在特定时间内将先前获得的马氏体结构加热至确定的温度，并在静止空气中冷却。回火时间是根据零件的厚度计算的，通常部件厚度为 25mm/h，而回火温度的选择则取决于锻件所需的机械性能。研究人员通过选定的试样在 870℃奥氏体化后停留一小时，接着在油中淬火，然后在 200℃-600℃之间回火，研究回火温度对镍铬钼钢强度和韧性的影响。研究人员观察到过高的温度将导致屈服强度和极限拉伸强度降低。另一方面，随着回火温度的升高，韧性下降。

此外，淬火马氏体在回火过程中转变为回火马氏体，回火马氏体由针状铁素体基体组成，碳化物沉淀位于原奥氏体晶粒尺寸边界或板条亚结构内。值得注意的是，回火处理期间使用的最高温度必须低于较低的临界温度AcI（加热时奥氏体温度开始转变），以避免奥氏体转变。

回火的初始阶段（100-200℃）包括Fe2.4C碳化物的形成，这也称为 Ɛ-碳化物。在第二阶段，先前淬火操作产生的残余奥氏体在 200℃-350℃之间转变为铁素体和渗碳体的混合物。第三阶段发生在 250℃-750℃之间。在此温度范围内，根据材料的化学成分，形成Fe3C渗碳体或M3C渗碳体碳化物，这将导致马氏体体心四方性的终止，并逐渐降低其应力水平，马氏体组织在回火过程中形成的碳化析出物的分布和取向决定了该材料的力学性能。

2.4 热处理的发展

在过去的十到十五年中，热处理技术取得了许多进步。引进新合金，如双相不锈钢、微合金钢、HSLA钢、低钴马氏体时效钢、等温淬火球墨铸铁、定向凝固和单晶高温合金、铝锂合金、各种金属基复合材料等。行业内呼吁基于结构-性能相关性进行新的研究。

热处理工艺也发生了变化，包括连续退火、感应加热和使用激光或电子束的表面硬化操作的改进，等离子辅助表面硬化工艺商业化可行性的确立，以及热机械加工的进步。然而，最引人注目的进展发生在新开发的用于改进过程表征和过程控制的工具领域。这些发展中值得注意的是改进了控制炉温、炉内气氛和表面碳含量的仪器、统计过程控制（SPC）的实际应用、计算机建模在硬度曲线预测中的应用，表面硬化性能回火的定量建模，以及材料及其热处理过程的计算机辅助面向对象选择。笔者认为信息化，特别是计算机技术的引入将是未来大型锻件热处理工艺的一大发展趋势。近年来，计算机也确实在热处理过程中产生了实质性的应用。具体而言，计算机技术可以应用到以下过程中：

（1）数据库的存储和检索

（2）转化过程的建模

（3）微观结构和性能的预测

（4）过程分析和优化

（5）实时工艺监控

通过开发基于计算机的材料成分、材料性能、加工变量对材料性能的影响、各种合金的 CCT 和 TTT 信息存储和检索系统，热处理技术专家将更容易评估材料选择对热处理及其最终性能的影响。与此同时，人们也可以更容易地对可用的材料和加工备选方案进行评估。利用计算机，可以对热处理过程进行足够精确的建模，以便分析处理变量的影响。因此，为了研究CLR 处理变量的影响，可能不需要进行昂贵且冗长的实验，而是可以进行基于计算机的过程直接进行优化。

计算机还可以用于热处理过程的在线监测和控制。这在很大程度上取决于固态传感器的发展。计算机是求解传热和形变行为问题的重要工具，这与热处理过程中遇到的问题直接相关，加入计算机技术后，工程人员便可以对这些情况进行详细分析和研究，以开发热处理工艺和预测热处理性能。

3、结论

本篇研究分析了低合金钢的加工路线、组织和性能之间的关系。特别是如何通过改变相关的冶金参数，如化学成分（炼钢）、变形程度（锻造）或冷却速度（淬火），来改变低合金钢的组织和性能。此外，本文还简要介绍了大型锻件的热处理工艺发展以及可能的发展趋势。在描述这些进展时，笔者并非详尽无遗，感兴趣的读者可以阅读文中引用的参考文献。热处理的未来前景在于已提出的一些新工艺的进一步发展。大规模的业务整合，如从铸钢到热处理产品的连续加工，可能会受到更多的关注。计算机在热处理中的应用将越来越多，将成长为未来的主流发展趋势。

参考文献

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