高強度低合金結構鋼組織性能試驗研究

劉五兵，王文君，王世清，李方坡，洪 寧

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721008；4.鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114000）

高強度低合金結構鋼以其優(yōu)良的綜合性能和可焊接性被廣泛應用于壓力容器制造等領域[1-2]。壓力容器是石油化工生產(chǎn)中的重要設備，需具有抗高壓、抗疲勞、抗高溫及抗腐蝕等特點。因此，對石油化工壓力容器的制備材料有比較高的要求。GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》[3]中規(guī)定，壓力容器用鋼在-20℃下的沖擊功不小于47 J。國內(nèi)壓力容器制造材料通常選用生產(chǎn)成本較低的 Q245R、Q345R、Q370R及 Q420R等等級的高強度低合金鋼。隨著冶金技術和壓力容器制造技術的發(fā)展進步，應用性能優(yōu)異的主體材料制造壓力容器，同時優(yōu)化其結構布局，可以有效提升壓力容器整體服役性能，高強度等級結構鋼在這方面具有顯著優(yōu)勢[4]。

為推動高強度低合金結構鋼在壓力容器制造中的應用，本文對不同生產(chǎn)工藝下的Q420D、Q460D、Q550D和Q690D這4種高強度低合金結構鋼板的組織性能進行了試驗研究。

1 高強度低合金結構鋼組織性能試驗方法

試驗中選用的 4種鋼材為 Q420D、Q460D、Q550D以及Q690D。采用ARL4460直讀光譜儀，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法 (常規(guī)法)》[5]對試驗鋼材進行化學成分測定。

采用OLS4100激光共聚焦顯微鏡，依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》[6]、GB/T 13299—91《鋼的顯微組織評定方法》[7]和GB/T 4335—2013《低碳鋼冷軋薄板鐵素體晶粒度測定法》[8]對試驗鋼材進行金相顯微組織觀察、帶狀組織評定及晶粒度測試。

采用PSW750沖擊試驗機，依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》[9]對試驗鋼材在20℃、0℃、-20℃、-40℃與 -60℃條件下進行沖擊試驗，每組沖擊試驗取3個縱向試樣，測量結果取試驗結果的平均值。

采用SHT4106材料試驗機，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[10]對試驗鋼材進行拉伸性能測試，每組拉伸試驗取3個橫向試樣，測量結果取試驗結果的平均值。

采用KB30BVZ-FA維氏硬度計，依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[11]對試驗鋼材進行顯微硬度測試。

2 高強度低合金結構鋼組織性能試驗結果

2.1 化學成分檢測

試驗鋼材的化學成分檢測結果見表1。由表1可知，各試驗鋼材合金元素總質(zhì)量分數(shù)均小于3%，C、S、P、Mo、Cr、Ni 元素質(zhì)量分數(shù)相差較大。 鋼材含有較少的S、P元素能夠有效避免熱脆與冷脆現(xiàn)象，并改善焊接性。Cr、Mo是主要的碳化物形成元素，能有效改善鋼的組織與性能，使鋼材在較高的強度、硬度下保持較好的塑韌性。

表1 試驗鋼材化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

2.2 顯微組織

對試驗鋼材的顯微組織與晶粒尺寸進行測定，得到的試驗鋼材的帶狀組織見圖1，金相顯微組織見圖2。

圖1 試驗鋼材帶狀組織（200×）

圖2 試驗鋼材金相顯微組織（500×）

觀察分析圖1和圖2可以知道，Q420D的帶狀組織級數(shù)為3.0級，金相顯微組織由多邊形狀鐵素體+大量片狀珠光體+少量魏氏組織組成，晶粒度等級為10.5級；Q460D的帶狀組織級數(shù)為3.5級，金相顯微組織由鐵素體+少量層片狀珠光體組成，晶粒度等級為9.0級；Q550D的帶狀組織級數(shù)為3.0級，金相顯微組織為粒狀貝氏體，晶粒度等級為9.0級；Q690D的帶狀組織級數(shù)為3.0級，金相顯微組織為粒狀貝氏體，晶粒度等級為8.0級。

粒狀貝氏體是在塊狀鐵素體基體上分布有富碳奧氏體或其他分解產(chǎn)物的組織，富碳奧氏體常以小島狀或小河狀分布在塊狀鐵素體基體上。由于合金成分和冷卻條件不同，富碳奧氏體島還能進一步發(fā)生轉變，形成富碳的馬氏體+殘余奧氏體（M-A 組元）[12]。

2.3 力學性能

2.3.1 沖擊性能

試驗鋼材在各試驗溫度下的縱向沖擊吸收能檢測結果見圖3。

圖3 試驗溫度下鋼材縱向沖擊吸收能檢測結果

從圖 3可以看出，-60℃時 Q460D、Q550D與Q690D的沖擊吸收能分別達到了 180 J、157 J、154 J，這3種材料的低溫沖擊性能相對優(yōu)于Q420D的低溫沖擊性能。

2.3.2 硬度

試驗鋼材截面硬度（HV10）檢測位置分布見圖4，檢測結果見圖5。

圖4 試驗鋼材截面硬度檢測位置分布

圖5 試驗鋼材截面硬度檢測結果

由圖5可知，Q690D與Q550D的硬度高于Q460D與Q420D的硬度，且硬度數(shù)值變動范圍較小，性能表現(xiàn)穩(wěn)定。

2.3.3 拉伸性能

試驗鋼材拉伸試驗結果見圖6。由圖6可知，Q420D的上屈服強度ReH與抗拉強度Rm最高分別可達479 MPa和607 MPa，斷后伸長率A最高為35%；Q460D的上屈服強度 ReH與抗拉強度 Rm最高分別可達512 MPa和621 MPa，斷后伸長率A最高為45.5%；Q550D的上屈服強度ReH與抗拉強度Rm最高分別可達774 MPa和782 MPa，斷后伸長率A最高為 35.5%；Q690D的上屈服強度 ReH與抗拉強度Rm最高分別可達798 MPa和834 MPa，斷后伸長率A最高為26%。屈服強度較高的Q550D與Q690D的斷后伸長率A在26.0%～35.5%，表明Q550D與Q690D具有較高的韌塑性和彈性變形的吸收能力，能夠有效降低脆性斷裂傾向。

圖6 試驗鋼材拉伸試驗結果

3 高強度低合金結構鋼組織性能綜合分析

3.1 生產(chǎn)工藝

Q420D與Q460D的化學成分相近，而Q420D沖擊性能欠佳，主要是由于Q420D是采用熱軋工藝生產(chǎn)的，即鋼材未經(jīng)過特殊軋制或者熱處理。除此之外，Q420D中含有少量的魏氏組織，降低了其沖擊韌性。Q460D是采用控制軋制工藝生產(chǎn)的，控制軋制工藝可獲得較多的鐵素體并析出一定的碳化物和氮化物，從而達到析出強化、改善鋼材塑韌性的目的。

Q550D與Q690D具有優(yōu)異的性能主要是因為其采用熱機械軋制工藝（TMCP）生產(chǎn)。TMCP即控制軋制和控制冷卻的技術，通過控制加熱溫度、冷卻條件等工藝參數(shù)來控制鋼材性能[13]。與普通生產(chǎn)工藝相比，TMCP技術可以提高板材的屈服強度和抗拉強度，并改善鋼材的低溫韌性和焊接性。Q550D與Q690D的化學成分接近且顯微組織均為粒狀貝氏體。粒狀貝氏體具有較高的強度、硬度與沖擊韌性是因為其鐵素體基體具有高的位錯密度，粒狀貝氏體除去鐵素體組織外還存在著第二相，即M-A組元，M/A島近似成球狀分布在鐵素體基體內(nèi)，可避免裂紋擴展通道的形成，而且球狀顆粒越細小，越有利于改善韌性[14-19]。與 Q690D相比，Q550D具有較高的晶粒度等級，較高的晶粒度等級對位錯運動的阻礙作用大且應力集中較小，從而改善了其塑韌性。

3.2 焊接性

依據(jù)JIS G 3106—2008《焊接結構用軋制鋼材》[20]計算鋼材的碳當量Ceq和冷裂紋敏感系數(shù)Pcm，來間接評價各鋼材的焊接性。

將表1數(shù)據(jù)代入式（1）～式（2），得到 Q420D、Q460D、Q550D和Q690D的碳當量分別為0.417%、0.425%、0.465%和 0.451%，冷裂紋敏感系數(shù)分別為 0.252%、0.340%、0.244%和 0.239%。由計算結果可知，4種材料的碳當量均低于JIS G 3106—2008要求的碳當量界限0.52%。常用高強度低合金鋼的冷裂紋敏感系數(shù)需小于0.335 6%，Q550D和Q690D具有較小的冷裂紋敏感系數(shù)，出現(xiàn)冷裂紋傾向較小。

4 結語

對 Q420D、Q460D、Q550D及 Q690D這 4種高強度低合金結構鋼組織性能進行了試驗研究，得出以下結論，①相比 Q420D、Q460D，Q550D、Q690D含有較多碳化物形成元素Cr、Mo。Q420D、Q460D顯微組織均主要由鐵素體+珠光體組成，Q550D、Q690D顯微組織均由粒狀貝氏體組成。②4種材料的強度、硬度、沖擊韌性均較優(yōu)。③通過綜合分析不同生產(chǎn)工藝下4種材料的基本力學性能指標，并結合組織性能均勻性認為，相對于Q420D、Q460D與Q690D，Q550D具有較好的性能優(yōu)勢，可在壓力容器制造中優(yōu)先考慮使用。

隨著我國材料冶金技術和裝備制造技術的發(fā)展，高性能材料應用于壓力容器制造成為可能。我國壓力容器制造材料品種多且整體性能優(yōu)良，屈服強度和沖擊韌性等基本性能指標均大幅高于GB 713—2014中規(guī)定的壓力容器用鋼要求值。因此，高強度低合金鋼材在壓力容器制造領域具有廣闊的應用前景。