厚壁锻件在重型机械、电力、冶金、石油化工、船舰制造和原子能工业等领域广泛应用。这些厚壁锻件中,低合金钢锻件占比在80%以上,如风电主轴、石化加氢反应器、船舰用曲轴、核电压力容器等。它们常作为重型装备的承重或防护构件,受力情况复杂,工作环境特殊,对力学性能指标及其稳定性要求极高。然而,随着壁厚的增加,厚壁低合金钢锻件心部低温冲击韧性常出现偏低或者严重波动情况。不仅导致产品的合格率较低,也给合理评价厚壁锻件冲击韧性带来了极大的困难。本课题针对厚壁低合金钢构件中常出现冲击功偏低或严重波动的问题,通过对重型企业生产石化加氢用2.25Cr-1Mo-0.25V钢和核电压力容器用SA508-3钢厚壁锻件生产特点和实物解剖分析,确定了导致其低温冲击韧性偏低或存在严重波动的根本原因,揭示了影响冲击功波动的微观机制。在此基础上,提出了提高厚壁低合金钢锻件低温冲击韧性及其稳定性的工艺措施,并将相关成果成功应用在某核电SA508-3钢厚壁锻件上。本文的主要研究内容和结论包括:(1)通过对石化加氢用2.25Cr-1Mo-0.25V钢和核电SA508-3钢厚壁锻件分析,确定了低合金钢厚壁构件冲击功偏低或严重波动与粒状贝氏体组织密切相关。在此基础上,设计了一种以粒状贝氏体为显微组织的模型低合金钢,通过三点弯曲试验和有限元计算模拟相结合,证实了粒状贝氏体中大块状M-A岛及其高温回火分解产物引发的解理断裂是导致低合金钢厚壁构件低温冲击功偏低和严重波动的根本原因。基于上述认识,提出利用稀土微合金化和构筑铁素体薄膜方法减少淬火组织中大块状M-A岛的数量,优化设计回火工艺调控M-A岛高温回火分解产物,改善厚壁低合金钢锻件冲击韧性的思路。(2)系统研究了稀土含量对2.25Cr-1Mo-0.25V钢相变、显微组织和力学性能的影响。发现稀土的添加能降低2.25Cr-1Mo-0.25V钢贝氏体相变开始点,减少块状型的粒状贝氏体组织的形成倾向,获得更多具有细小板条结构的粒状贝氏体,进而有效抑制大块状M-A岛的形成。当稀土含量为120 ppm时,提升冲击韧性的效果最佳。进一步提高稀土含量至480 ppm时,钢中夹杂物尺寸和体积分数大幅度增加,显著地恶化钢的冲击韧性。(3)提出了新型热处理工艺及其韧化机制。即通过控制奥氏体化前的碳化物析出和溶解行为,调控奥氏体的形核和长大,进而在临界区(接近Ac3)的奥氏体中构筑薄膜状、弥散分布、适量的未溶铁素体:通过未溶铁素体薄膜的构筑,“局域化”淬火阶段过冷奥氏体向粒状贝氏体相变过程中碳的扩散,实现在不改变淬火冷却速率的情况下减小粒状贝氏体中M-A岛尺寸。研究结果表明,模型低合金钢以铁素体和弥散分布的M7C3碳化物为初始组织进行810℃奥氏体化处理时可使奥氏体中残留含量不超过10%的未溶铁素体薄膜,将对奥氏体进行有效分割,使得大块状M-A岛的含量大幅度减少,从而大幅度提高模型合金的冲击韧性及其稳定性。在此基础上,将新型热处理工艺推广应用至2.25Cr-1Mo-0.25V钢和SA508-3钢中,解决了石化加氢和核电超大壁厚锻件低温冲击性能不合格的问题。(4)研究了 2.25Cr-1Mo-0.25V钢中大块状M-A岛高温回火分解特性对其力学性能影响,发现材料冲击韧性主要受大块状M-A岛中残余奥氏体(RA)高温回火分解产物的影响。通过对粒状贝氏体中大块状M-A岛及其高温回火分解产物的表征发现,直接在700℃高温回火时,M-A岛中大块状RA将分解成由铁素体和M23C6组成的碳化物团,其中M23C6主要沿碳化物团界面分布,容易引起应力集中,导致脆性断裂。在此基础上,提出了通过添加中低温预回火处理,首先将大块状RA转变成一种过渡性组织,使其内部具有高密度析出相和亚结构,并减少其边缘位错密度和相变残余应力,然后再进行700℃高温回火,不仅能有效抑制粗大M23C6沿碳化物团界面分布,而且起到细化M23C6的作用,进而实现改善2.25Cr-1Mo-0.25V钢低温冲击韧性的目的。实验结果表明,在455℃预回火2 h,使大块状RA完全分解成细小的贝氏体时,中低温预回火处理效果最佳。