压力容器用铬钼钢冲击吸收能量偏低的原因综述

史　伟，李金梅，王顺花，赵江涛，范伟国

（1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃兰州　730314；2.兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070）

试验研究

压力容器用铬钼钢冲击吸收能量偏低的原因综述

史伟1，李金梅1，王顺花2，赵江涛1，范伟国1

（1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃兰州730314；2.兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070）

压力容器用铬钼钢被广泛地应用于炼油与石油化工、电站及锅炉等行业，由于其在高温、高压等恶劣环境下服役，要求具有较高的冲击吸收能量。从带状组织、残铸非正常组织、淬火/正火温度、淬火/正火保温时间、冷却速度、回火温度及保温时间、模拟焊后热处理温度及保温时间等方面，阐述了常见的造成压力容器用铬钼钢冲击脆断的原因，以期为生产实际提供借鉴。

冲击吸收能量；压力容器；铬钼钢；碳化物；贝氏体

0　引言

压力容器用铬钼钢是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少，具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同碳含量的碳素钢［1-3］。主要应用于炼油化工、煤炭液化和气化、电站及锅炉等行业，用于制造反应器、换热器、临氢设备、分离器、球罐、油气罐、液化气罐、核能反应堆压力壳、锅炉汽包、液化石油气瓶、水电站高压水管、水轮机蜗壳等高温、高压、与氢或氢混合介质接触的设备及构件［3-6］。故要求该类钢种在生产制造和使用过程中都具备良好的冲击吸收能量，但在实际生产检验过程中，冲击吸收能量偏低是极其常见的问题［7］。造成冲击吸收能量偏低的原因很多，本文分析了压力容器用铬钼钢质检过程中冲击吸收能量偏低的常见原因，为生产提供借鉴，避免质量问题的二次产生。

1　冶金缺陷

1.1带状组织

如果带状组织不能被消除，在后续的淬火过程中铁素体部分就会形成碳含量较少的贝氏体组织，珠光体部分会形成碳含量较高的贝氏体组织。这种组织上的差异会严重影响钢的宏观力学性能。带状组织的存在使钢的组织不均匀，并影响钢材的性能，形成各向异性，降低钢的塑性、冲击吸收能量及断面收缩率，造成冷弯不合格、冲击吸收能量偏低、热处理时钢材容易变形等不良后果。

1.2残铸非正常组织

少量残铸非正常组织，对抗拉强度，延伸率几乎无影响，但对硬度有一定的影响，对冲击吸收能量的影响很大。在后续扩散退火或者淬火中，如果残铸非正常组织没有消除，将严重降低材料的冲击吸收能量。

2　淬（正）火

2.1淬（正）火温度

在钢的Ac1～Ac3温度之间的两相区淬火，属于亚温淬火，又称临界区淬火［8-9］。亚温淬火后的显微组织中会出现未溶铁素体，未溶铁素体的存在能得到较高的冲击吸收能量，但是亚温淬火不可能得到较高的屈服强度，因此屈强比较低，疲劳寿命较低［10］。当材料的显微组织中存在细小弥散的铁素体相时，由于细小弥散铁素体相的强韧化作用，有利于提高材料的冲击吸收能量；但是，当铁素体含量较多时，又会降低材料的低温冲击吸收能量。图1示出亚温淬火所形成的显微组织，铁素体含量较少，冲击吸收能量较高，其-30℃试验冲击吸收能量为373，362，367 J。

图1　12Cr2Mo1钢亚温淬火后的未溶铁素体

淬火温度达到或者稍高于Ac1温度，钢在淬火时奥氏体化不充分，即原始组织为铁素体部分形成了碳浓度低的贝氏体组织，原始组织为珠光体部分形成了碳浓度高的贝氏体组织，从而导致在贝氏体组织中，碳化物呈现不均匀分布状态。这种差异往往会导致检验时冲击吸收能量偏低［11］。

淬火温度过高或者保温时间过长，就会使钢的奥氏体晶粒度长大，奥氏体晶粒度的长大也会提高材料韧脆转变温度［12-13］。

图2　12Cr2Mo1钢未完全奥氏体化的显微组织

淬火保温时间过短，会产生两种情况:（1）若产品尺寸虽然大，但是内部温度达到奥氏体化温度，只是奥氏体不能够完全均匀化，会导致在显微组织中碳化物呈现不均匀的分布，见图2；（2）若尺寸过大，内部温度达不到奥氏体转化温度，就会保留下铁素体+珠光体的原始组织。这两种情况都会造成冲击吸收能量下降。

正火温度过高，容易产生过热组织，假如冷速过快，很容易形成魏氏体组织，针片状的魏氏体组织会割裂钢基体，从而降低钢的韧性和塑性［14-15］。正火温度过低或者保温时间过短，奥氏体均匀化程度不够好，就无法完全消除铸态组织，降低钢的冲击吸收能量。

2.2淬火冷却速度

加钒钢（如12Cr2Mo1V）淬火时，如果冷却速度过快，形成马氏体，容易形成淬火裂纹；不含钒元素铬钼钢淬火时，很难形成马氏体，主要以贝氏体为主，不容易形成淬火裂纹。当存在淬火的微裂纹时，会极大地降低冲击吸收能量。

当冷却速度过慢，而产品尺寸过大，表面形成贝氏体组织，具有良好的冲击吸收能量，但是心部组织由于冷却速度达不到，温度在两相区停留时间过长，很容易沿晶析出铁素体。图3示出14Cr1MoR钢显微组织由于冷速较慢形成贝氏体回火组织+少量铁素体。更有甚者心部冷却时速度过慢，形成铁素体+珠光体组织，图4示出了14Cr1MoR钢大尺寸产品正火后的心部组织。这两种情况都会极大地降低钢的冲击吸收能量。

图3　14Cr1MoR钢冷速较慢形成的显微组织

正火时，要特别注意钢材空冷时现场的堆放，若放置过密或者钢板叠加放置，就会减缓冷却速度，导致铁素体沿晶析出。

图4　14Cr1MoR钢产品冷速较慢形成的心部组织

对于压力容器用铬钼钢而言，对常采用正火工艺的14Cr1MoR钢、15CrMoR钢等可以通过雾冷、风冷甚至水淬等方法加速冷却来提高其力学性能［16-17］。

3　回火

3.1回火温度过高

压力容器用铬钼钢的显微组织主要是贝氏体，其回火过程的显微组织变化是随着回火温度的升高，板条状贝氏体向粒状贝氏体转变，均能够得到好的冲击吸收能量。但是，如果回火温度足够高，保温时间足够长，碳化物过度长大或在原奥氏体晶界上析出的碳化物析出相较多，一方面容易导致在低温情况下位错在较大碳化物前的位错塞积，导致低温下的解理断裂；另一方面，位错强化、析出强化效果明显减弱，这样会严重恶化钢的冲击吸收能量，提高钢的韧脆转变温度，使钢回火脆性评定试验不合格［18-20］。

12Cr2Mo1R钢经910℃淬火+770℃回火+ 690℃模拟焊后热处理的SEM形貌和面扫描分析照片如图5所示，其显微组织为贝氏体回火组织。从Cr，Mo元素的EDS图谱上可知，高温回火后Cr，Mo等元素主要在晶界上分布，形成碳化物，该碳化物的存在首先是降低钢的力学性能，如果析出的量较少，对冲击吸收能量的影响不明显，但是如果保温时间足够长，碳化物在晶界处聚集长大到一定程度就会严重影响钢的冲击吸收能量［19，21-22］。

图5　12Cr2Mo1R钢经750℃高温回火后的SEM形貌和面扫描分析照片

3.2回火保温时间过长

回火保温时间过长也会降低钢的冲击吸收能量，其原理与回火温度过高造成韧性降低一样，长时间的保温使原来细小弥散的强化相长大，碳/氮化物在晶界偏聚，并随着回火保温时间延长不断长大。若回火保温时间过长，就会使材料脆化，造成冲击吸收能量偏低［19，21-22］。

4　模拟焊后热处理

4.1模拟焊后热处理温度过高

如果不进行焊后热处理，焊接组织存在较高的内应力，在外力作用下极易形成裂纹，危害很大。如果模拟焊后热处理温度过低，强度指标会偏高，同时冲击吸收能量、塑性会偏低，更为重要的是对实际生产缺乏指导意义。

模拟焊后热处理温度均低于相变温度，主要是改变了合金元素的析出及析出相的分布而使性能发生变化。适宜的模拟焊后热处理温度，虽然晶界上有少量碳化物相析出，但晶内和晶界上析出的数量变化不大，新析出的碳化物的数量和尺寸增加不明显，这样就能够保证该钢具有良好的低温冲击吸收能量，并具有较低的韧脆转变倾向［23］。

对于主要的合金化元素Cr元素，模拟焊后热处理后，析出相已发生明显长大，且有大量含Cr的合金碳化物从钢中析出。通常情况下，Cr元素主要是以固溶方式存在于基体，固溶时可以有效地降低碳的扩散速度，增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。但如果Cr元素从钢中析出，就会引起晶界弱化，促进回火脆性的产生，从而产生准解理断口，其改善回火脆性的能力就会降低，从而引起钢板冲击吸收能量下降，导致韧脆转变温度的升高［24］。模拟焊后热处理同样改变了碳化物的分布或者使其沿晶界析出，使得碳化物对于解理裂纹的传播的阻碍作用被削弱。另一方面改变了位错的运动形式，提高了位错浓度，更加有利于位错的塞积，从而提高了材料的韧脆转变温度［17，20，25］，若模拟焊后热处理温度过高，就会导致冲击吸收能量下降甚至低于标准要求值。

4.2模拟焊后热处理保温时间过长

在相变温度以下，对钢材进行模拟焊后热处理，通过改变析出相数量及分布来得到所需要的力学性能，但若模拟焊后热处理保温时间过长会使析出相数量增多，或使原有析出相或碳化物长大并向晶界聚集，弱化晶界，降低材料抵抗变形的能力，在受到冲击载荷作用时，吸收很小的冲击吸收能量就断裂［17，20，25］。

5　结语

从生产各环节常见的影响因素，分析了造成压力容器用铬钼钢冲击脆断的原因，但在实际生产中，引起压力容器用铬钼钢冲击脆断的原因比较复杂，不能一概而论。既有可能是某个单一因素引起的；又有可能是某几个因素共同引起的。各因素相互之间也不存在线性相关，各环节影响因素之间的关系为非线性相互作用。甚至几个单一因素均不会造成冲击吸收能量不合格，但是其影响叠加后，会由量变引起质变，最终导致冲击吸收能量偏低。因此，在生产中要结合实际情况，查找原因，继而为生产提供指导。

［1］于兆斌，史巨元.热处理对2.25Cr1MoR钢组织和性能的影响［J］.热处理，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压力容器钢动态CCT曲线研究［J］.材料与冶金学报，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］杨海林，杨秀芹.热处理工艺对14Cr1MoR钢的组织和性能的影响［J］.金属热处理，2003，28（11）:35-37.

［7］陈泰炜.压力容器焊后热处理技术［M］.北京:中国石化出版社，2004:1-2.

［8］张永峰，王任甫，牛继承.亚共析钢的亚温淬火及其强韧化［J］.热加工工艺，2011，40（4）:163-166.

［9］李安铭，王海瑞.亚温淬火对25MnV钢显微组织和力学性能的影响［J］.机械工程材料，2009，33（12）:36-38.

［10］顾晓辉，刘军，石继红.亚温淬火工艺对45钢组织和性能的影响［J］.金属热处理，2011，36（11）:69-72.

［11］史伟，张乃孔，赵江涛，等.12Cr2Mo1锻件法兰低温冲击韧性不合格的原因分析［J］.压力容器，2011，28（3）:61-63.

［12］刁羽，沈明钢，孙浩源.淬火温度对低合金超高强度工程机械用钢组织和性能的影响［J］.热加工工艺，2013，42（18）:184-186.

［13］赵品，谢辅洲，孙振国.材料科学基础教程［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2002:143.

［14］王源泉.亚共析钢中魏氏组织的研究概况［J］.哈尔滨科学技术大学学报，1982（1）:65-80.

［15］魏玉芝，魏鹏，张玉强.低碳热轧钢管中魏氏组织的形成及影响［J］.钢管，2001，30（6）:31-33.

［16］杨海林，杨秀芹.82mm 14Cr1MoR钢板工业性热处理工艺试验［J］.特殊钢，2005，26（3）:48-50.

［17］史伟，郭华，李岗，等.14Cr1MoR钢板异常显微组织的成因分析［J］.金属热处理，2012，37（12）:119-120.

［18］钟群鹏，赵子华，张峥.断口学的发展及微观断裂机理研究［J］.机械强度，2005，27（3）:358-370.

［19］韩绍根，娄军魁，杨柳，等.回火温度对低碳贝氏体钢Q685性能影响的研究［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］关婧，蔡庆伍，武会宾，等.回火温度对轧后直接水淬15CrMoV钢组织和力学性能的影响［J］.特殊钢，2009，30（2）:66-67.

［22］吴新丽，牛靖，董俊明.回火温度对25Cr2Ni4MoV钢组织和性能的影响［J］.热加工工艺，2008，37（20）:76-78.

［23］姜洪生，张汉谦，丛郁，等.模拟焊后热处理对12Cr2Mo1R厚钢板冲击性能的影响［J］.金属热处理，2009，34（4）:100-104.

［24］王勇，孙殿东，王长顺，等.模拟焊后热处理对SA-738Gr.B钢板组织及韧性的影响［J］.压力容器，2014，31（1）:10-14.

［25］姜洪生，张汉谦，丛郁，等.临氢设备用12Cr2Mo1R（SA387Gr22Cl2）厚钢板的开发［J］.钢铁，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，FANW 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

甘肃省教育厅科研项目（1204-03）

2015-09-21

2015-11-06

史伟（1984-），男，工程师，主要从事金属材料的理化检测及机械装备的失效分析工作，通信地址: 730314甘肃省兰州市兰州兰石检测技术有限公司，E-mail:shw8989@163.com。