《Materials Today Communications》：Structure-property relationship of 2.25Cr-1Mo pressure vessel steel under intercritical and conventional heat treatments
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本研究对比分析了2.25Cr-1Mo钢经常规淬火（QT）和临界淬火（IQT）处理后的微观结构及力学性能。结果表明，IQT导致双相组织（44%铁素体+56%回火马氏体）和Cr-Mo富集碳化物，使屈服强度下降23%，抗拉强度降低31%，但延伸率相当。断口分析显示IQT样品 dimple尺寸增加27%，剪切面积减少24%，表面粗糙度更高，证实了相组成和碳化物化学对力学性能及断裂行为的关键影响。
核反应堆压力容器用2.25Cr-1Mo钢的热处理工艺与微观结构-力学性能关联性研究
1. 研究背景与意义
2.25Cr-1Mo钢作为核电站压力容器关键材料，其优异的综合性能使其广泛应用于高温高压环境。该钢种独特的性能表现源于精密调控的微观组织，而热处理工艺是决定其最终性能的核心因素。本研究聚焦于常规淬火回火（QT）与亚临界淬火回火（IQT）两种工艺路线，揭示不同热处理对微观组织演变及力学性能的影响机制，为工业应用中规避亚临界温度暴露风险提供理论支撑。
2. 实验设计与方法
2.1 材料制备
采用英国Magnox Ltd.提供的SA508 Gr.22标准板材，经真空熔炼锻造成型，尺寸为60×10×10mm。样品经表面处理消除氧化层，确保后续热处理工艺的稳定性。
2.2 热处理工艺
- QT工艺：1000℃奥氏体化（5℃/s升温速率）→水淬→600℃回火2h
- IQT工艺：800℃奥氏体化（5℃/s）→水淬→600℃回火2h
两工艺均采用氩气保护，避免氧化脱碳。特别设计的铝箔-水泥浆复合涂层有效防止回火过程中的表面氧化。
2.3 分析检测体系
构建多尺度分析矩阵：
- 相组成分析：X射线衍射（Cu Kα辐射，45kV/40mA）
- 微观结构表征：SEM-EDX联用（JCM-700型扫描电镜）
- 力学性能测试：万能拉伸试验机（Instron 3369）
- 断口形貌分析：三维形貌重构（Gwyddion软件）结合表面粗糙度参数（ISO 25178标准）
3. 关键研究发现
3.1 相组成与晶粒特征
QT处理获得单相回火马氏体（100%），晶粒尺寸32μm。IQT处理产生双相组织（44%铁素体+56%回火马氏体），晶粒细化至25μm。XRD分析显示：
- QT样品：典型的BCT马氏体衍射峰（200）分裂为(200)和(002)
- IQT样品：存在BCC铁素体特征峰（110），且所有衍射峰均存在显著位移，表明存在残余应力场
3.2 碳化物析出行为
IQT处理产生显著的碳化物富集现象：
- 平均Mo/Cr含量达1.7/9.9%（基体为2.27Cr-0.97Mo）
- QT处理碳化物Mo/Cr含量仅1.2/3.02%
EDX谱分析显示，亚临界处理使碳化物中Cr和Mo含量分别提高331%和41%，形成典型M3C型碳化物（Cr0.9Mo0.1C）。
3.3 力学性能关联
3.3.1 强度特性
QT处理显著提升强度指标（表4）：
- 屈服强度：391±13.4MPa（IQT：301±10.5MPa，降低23%）
- 抗拉强度：762±13.5MPa（IQT：526±12.8MPa，降低31%）
组织分析显示，双相组织中铁素体（屈服强度约230MPa）与马氏体（600MPa以上）形成强度梯度场，导致整体强度下降。
3.3.2 延伸与韧性
- 延伸率：IQT（22%±1%） vs QT（19%±0.5%），相差13%
- 韧性指标（应力-应变曲线积分）：
QT：11248J/m3（IQT：9095J/m3，降低19%）
- 断口分析显示：
- IQT样品剪切区占比52%（QT：67%）
- 平均凹坑尺寸：IQT 7.27μm（QT 5.34μm，差异27%）
- 表面粗糙度参数：
IQT：Sa0.08μm（QT0.05μm）、Sq0.10μm（QT0.07μm）
Szo.95μm（QT0.81μm）显示显著微观应变梯度
3.4 断裂行为机制
3.4.1 断裂模式差异
QT样品呈现典型剪切断裂特征（图9b），剪切区占比67%，表面呈现平滑镜面（Sa0.05μm）。IQT样品出现混合断裂模式：
- 剪切区占比52%，出现局部颈缩现象
- 铁素体区域呈现韧窝断裂特征（图9c）
- 碳化物作为应力集中源，诱发微孔聚集（图10e）
3.4.2 粒径分布特征
通过图像处理算法（watershed）定量分析：
- IQT样品：微孔直径分布（3-12μm）较QT（2-8μm）更宽泛
- 碳化物尺寸：IQT（1.2-3.5μm） vs QT（0.8-2.1μm）
- 粒径分布函数显示IQT样品存在显著两峰分布（小尺寸为主峰，大尺寸为次峰）
4. 关键科学结论
4.1 组织-性能关联机制
- 双相组织中马氏体占比降低至56%，导致整体强度下降
- 碳化物体积分数从QT的32%增至IQT的44%，且尺寸增大（平均1.8μm vs 1.2μm）
- 硬脆碳化物与软韧铁素体形成"海岛"结构，产生不均匀变形场
4.2 亚临界暴露的损伤效应
- 碳化物富集导致基体溶质原子浓度梯度（Mo/Cr梯度达41%）
- 晶界迁移率降低（晶粒尺寸细化25%）
- 碳化物-基体界面结合强度下降（摩擦系数从0.18增至0.25）
5. 工程应用启示
5.1 安全评估阈值
- 亚临界处理使屈服强度降至设计值的77%（QT标准为85%）
- 抗拉强度临界失效阈值突破（UTS≥600MPa）
- 刚度损失导致设备膨胀应力降低18%
5.2 工艺控制要点
- 奥氏体化温度应严格控制在Ac3+50℃以上（本例800℃亚临界温度低于Ac1）
- 焊接热影响区（HAZ）需控制在临界温度以下（
- 局部过热处理（>Ac1但
6. 研究局限与展望
- 未考察循环加载条件下的性能退化
- 碳化物生长动力学模型需完善
- 推荐后续研究：
① 建立温度-时间-碳化物尺寸的定量关系模型
② 开发基于机器学习的工艺窗口预测系统
③ 进行1000小时蠕变性能对比测试
本研究首次系统揭示2.25Cr-1Mo钢亚临界处理引发的双相组织演变规律及其对断裂行为的调控机制，为核容器制造中的工艺安全边界设定提供了关键数据支撑。建议在焊接工艺评定中增加亚临界温度暴露风险评估模块，并制定临界温度区间的安全操作规程。
