壓力容器用鉻鉬鋼沖擊吸收能量偏低的原因綜述

史　偉，李金梅，王順花，趙江濤，范偉國(guó)

（1.蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，甘肅蘭州　730314；2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

試驗(yàn)研究

壓力容器用鉻鉬鋼沖擊吸收能量偏低的原因綜述

史偉1，李金梅1，王順花2，趙江濤1，范偉國(guó)1

（1.蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，甘肅蘭州730314；2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

壓力容器用鉻鉬鋼被廣泛地應(yīng)用于煉油與石油化工、電站及鍋爐等行業(yè)，由于其在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下服役，要求具有較高的沖擊吸收能量。從帶狀組織、殘鑄非正常組織、淬火/正火溫度、淬火/正火保溫時(shí)間、冷卻速度、回火溫度及保溫時(shí)間、模擬焊后熱處理溫度及保溫時(shí)間等方面，闡述了常見的造成壓力容器用鉻鉬鋼沖擊脆斷的原因，以期為生產(chǎn)實(shí)際提供借鑒。

沖擊吸收能量；壓力容器；鉻鉬鋼；碳化物；貝氏體

0　引言

壓力容器用鉻鉬鋼是一種低碳低合金鋼，合金元素含量較少，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能等均優(yōu)于相同碳含量的碳素鋼［1-3］。主要應(yīng)用于煉油化工、煤炭液化和氣化、電站及鍋爐等行業(yè)，用于制造反應(yīng)器、換熱器、臨氫設(shè)備、分離器、球罐、油氣罐、液化氣罐、核能反應(yīng)堆壓力殼、鍋爐汽包、液化石油氣瓶、水電站高壓水管、水輪機(jī)蝸殼等高溫、高壓、與氫或氫混合介質(zhì)接觸的設(shè)備及構(gòu)件［3-6］。故要求該類鋼種在生產(chǎn)制造和使用過程中都具備良好的沖擊吸收能量，但在實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)過程中，沖擊吸收能量偏低是極其常見的問題［7］。造成沖擊吸收能量偏低的原因很多，本文分析了壓力容器用鉻鉬鋼質(zhì)檢過程中沖擊吸收能量偏低的常見原因，為生產(chǎn)提供借鑒，避免質(zhì)量問題的二次產(chǎn)生。

1　冶金缺陷

1.1帶狀組織

如果帶狀組織不能被消除，在后續(xù)的淬火過程中鐵素體部分就會(huì)形成碳含量較少的貝氏體組織，珠光體部分會(huì)形成碳含量較高的貝氏體組織。這種組織上的差異會(huì)嚴(yán)重影響鋼的宏觀力學(xué)性能。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并影響鋼材的性能，形成各向異性，降低鋼的塑性、沖擊吸收能量及斷面收縮率，造成冷彎不合格、沖擊吸收能量偏低、熱處理時(shí)鋼材容易變形等不良后果。

1.2殘鑄非正常組織

少量殘鑄非正常組織，對(duì)抗拉強(qiáng)度，延伸率幾乎無影響，但對(duì)硬度有一定的影響，對(duì)沖擊吸收能量的影響很大。在后續(xù)擴(kuò)散退火或者淬火中，如果殘鑄非正常組織沒有消除，將嚴(yán)重降低材料的沖擊吸收能量。

2　淬（正）火

2.1淬（正）火溫度

在鋼的Ac1～Ac3溫度之間的兩相區(qū)淬火，屬于亞溫淬火，又稱臨界區(qū)淬火［8-9］。亞溫淬火后的顯微組織中會(huì)出現(xiàn)未溶鐵素體，未溶鐵素體的存在能得到較高的沖擊吸收能量，但是亞溫淬火不可能得到較高的屈服強(qiáng)度，因此屈強(qiáng)比較低，疲勞壽命較低［10］。當(dāng)材料的顯微組織中存在細(xì)小彌散的鐵素體相時(shí)，由于細(xì)小彌散鐵素體相的強(qiáng)韌化作用，有利于提高材料的沖擊吸收能量；但是，當(dāng)鐵素體含量較多時(shí)，又會(huì)降低材料的低溫沖擊吸收能量。圖1示出亞溫淬火所形成的顯微組織，鐵素體含量較少，沖擊吸收能量較高，其-30℃試驗(yàn)沖擊吸收能量為373，362，367 J。

圖1　12Cr2Mo1鋼亞溫淬火后的未溶鐵素體

淬火溫度達(dá)到或者稍高于Ac1溫度，鋼在淬火時(shí)奧氏體化不充分，即原始組織為鐵素體部分形成了碳濃度低的貝氏體組織，原始組織為珠光體部分形成了碳濃度高的貝氏體組織，從而導(dǎo)致在貝氏體組織中，碳化物呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)。這種差異往往會(huì)導(dǎo)致檢驗(yàn)時(shí)沖擊吸收能量偏低［11］。

淬火溫度過高或者保溫時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)使鋼的奧氏體晶粒度長(zhǎng)大，奧氏體晶粒度的長(zhǎng)大也會(huì)提高材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度［12-13］。

圖2　12Cr2Mo1鋼未完全奧氏體化的顯微組織

淬火保溫時(shí)間過短，會(huì)產(chǎn)生兩種情況:（1）若產(chǎn)品尺寸雖然大，但是內(nèi)部溫度達(dá)到奧氏體化溫度，只是奧氏體不能夠完全均勻化，會(huì)導(dǎo)致在顯微組織中碳化物呈現(xiàn)不均勻的分布，見圖2；（2）若尺寸過大，內(nèi)部溫度達(dá)不到奧氏體轉(zhuǎn)化溫度，就會(huì)保留下鐵素體+珠光體的原始組織。這兩種情況都會(huì)造成沖擊吸收能量下降。

正火溫度過高，容易產(chǎn)生過熱組織，假如冷速過快，很容易形成魏氏體組織，針片狀的魏氏體組織會(huì)割裂鋼基體，從而降低鋼的韌性和塑性［14-15］。正火溫度過低或者保溫時(shí)間過短，奧氏體均勻化程度不夠好，就無法完全消除鑄態(tài)組織，降低鋼的沖擊吸收能量。

2.2淬火冷卻速度

加釩鋼（如12Cr2Mo1V）淬火時(shí)，如果冷卻速度過快，形成馬氏體，容易形成淬火裂紋；不含釩元素鉻鉬鋼淬火時(shí)，很難形成馬氏體，主要以貝氏體為主，不容易形成淬火裂紋。當(dāng)存在淬火的微裂紋時(shí)，會(huì)極大地降低沖擊吸收能量。

當(dāng)冷卻速度過慢，而產(chǎn)品尺寸過大，表面形成貝氏體組織，具有良好的沖擊吸收能量，但是心部組織由于冷卻速度達(dá)不到，溫度在兩相區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)，很容易沿晶析出鐵素體。圖3示出14Cr1MoR鋼顯微組織由于冷速較慢形成貝氏體回火組織+少量鐵素體。更有甚者心部冷卻時(shí)速度過慢，形成鐵素體+珠光體組織，圖4示出了14Cr1MoR鋼大尺寸產(chǎn)品正火后的心部組織。這兩種情況都會(huì)極大地降低鋼的沖擊吸收能量。

圖3　14Cr1MoR鋼冷速較慢形成的顯微組織

正火時(shí)，要特別注意鋼材空冷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的堆放，若放置過密或者鋼板疊加放置，就會(huì)減緩冷卻速度，導(dǎo)致鐵素體沿晶析出。

圖4　14Cr1MoR鋼產(chǎn)品冷速較慢形成的心部組織

對(duì)于壓力容器用鉻鉬鋼而言，對(duì)常采用正火工藝的14Cr1MoR鋼、15CrMoR鋼等可以通過霧冷、風(fēng)冷甚至水淬等方法加速冷卻來提高其力學(xué)性能［16-17］。

3　回火

3.1回火溫度過高

壓力容器用鉻鉬鋼的顯微組織主要是貝氏體，其回火過程的顯微組織變化是隨著回火溫度的升高，板條狀貝氏體向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，均能夠得到好的沖擊吸收能量。但是，如果回火溫度足夠高，保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)，碳化物過度長(zhǎng)大或在原奧氏體晶界上析出的碳化物析出相較多，一方面容易導(dǎo)致在低溫情況下位錯(cuò)在較大碳化物前的位錯(cuò)塞積，導(dǎo)致低溫下的解理斷裂；另一方面，位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化效果明顯減弱，這樣會(huì)嚴(yán)重惡化鋼的沖擊吸收能量，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，使鋼回火脆性評(píng)定試驗(yàn)不合格［18-20］。

12Cr2Mo1R鋼經(jīng)910℃淬火+770℃回火+ 690℃模擬焊后熱處理的SEM形貌和面掃描分析照片如圖5所示，其顯微組織為貝氏體回火組織。從Cr，Mo元素的EDS圖譜上可知，高溫回火后Cr，Mo等元素主要在晶界上分布，形成碳化物，該碳化物的存在首先是降低鋼的力學(xué)性能，如果析出的量較少，對(duì)沖擊吸收能量的影響不明顯，但是如果保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)，碳化物在晶界處聚集長(zhǎng)大到一定程度就會(huì)嚴(yán)重影響鋼的沖擊吸收能量［19，21-22］。

圖5　12Cr2Mo1R鋼經(jīng)750℃高溫回火后的SEM形貌和面掃描分析照片

3.2回火保溫時(shí)間過長(zhǎng)

回火保溫時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)降低鋼的沖擊吸收能量，其原理與回火溫度過高造成韌性降低一樣，長(zhǎng)時(shí)間的保溫使原來細(xì)小彌散的強(qiáng)化相長(zhǎng)大，碳/氮化物在晶界偏聚，并隨著回火保溫時(shí)間延長(zhǎng)不斷長(zhǎng)大。若回火保溫時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)使材料脆化，造成沖擊吸收能量偏低［19，21-22］。

4　模擬焊后熱處理

4.1模擬焊后熱處理溫度過高

如果不進(jìn)行焊后熱處理，焊接組織存在較高的內(nèi)應(yīng)力，在外力作用下極易形成裂紋，危害很大。如果模擬焊后熱處理溫度過低，強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)偏高，同時(shí)沖擊吸收能量、塑性會(huì)偏低，更為重要的是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)缺乏指導(dǎo)意義。

模擬焊后熱處理溫度均低于相變溫度，主要是改變了合金元素的析出及析出相的分布而使性能發(fā)生變化。適宜的模擬焊后熱處理溫度，雖然晶界上有少量碳化物相析出，但晶內(nèi)和晶界上析出的數(shù)量變化不大，新析出的碳化物的數(shù)量和尺寸增加不明顯，這樣就能夠保證該鋼具有良好的低溫沖擊吸收能量，并具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變傾向［23］。

對(duì)于主要的合金化元素Cr元素，模擬焊后熱處理后，析出相已發(fā)生明顯長(zhǎng)大，且有大量含Cr的合金碳化物從鋼中析出。通常情況下，Cr元素主要是以固溶方式存在于基體，固溶時(shí)可以有效地降低碳的擴(kuò)散速度，增加鋼的淬透性，提高鋼的回火穩(wěn)定性。但如果Cr元素從鋼中析出，就會(huì)引起晶界弱化，促進(jìn)回火脆性的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生準(zhǔn)解理斷口，其改善回火脆性的能力就會(huì)降低，從而引起鋼板沖擊吸收能量下降，導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高［24］。模擬焊后熱處理同樣改變了碳化物的分布或者使其沿晶界析出，使得碳化物對(duì)于解理裂紋的傳播的阻礙作用被削弱。另一方面改變了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形式，提高了位錯(cuò)濃度，更加有利于位錯(cuò)的塞積，從而提高了材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度［17，20，25］，若模擬焊后熱處理溫度過高，就會(huì)導(dǎo)致沖擊吸收能量下降甚至低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

4.2模擬焊后熱處理保溫時(shí)間過長(zhǎng)

在相變溫度以下，對(duì)鋼材進(jìn)行模擬焊后熱處理，通過改變析出相數(shù)量及分布來得到所需要的力學(xué)性能，但若模擬焊后熱處理保溫時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使析出相數(shù)量增多，或使原有析出相或碳化物長(zhǎng)大并向晶界聚集，弱化晶界，降低材料抵抗變形的能力，在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，吸收很小的沖擊吸收能量就斷裂［17，20，25］。

5　結(jié)語(yǔ)

從生產(chǎn)各環(huán)節(jié)常見的影響因素，分析了造成壓力容器用鉻鉬鋼沖擊脆斷的原因，但在實(shí)際生產(chǎn)中，引起壓力容器用鉻鉬鋼沖擊脆斷的原因比較復(fù)雜，不能一概而論。既有可能是某個(gè)單一因素引起的；又有可能是某幾個(gè)因素共同引起的。各因素相互之間也不存在線性相關(guān)，各環(huán)節(jié)影響因素之間的關(guān)系為非線性相互作用。甚至幾個(gè)單一因素均不會(huì)造成沖擊吸收能量不合格，但是其影響疊加后，會(huì)由量變引起質(zhì)變，最終導(dǎo)致沖擊吸收能量偏低。因此，在生產(chǎn)中要結(jié)合實(shí)際情況，查找原因，繼而為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

［1］于兆斌，史巨元.熱處理對(duì)2.25Cr1MoR鋼組織和性能的影響［J］.熱處理，2006，21（1）:15-17.

［2］LUO Yu，DENG De-an，JIANG Xiao-ling，et al.Prediction ofwelding residual stress in 2.25Cr-1Mo steel pipe［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2006，11（1）:77-83.

［3］Tao P，Zhang C，Yang ZG，et al.Evolution and coarsening of carbides in 2.25Cr-1Mo steelweld metal during high temperature tempering［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2010，17（5）:74-78.

［4］王敏，徐光，胡海江，等.12Cr2Mo1R壓力容器鋼動(dòng)態(tài)CCT曲線研究［J］.材料與冶金學(xué)報(bào)，2014，13（4）: 280-283.

［5］Wang Honghong，Li Juzhong，Tian Huixi，et al.Mechanical and physical properties of a high strength pressure vessel steel 12Cr2Mo1R［J］.Advanced Materials Research，2011，168-170:842-846.

［6］楊海林，楊秀芹.熱處理工藝對(duì)14Cr1MoR鋼的組織和性能的影響［J］.金屬熱處理，2003，28（11）:35-37.

［7］陳泰煒.壓力容器焊后熱處理技術(shù)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2004:1-2.

［8］張永峰，王任甫，牛繼承.亞共析鋼的亞溫淬火及其強(qiáng)韌化［J］.熱加工工藝，2011，40（4）:163-166.

［9］李安銘，王海瑞.亞溫淬火對(duì)25MnV鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2009，33（12）:36-38.

［10］顧曉輝，劉軍，石繼紅.亞溫淬火工藝對(duì)45鋼組織和性能的影響［J］.金屬熱處理，2011，36（11）:69-72.

［11］史偉，張乃孔，趙江濤，等.12Cr2Mo1鍛件法蘭低溫沖擊韌性不合格的原因分析［J］.壓力容器，2011，28（3）:61-63.

［12］刁羽，沈明鋼，孫浩源.淬火溫度對(duì)低合金超高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2013，42（18）:184-186.

［13］趙品，謝輔洲，孫振國(guó).材料科學(xué)基礎(chǔ)教程［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002:143.

［14］王源泉.亞共析鋼中魏氏組織的研究概況［J］.哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1982（1）:65-80.

［15］魏玉芝，魏鵬，張玉強(qiáng).低碳熱軋鋼管中魏氏組織的形成及影響［J］.鋼管，2001，30（6）:31-33.

［16］楊海林，楊秀芹.82mm 14Cr1MoR鋼板工業(yè)性熱處理工藝試驗(yàn)［J］.特殊鋼，2005，26（3）:48-50.

［17］史偉，郭華，李崗，等.14Cr1MoR鋼板異常顯微組織的成因分析［J］.金屬熱處理，2012，37（12）:119-120.

［18］鐘群鵬，趙子華，張崢.斷口學(xué)的發(fā)展及微觀斷裂機(jī)理研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2005，27（3）:358-370.

［19］韓紹根，婁軍魁，楊柳，等.回火溫度對(duì)低碳貝氏體鋼Q685性能影響的研究［J］.河南冶金，2011，19（5）:12-13.

［20］Liu Chenjun，Huang Yahe，Jiang Maofa，et al.Effects and mechanisms of RE on impact toughness and fracture toughness of clean heavy rail steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2011，18（3）: 52-58.

［21］關(guān)婧，蔡慶伍，武會(huì)賓，等.回火溫度對(duì)軋后直接水淬15CrMoV鋼組織和力學(xué)性能的影響［J］.特殊鋼，2009，30（2）:66-67.

［22］吳新麗，牛靖，董俊明.回火溫度對(duì)25Cr2Ni4MoV鋼組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2008，37（20）:76-78.

［23］姜洪生，張漢謙，叢郁，等.模擬焊后熱處理對(duì)12Cr2Mo1R厚鋼板沖擊性能的影響［J］.金屬熱處理，2009，34（4）:100-104.

［24］王勇，孫殿東，王長(zhǎng)順，等.模擬焊后熱處理對(duì)SA-738Gr.B鋼板組織及韌性的影響［J］.壓力容器，2014，31（1）:10-14.

［25］姜洪生，張漢謙，叢郁，等.臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1R（SA387Gr22Cl2）厚鋼板的開發(fā)［J］.鋼鐵，2008，43（12）:67-70.

Formation Lower Im pact Absorbing Energy M echanism of Chrome-molybdenum Steel of Pressure Vessels

SHIW ei1，LI Jin-mei1，WANG Shun-hua2，ZHAO Jiang-tao1，F(xiàn)ANW ei-guo1
（1.Lanzhou LSTest Technology Co.，Ltd.，Lanzhou 730314，China；2.College ofMechanical Engineering of Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Chrome-molybdenum steel of pressure vesselswere widely applied to the petroleum processing and petrochemical technology，power station and boiler，etc.Because of itwas serviced under the bad environment，such as high temperature，high pressure，higher impact absorbing energy was required.The banded structure，the abnormal structure，quenching temperature and normalizing temperature，quenching and normalizing holding time，cooling rate，tempering temperature and holding time，the temperature and holding time of simulated heat treatment after welding，etc were analyzed.It expounds the common pressure vesselwith chromemolybdenum steel impact the reason of the brittle fracture.In order to provide reference for practical production.

impact absorbing energy；pressure vessels；Chrome-molybdenum steel；carbide；Bainite

TH49；TH142.2；TG115

A

1001-4837（2015）11-0001-05

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.001

甘肅省教育廳科研項(xiàng)目（1204-03）

2015-09-21

2015-11-06

史偉（1984-），男，工程師，主要從事金屬材料的理化檢測(cè)及機(jī)械裝備的失效分析工作，通信地址: 730314甘肅省蘭州市蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，E-mail:shw8989@163.com。