16M nR鋼高溫?fù)p傷的力學(xué)性能研究

晏 燕, 劉安中, 周道祥

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

16M nR鋼是一種典型的壓力容器用低碳鋼,廣泛應(yīng)用于石油、化工、核能設(shè)備等,該類(lèi)設(shè)備使用條件復(fù)雜,不僅要經(jīng)受高溫、高壓,而且內(nèi)部介質(zhì)常是易燃、易爆介質(zhì)。16M nR鋼等低碳鋼使用的溫度上限一般不超過(guò)300℃。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,有的設(shè)備(如變換爐等)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部隔熱襯里脫落,從而使設(shè)備材料在400℃以上溫度環(huán)境下短期運(yùn)行,造成超溫事故工況,導(dǎo)致對(duì)材料造成瞬時(shí)高溫?fù)p傷,該設(shè)備在下一個(gè)檢修期之前還必須繼續(xù)服役。因此,研究16M nR鋼短期超溫對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成的影響在工程上有著非常重要的意義。

在高溫下 16M nR鋼的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,從而造成材料在強(qiáng)度、韌性等方面的變化,這就為壓力容器的安全帶來(lái)不利影響。

因此通過(guò)實(shí)驗(yàn),研究16M nR鋼高溫?fù)p傷下的力學(xué)性能,探索并揭示材料的微觀損傷特點(diǎn)以及材料性能的變化規(guī)律,正確處理壓力容器高溫?fù)p傷,以避免壓力容器安全事故成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要內(nèi)容[1-4]。

1 16MnR鋼的力學(xué)性能

1.1 16M nR鋼的化學(xué)成分與受熱狀態(tài)

本研究所用試樣均采用正運(yùn)行中在役容器預(yù)留板材加工而成,其材料成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1所列。

表1 16MnR鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能

為了研究16M nR鋼的高溫?fù)p傷特性,本文將16M nR鋼材料置于自動(dòng)控制加熱爐中,加熱至800、900、1 000、1 100 ℃。在4種不同的溫度下做3種不同時(shí)間的保溫,保溫時(shí)間分別為12、48、100 h。到達(dá)保溫時(shí)間后在爐內(nèi)空冷,溫度降至常溫。所有試樣共分為12種工況,然后把經(jīng)歷不同熱損傷的16MnR鋼材料加工成力學(xué)性能試樣,測(cè)定16M nR鋼的力學(xué)性能和斷裂韌性。

1.2 16M nR鋼高溫?fù)p傷后的常規(guī)力學(xué)性能

受熱后的損傷材料按文獻(xiàn)[5]制成5倍直徑的標(biāo)準(zhǔn)試樣,在電子拉力機(jī)上測(cè)定了16M nR鋼材料分別受熱 800、900、1 000、1 100 ℃,保溫時(shí)間分別為12、48、100 h試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率。16M nR鋼高溫后的12組試樣,每組取3個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果取其平均值,所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 16MnR鋼高溫?fù)p傷后的力學(xué)性能

由表2可以看出,保溫48 h后,經(jīng)受高溫達(dá)到晶格轉(zhuǎn)變溫度912℃時(shí),材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)高值,并隨著受熱溫度的升高而下降,但與常溫下的材料性能相比,16M nR鋼的屈服強(qiáng)度仍處在較高的水平上。材料受熱1 100℃時(shí)延性數(shù)據(jù)分散度加大,說(shuō)明材料不均勻性變得較為明顯。就受熱材料經(jīng)歷的溫度相同而保溫時(shí)間不同來(lái)看,在保溫48 h前材料力學(xué)性能變化明顯,屈服強(qiáng)度下降,但保溫時(shí)間超過(guò)48 h后材料力學(xué)性能變化趨緩。

1.3 16M nR鋼高溫?fù)p傷后的斷裂韌性

研究高溫?fù)p傷后的16M nR鋼斷裂韌性是壓力容器安全工程中的重要課題[6],本文采用緊湊拉伸試樣測(cè)定高溫?fù)p傷后的16MnR鋼的J積分阻力曲線,與常規(guī)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)相同,把試樣分為12種工況。采用多試樣法測(cè)定16M nR鋼各種工況試樣的Ji,據(jù)此繪出Ji與溫度和保溫時(shí)間的曲線,如圖1、圖 2所示。

由圖1可以看出,16M nR鋼的Ji與溫度間的關(guān)系和材料屈服強(qiáng)度與溫度間的關(guān)系情況反映的材料特性較為一致。尤其保溫48 h下的Ji與溫度間的關(guān)系和相同保溫時(shí)間下的屈服強(qiáng)度與溫度間的關(guān)系所反映的規(guī)律幾乎完全符合。屈服強(qiáng)度在912℃附近有一個(gè)高值,而相應(yīng)的斷裂韌性則出現(xiàn)一個(gè)低值,反映出較高強(qiáng)度的材料通常韌性會(huì)下降。在較高溫度下16M nR鋼材料也符合這一特征。

圖2表明,保溫時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)材料強(qiáng)度的影響較少,而對(duì)斷裂韌性的影響較為明顯。根據(jù)J積分阻力曲線測(cè)定的結(jié)果,可以按照J(rèn)積分阻力曲線的斜率給出材料對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力增長(zhǎng)率,并繪出裂紋擴(kuò)展阻力增長(zhǎng)率與溫度的關(guān)系曲線,如圖3所示。由圖3可以看出,16MnR鋼抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力增長(zhǎng)率隨溫度的上升明顯地呈下降趨勢(shì)。

圖1 Ji與溫度關(guān)系

圖2 Ji與保溫時(shí)間的關(guān)系

圖3 裂紋擴(kuò)展阻力增長(zhǎng)率與溫度的關(guān)系

2 16MnR鋼高溫?fù)p傷的金相學(xué)分析

16M nR鋼是約含0.16%的 C、1.47%M n的三元合金。其基體主要成分為Fe、Fe3 C和(FeM n)3C鐵碳化合物構(gòu)成的。鐵在912℃以下原子成體心立方排列(α鐵),在912～1 394℃時(shí)鐵原子成面心立方排列(γ鐵),溫度在1 394℃以上鐵原子又重新成體心立方排列(δ鐵)。由于碳原子原子半徑較小(0.098 nm),部分原子會(huì)進(jìn)入鐵原子的間隙形成固溶體[7-9]。碳溶解到α鐵中的固溶體即鐵素體,溶解到γ鐵中的固溶體稱為奧氏體,不能全部溶入鐵素體或奧氏體中的碳將與鐵形成碳化鐵(Fe3 C)——滲碳體,也會(huì)有少部分碳原子會(huì)留存于晶界上。描述鐵碳合金不同的含碳量所形成的相與溫度間的關(guān)系如圖4所示。由于滲碳體是一個(gè)亞穩(wěn)定相,Fe3C分解會(huì)產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的石墨相,所以相的轉(zhuǎn)變也可能按照Fe-C(石墨系)轉(zhuǎn)變,其相圖用虛線和Fe-Fe3 C相圖疊合在一起。由于M n元素的存在,不僅改變了合金化學(xué)成分,而且合金的組織也發(fā)生了變化,Mn含量的增加會(huì)使GS線下移,而且S點(diǎn)左移。

從圖 4可以看出,試樣受熱為 800℃和900℃時(shí),鋼的主要成分為鐵素體和奧氏體。試樣受熱為1 000℃和1 100℃時(shí),其主要成分為奧氏體。在高溫下,鋼材會(huì)發(fā)生再結(jié)晶,從而使組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,材料的性能也隨之而發(fā)生變化。

圖4 石墨相對(duì)相圖的影響

在16M nR鋼中C有3種存在形式:①碳原子進(jìn)入鐵原子結(jié)晶點(diǎn)陣的間隙中,以間隙固溶體或置換固溶體的形式存在;②鐵碳原子形成鐵碳化合物(或含Mn的化合物),以滲碳體的形式存在;③游離碳分布在晶界附近。

由于Fe和M n原子半徑及活性都相近,在碳原子形成的間隙固溶體中有的M n原子會(huì)置換Fe原子產(chǎn)生新的置換固溶體。M n原子半徑(0.179 nm)大于Fe原子半徑(0.172 nm),所以(FeM n)3 C固溶體的晶格常數(shù)變大,晶體畸變能增高,穩(wěn)定性不如Fe3C固溶體,與固溶體相比鐵素體和石墨相則更加穩(wěn)定。

16M nR鋼在高溫下會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,溫度低于912℃時(shí),鐵素體中鐵的原子排列成體心立方晶格,當(dāng)溫度為912～1 394℃時(shí),鐵原子排列成面心立方晶格。體心立方晶格比面心立方晶格溶質(zhì)原子數(shù)要少,在800～912℃時(shí)會(huì)有較多的碳原子以滲碳體或者游離碳的形式存在,材料強(qiáng)度較高而韌性較差。溫度從912℃升到1 100℃時(shí),Fe和M n原子有較高的動(dòng)能,活性增加,會(huì)有更多的Mn原子形成新的置換固溶體?；兡茌^高的(FeM n)3C固溶體晶粒邊緣晶體也會(huì)解體,使更多的碳原子析出。已有研究結(jié)果表明經(jīng)歷高溫的低碳鋼,受熱溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng),碳的析出就越明顯,從而使材料力學(xué)性質(zhì)劣化。

不同的熱歷程對(duì)16MnR鋼力學(xué)性能影響的大小不僅取決于晶粒尺寸、碳析出量的多少,還取決于滲碳體的結(jié)構(gòu)形態(tài)。鐵素體的溶碳能力極低,最大溶解度不超過(guò)0.02%。奧氏體是鐵碳合金的高溫相,它的溶碳能力較高,最高可達(dá)2%。鋼在高溫時(shí)所形成的奧氏體,過(guò)冷到727℃以下時(shí)變成不穩(wěn)定的過(guò)冷奧氏體。如高速度過(guò)冷到230℃以下時(shí),奧氏體中的碳原子已無(wú)擴(kuò)散的可能,奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過(guò)飽和的α固溶體(馬氏體)。由于含碳量過(guò)飽和,引起馬氏體強(qiáng)度和硬度提高、塑性降低,脆性增大。研究表明,在不同溫度下奧氏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不同的。如果殘留奧氏體與奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比,則材料力學(xué)性能和溫度之間存在著內(nèi)在聯(lián)系,所以經(jīng)歷高溫后的材料表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度和較弱的抗裂紋擴(kuò)展能力符合金屬學(xué)理論,在工程中也是值得注意的。

3 結(jié) 論

根據(jù)16MnR鋼12組試樣的常規(guī)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)和斷裂韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可得出如下結(jié)論:

(1)16M nR鋼經(jīng)受高溫達(dá)到晶格轉(zhuǎn)變溫度912℃時(shí),材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)高值,接著材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有隨著溫度的升高而下降的趨勢(shì)。若材料受熱溫度相同、保溫時(shí)間不同,在保溫48 h前材料力學(xué)性能變化明顯,屈服極限下降,但保溫時(shí)間超過(guò)48 h后材料力學(xué)性能變化趨緩。

(2)J積分阻力曲線測(cè)定的結(jié)果表明,受熱在912℃附近,材料的斷裂韌性有一個(gè)低值,此后材料的斷裂韌性略有回升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,16M nR鋼抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力增長(zhǎng)率隨受熱溫度的上升明顯地呈下降趨勢(shì)。

(3)16M nR鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了經(jīng)歷高溫的低碳鋼,受熱溫度越高、受熱時(shí)間越長(zhǎng),碳的析出就越明顯,從而使材料力學(xué)性質(zhì)劣化。

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