小沖桿試驗(yàn)測試回火脆化對加氫反應(yīng)器用鋼焊縫力學(xué)性能的影響

張恩勇，喻 燦，徐一飛，關(guān)凱書

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

0 引 言

石油煉制工業(yè)中的加氫反應(yīng)器常處于375～575℃的工作環(huán)境中，該溫度正處在加氫反應(yīng)器焊縫（2.25Cr-1Mo鋼）的回火脆化溫度區(qū)，因此焊縫回火脆化難以避免。國內(nèi)外針對2.25Cr-1Mo鋼焊縫回火脆化的研究很多，但大多數(shù)研究是以傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)，需要大量試樣，且取樣時(shí)往往對設(shè)備造成一定的損傷和破壞，因此很難直接獲得材料經(jīng)長期運(yùn)行后性能的劣化狀況。

Manaha等［1］首先提出了用于研究長期服役核電材料經(jīng)中子輻照后脆化的小沖桿試驗(yàn)（SPT）法。該方法所用試樣很小，厚度僅為0.5mm，這使得在不影響設(shè)備正常使用前提下從在役設(shè)備上取樣并確定材料的實(shí)際性能成為可能［2］，它是一種既有效、又經(jīng)濟(jì)的測試手段［3］。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，小沖桿試驗(yàn)已在測定材料的常規(guī)力學(xué)性能、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性和蠕變性能等方面取得了較大進(jìn)展。

目前，針對加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo鋼焊縫回火脆化的小沖桿試驗(yàn)研究還很少。因此，作者對回火脆態(tài)及脫脆熱處理后的2.25Cr-1Mo鋼焊縫進(jìn)行了低溫小沖桿試驗(yàn)，研究了它們的拉伸性能以及韌脆轉(zhuǎn)變溫度，并分析了試樣的斷口形貌。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣隨機(jī)取自某石化企業(yè)高溫運(yùn)行100 000h后加氫反應(yīng)器上的2.25Cr-1Mo鋼焊縫，其化學(xué)成分見表1。加氫反應(yīng)器的工作條件：溫度427℃，壓力17.2MPa，介質(zhì)為H2和H2S混合氣；經(jīng)過高溫運(yùn)行100 000h后材料已經(jīng)發(fā)生回火脆化（簡稱回火態(tài)）。對部分焊縫試樣進(jìn)行脫脆處理，脫脆工藝為600℃×2h后空冷。

先將脫脆處理前后的2.25Cr-1Mo鋼焊縫加工成φ10mm，厚度0.6mm的小圓片，并分別記為回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣；然后用金相砂紙粗磨，再用1200＃金相砂紙精磨至（0.5±0.01）mm 厚，去除線切割引起的切割紋路和表面受熱硬化層，嚴(yán)格控制圓片的厚度和表面粗糙度，保證試驗(yàn)的可靠性。

表1 2.25Cr-1Mo鋼焊縫的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo steel weld（mass） %

1.2 試驗(yàn)方法

進(jìn)行小沖桿試驗(yàn)時(shí)將試樣通過螺釘固定在上、下夾頭之間，限制其自由移動(dòng)，如圖1所示，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行加載，直至試樣破裂，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止加載并記錄試驗(yàn)過程中的載荷-下壓位移數(shù)據(jù)。

圖1 小沖桿試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic illustration of SPT equipment

對回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣進(jìn)行小沖桿試驗(yàn)（-196～22℃）和常規(guī)沖擊試驗(yàn)（-40～160℃）。在小沖桿試驗(yàn)過程中通過專用的低溫環(huán)境箱來控制試驗(yàn)溫度并保溫足夠長時(shí)間（10min），沖桿速度為1.5mm·min-1，脫脆態(tài)試樣進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)，回火態(tài)試樣進(jìn)行三組平行試驗(yàn)；常規(guī)沖擊試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)V型缺口試樣，按照GB/T 229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

圖2 不同溫度下回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣的SPT載荷-位移曲線Fig.2 SPT load-displacement curves of tempered sample（a）and de-embrittled sample（b）at different temperatures

由圖2可見，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度降低，SPT載荷-位移曲線斜率逐漸增大，當(dāng)溫度降至-160℃后，曲線斜率基本不再變化；隨著溫度降低，斷裂點(diǎn)的位移逐漸減小，斷裂的最大載荷先升高后降低；當(dāng)溫度降低到一定值時(shí)，曲線中沒有載荷下降階段而直接斷裂，即試樣的斷裂形式由韌性斷裂逐漸變成脆性斷裂。

對比回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣的SPT載荷-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，脫脆態(tài)試樣在-120℃的曲線上出現(xiàn)了載荷的下降階段，而回火態(tài)的曲線則是直接斷裂。這說明脫脆處理使得2.25Cr-1Mo鋼焊縫的韌性得到恢復(fù)。此外，經(jīng)過脫脆處理后，焊縫斷裂的最大載荷變大。

SPT載荷-位移曲線上沒有如同單軸拉伸曲線那樣明顯的屈服點(diǎn)［4］。確定小沖桿試驗(yàn)屈服載荷的方法較多，最為常用的方法［5］是將載荷-位移曲線的第一段和第二段取出，如圖3所示，運(yùn)用最小二乘法對曲線的第一段進(jìn)行擬合，擬合初始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；然后再對曲線的第二段進(jìn)行最小二乘法擬合，擬合的終點(diǎn)為B（位移為0.5mm），這樣就可以獲得兩條擬合直線L1與L2的交點(diǎn)，確定該交點(diǎn)橫坐標(biāo)在載荷-位移曲線上對應(yīng)的點(diǎn)A，把此點(diǎn)的載荷定義為小沖桿的屈服載荷Fe，載荷-位移曲線的最高點(diǎn)對應(yīng)的載荷定義為抗拉載荷Fm。然后將Fe及Fm與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，從而建立小沖桿試驗(yàn)特征值（屈服載荷、抗拉載荷）與標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)特征值（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）的關(guān)聯(lián)公式。

圖3 SPT屈服載荷的確定方法Fig.3 Determination method of SPT yield load

將作者課題組根據(jù)28種材料擬合的拉伸強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式應(yīng)用于計(jì)算2.25Cr-1Mo鋼焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

式中：ReL為屈服強(qiáng)度；Rm為抗拉強(qiáng)度；h0為試樣初始厚度；um為最大載荷對應(yīng)的位移。

由圖4可見，通過關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到的回火態(tài)與脫脆態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨溫度的降低而逐漸升高，它們隨溫度的變化趨勢基本一致，但回火態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較脫脆態(tài)試樣的明顯大。這種現(xiàn)象表明回火脆化使得2.25Cr-1Mo鋼焊縫發(fā)生了回火強(qiáng)化效應(yīng)［6］。由于該數(shù)據(jù)是SPT測試后通過擬合公式得到的，對于其是否能正確地表征材料的回火脆化程度，需要進(jìn)一步核實(shí)。

圖4 回火態(tài)與脫脆態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度Fig.4 Yield strength and tensile strength of tempered and de-embrittled samples

2.2 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

Finarelli等［7］曾通過特別裝置對小沖桿試驗(yàn)過程中試樣中裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋從最高載荷點(diǎn)Fm附近開始產(chǎn)生，并逐漸擴(kuò)展，直到斷裂。因此將載荷-位移曲線包圍的面積進(jìn)行積分計(jì)算，所得的結(jié)果就可近似為小沖桿試樣的斷裂能。在沖擊試驗(yàn)中，沖擊功和試驗(yàn)溫度的關(guān)系通常用Boltzmann函數(shù)和雙曲正切函數(shù)表示。對于一般材料而言，前者有較好的關(guān)聯(lián)系數(shù)和較小的誤差［8-9］。因此這里通過Boltzmann函數(shù)對小沖桿試樣斷裂能隨試驗(yàn)溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合。

由圖5可見，隨溫度降低，SPT試樣斷裂能先逐步增大，然后又急劇減小，當(dāng)溫度降低至-196℃時(shí)，斷裂能逐漸趨于平緩；脫脆態(tài)和回火態(tài)試樣SPT斷裂能的最大值分別出現(xiàn)在-120℃和-100℃左右，而且回火態(tài)試樣的SPT斷裂能曲線明顯偏向高溫側(cè)，脫脆態(tài)試樣的則偏向低溫側(cè)，這與沖擊試驗(yàn)所得結(jié)果（見圖6）一致。

圖5 回火態(tài)與脫脆態(tài)試樣的SPT斷裂能-溫度曲線Fig.5 SPT fracture energy vs temperature curves of tempered and de-embrittled samples

圖6 回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣的沖擊功-溫度曲線Fig.6 Impact energy vs temperature curves of tempered and de-embrittled samples

有研究者［10-11］將SPT斷裂能-溫度曲線上最高點(diǎn)的1/2處所對應(yīng)的溫度定義為小沖桿的韌脆轉(zhuǎn)變溫度tSP，也有學(xué)者［12］把最大斷裂能與最小斷裂能平均值對應(yīng)點(diǎn)的溫度定義為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。觀察SPT斷裂能-溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在-196℃處出現(xiàn)了近似沖擊試驗(yàn)的下平臺(tái)，因此與沖擊試驗(yàn)一樣，作者把上下平臺(tái)中間點(diǎn)所對應(yīng)的溫度定義為小沖桿的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。經(jīng)計(jì)算可知，回火態(tài)試樣的tSP為-140℃，而脫脆態(tài)試樣的tSP為-166℃。

在工程中，常用V型缺口試樣的沖擊試驗(yàn)來評價(jià)材料的回火脆性，用沖擊功為54J所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度（tVTr54）或50%斷口纖維率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度（tFATT）作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度的，回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度差（ΔtVTr54或ΔtFATT）即表示回火脆化程度（即回火脆化量）。

同樣，可以用小沖桿試驗(yàn)獲得的回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差值ΔtSP來評定其回火脆化量，小沖桿試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度及回火脆化量見表2。由表可見，小沖桿試驗(yàn)得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度tSP比沖擊試驗(yàn)得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度tVTr54（或tFATT）低，沖擊試驗(yàn)得到的回火脆化量為80℃左右，小沖桿試驗(yàn)得到的回火脆化量為26℃。可見，小沖桿試驗(yàn)可以用于評定材料的回火脆化，但所得的回火脆化程度小于常規(guī)沖擊試驗(yàn)的結(jié)果。

表2 不同試驗(yàn)方法獲得的回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣韌脆轉(zhuǎn)變溫度及回火脆化量Tab.2 Ductile-brittle transition temperature and temper embrittlement of tempered and de-embrittled samples determined by different test methods ℃

2.3 斷口形貌

由圖7，8可見，隨著溫度降低，SPT斷口的頸縮越來越少，在-196℃時(shí)則直接表現(xiàn)為脆性斷裂；回火態(tài)試樣的SPT斷裂形式逐漸由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，脫脆態(tài)試樣與回火態(tài)的規(guī)律基本一致，不同點(diǎn)在于，-160℃時(shí)脫脆態(tài)試樣斷口上仍有大面積頸縮，未出現(xiàn)直線型裂紋。這與SPT斷裂能計(jì)算結(jié)果相符合，即回火態(tài)試樣的tSP為-140℃，故在-160℃時(shí)為脆性斷裂，而脫脆態(tài)試樣的tSP為-166℃，故在-160℃時(shí)還未發(fā)生完全脆斷。可見，SPT斷口形貌可以表征材料的韌脆轉(zhuǎn)變特性。

由圖9，10可見，回火態(tài)試樣在-30℃（斷裂能擬合上平臺(tái)）時(shí)的斷口形貌呈全韌窩狀；-160℃（轉(zhuǎn)變區(qū)）時(shí)斷口形貌中出現(xiàn)了解理花樣，還有少量韌窩；-196℃時(shí)的斷口上基本不存在韌窩，為解理狀斷口。即隨著溫度的降低解理形貌所占比例增大，表現(xiàn)出了明顯的韌脆轉(zhuǎn)變特性，與SPT斷裂能計(jì)算結(jié)果相符合，說明SPT斷裂能可以表征回火脆化材料的韌脆轉(zhuǎn)變特性。

脫脆態(tài)試樣SPT斷口SEM形貌的變化規(guī)律與回火態(tài)試樣的基本一致，兩者的不同點(diǎn)在于，在-160℃時(shí)，脫脆態(tài)試樣SPT斷口中的韌窩較多。這說明在相同的SPT測試溫度下，回火脆化后材料的脆性更大，與斷口宏觀形貌趨勢和斷裂能計(jì)算結(jié)果一致，進(jìn)一步說明SPT斷裂能可以有效地表征材料的回火脆化特性。

圖7 不同溫度下回火態(tài)試樣SPT斷口的宏觀形貌Fig.7 Macrographs of SPT fracture of tempered sample at different temperatures

圖8 不同溫度下脫脆態(tài)試樣SPT斷口的宏觀形貌Fig.8 Macrographs of SPT fracture of de-embrittled sample at different temperatures

圖9 不同溫度下回火態(tài)試樣SPT斷口的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of SPT fracture of tempered sample at different temperatures

圖10 不同溫度下脫脆態(tài)試樣SPT斷口的SEM形貌Fig.10 SEM morphology of SPT fracture of de-embrittled sample at different temperatures

3 結(jié) 論

（1）在22～-196℃的溫度范圍內(nèi)，回火態(tài)和脫脆態(tài)2.25Cr-1Mo鋼焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨試驗(yàn)溫度的降低而逐漸升高；回火脆化后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較脫脆處理后的明顯大，表現(xiàn)出一定的回火強(qiáng)化效應(yīng)。

（2）小沖桿試驗(yàn)得到回火態(tài)和脫脆態(tài)試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-140℃和-166℃，韌脆轉(zhuǎn)變溫度差值（回火脆化量）為26℃，比沖擊試驗(yàn)結(jié)果的（82 ℃）小。

（3）隨著溫度降低，試樣斷口形貌由全韌窩狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頎?，斷裂形式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，說明其斷裂能可以用來表征材料的韌脆轉(zhuǎn)變特性，即小沖桿試驗(yàn)可以用來評定材料的回火脆化程度。

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