分享：模擬焊后熱處理對(duì)承壓設(shè)備用鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

在制造過(guò)程中，壓力容器設(shè)備多采用焊接成型，其焊接組織具有較高的內(nèi)應(yīng)力，在外力作用下，材料極易形成裂紋，危害很大，因此焊后需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體或局部熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力，降低焊接接頭的硬度，改善其力學(xué)性能。然而隨著裝置向大型化和復(fù)雜化發(fā)展，焊后熱處理過(guò)程頻繁，而且容器成型后無(wú)法再取樣，因此為模擬容器在制造過(guò)程中所經(jīng)歷的所有焊后熱處理過(guò)程，對(duì)進(jìn)廠供貨狀態(tài)的鋼板及鍛件進(jìn)行模擬焊后熱處理，預(yù)先判斷經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間熱處理后的材料能否保持其應(yīng)有的力學(xué)性能。筆者選取承壓設(shè)備常用的12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼鍛件為研究對(duì)象，討論模擬焊后熱處理制度對(duì)承壓容器用鋼組織和力學(xué)性能的影響。 

1.   模擬焊后熱處理制度

NB/T 47008—2017 《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》附錄B附加要求中提到“力學(xué)性能試驗(yàn)前全部試樣坯料應(yīng)在低于臨界溫度下進(jìn)行一次或多次熱處理，這主要基于鍛件產(chǎn)品在承壓元件制造過(guò)程中會(huì)經(jīng)受的焊后熱處理或其他熱處理”。模擬焊后熱處理的保溫時(shí)間分為最小模擬焊后熱處理時(shí)間和最大模擬焊后熱處理時(shí)間。最小模擬焊后熱處理時(shí)間是根據(jù)制造過(guò)程中實(shí)際焊后熱處理時(shí)間來(lái)確定的；最大模擬焊后熱處理時(shí)間是幾次焊后熱處理時(shí)間和設(shè)備返修重新進(jìn)爐所需要時(shí)間的總和，一般最大模擬焊后熱處理時(shí)間是最小模擬焊后熱處理時(shí)間的3~4倍。 

根據(jù)JB/T 7556—1994 《熱壁加氫反應(yīng)器用2 1/4Cr-1Mo鋼鍛件技術(shù)條件》及承壓設(shè)備常用技術(shù)要求，最大模擬焊后熱處理?xiàng)l件為（690 ±5） ℃×26 h, 最小模擬焊后熱處理?xiàng)l件為（690 ±5） ℃×8 h。 

2.   試驗(yàn)材料

采用的承壓設(shè)備用12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼的化學(xué)成分如表1所示，兩種材料的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47008—2017的要求。鍛件的厚度為260 mm，供貨狀態(tài)均為正火+回火，供貨態(tài)下組織均為回火貝氏體。 

3.   試驗(yàn)結(jié)果

3.1   力學(xué)性能測(cè)試

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)及數(shù)顯電子布氏硬度計(jì)對(duì)不同模擬熱處理制度下的12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2，3所示。由表2，3可知：經(jīng)模擬焊后熱處理的12Cr2Mo1鋼試樣交貨狀態(tài)下具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，隨著模擬焊后熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的常溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均下降，斷后伸長(zhǎng)率變大，斷面收縮率變化不大，高溫（550 ℃）瞬時(shí)屈服強(qiáng)度下降，沖擊韌性變大，硬度變?。?4Cr1Mo鋼試樣的力學(xué)性能變化趨勢(shì)與12Cr2Mo1鋼試樣相同。由此可見(jiàn)，對(duì)于厚度為260 mm的12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼鍛件材料，模擬焊后熱處理對(duì)其常溫和高溫拉伸性能影響較大；供貨狀態(tài)和模擬焊后熱處理狀態(tài)下兩種材料的低溫沖擊韌性都較好，即使經(jīng)歷最大模擬焊后熱處理，材料也沒(méi)有表現(xiàn)出脆化現(xiàn)象。 

3.2   微觀分析

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)對(duì)12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼鍛件材料熱處理后的顯微組織和碳化物分布進(jìn)行分析。經(jīng)最大模擬焊后熱處理和最小模擬焊后熱處理后，12Cr2Mo1鋼試樣的顯微組織均為回火貝氏體，晶粒尺寸為10~30 μm，晶粒沒(méi)有明顯長(zhǎng)大趨勢(shì)（見(jiàn)圖1，2）。顯微組織中均有白色顆粒狀合金碳化物析出，晶界和晶內(nèi)均有碳化物分布，經(jīng)最大模擬焊后熱處理后試樣組織中碳化物尺寸比經(jīng)最小模擬焊后熱處理后試樣更大，碳化物有長(zhǎng)大的趨勢(shì)且沿晶界分布較多（見(jiàn)圖3，4）。經(jīng)最大模擬焊后熱處理和最小模擬焊后熱處理后，14Cr1Mo鋼試樣的顯微組織均為回火貝氏體+少量鐵素體，經(jīng)最大模擬焊后熱處理后試樣組織中的回火貝氏體較均勻，鐵素體含量極少（見(jiàn)圖5），經(jīng)最小模擬焊后熱處理后試樣組織中的回火貝氏體不均勻，鐵素體含量較多（見(jiàn)圖6）。隨著模擬焊后熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，14Cr1Mo鋼試樣碳化物析出量增多，且碳化物彌散、均勻地分布在基體上（見(jiàn)圖7，8）。 

圖  1  12Cr2Mo1鋼試樣經(jīng)最大模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  2  12Cr2Mo1鋼試樣經(jīng)最小模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  3  12Cr2Mo1鋼試樣經(jīng)最大模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

圖  4  12Cr2Mo1鋼試樣經(jīng)最小模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

圖  5  14Cr1Mo鋼試樣經(jīng)最大模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  6  14Cr1Mo鋼試樣經(jīng)最小模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  7  14Cr1Mo鋼試樣經(jīng)最大模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

圖  8  14Cr1Mo鋼試樣經(jīng)最小模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

4.   綜合分析

經(jīng)最大模擬焊后熱處理和最小模擬焊后熱處理后，12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼的力學(xué)性能發(fā)生變化。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼中的碳化物有足夠時(shí)間析出、聚集、長(zhǎng)大，析出的碳化物顆粒彌散分布在晶內(nèi)和晶界上，碳化物主要是（Cr、Mo）xCy[1-3]，Cr-Mo型容器用鋼的主要強(qiáng)化方式為：碳元素、合金元素的固溶強(qiáng)化，析出碳化物的彌散強(qiáng)化，以及碳化物對(duì)位錯(cuò)釘扎的位錯(cuò)強(qiáng)化。在經(jīng)歷模擬焊后熱處理時(shí)，碳元素和合金元素以碳化物的形式析出，一方面固溶到奧氏體中的元素含量降低，削弱了固溶強(qiáng)化的作用；另一方面析出的合金碳化物增強(qiáng)了彌散強(qiáng)化作用，但隨著模擬熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物不斷聚集長(zhǎng)大，彌散強(qiáng)化作用減弱，而且聚集的碳化物對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減小。析出相在晶界聚集長(zhǎng)大，弱化了晶界；析出相在晶內(nèi)聚集長(zhǎng)大，減小了固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，同時(shí)改變了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形式，最終導(dǎo)致材料的強(qiáng)度明顯下降[4-6]。若按照標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求的規(guī)范進(jìn)行模擬焊后熱處理，在規(guī)定的加熱溫度和保溫時(shí)間下，碳化物的聚集、長(zhǎng)大程度不嚴(yán)重，材料強(qiáng)度下降，但不會(huì)影響材料的最終使用性能，且其塑性、韌性還會(huì)提高。 

5.   結(jié)論

（1）隨著模擬焊后熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，容器用Cr-Mo鋼的常溫強(qiáng)度明顯下降，斷后伸長(zhǎng)率變大，斷面收縮率變化不大，高溫瞬時(shí)屈服強(qiáng)度下降，沖擊韌性變好，硬度降低。 

（2）與最小模擬焊后熱處理相比，經(jīng)最大模擬焊后熱處理后，Cr-Mo鋼有更多的合金碳化物析出，且碳化物聚集、長(zhǎng)大明顯，析出的碳化物削弱了固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，最終導(dǎo)致經(jīng)最大模擬焊后熱處理后耐熱鋼的常溫和高溫強(qiáng)度明顯下降。

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