鉻鉬鋼的回火脆性及控制范文

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《柳鋼科技》2017年第6期

摘要：鉻鉬鋼在化工設(shè)備高溫抗氫方面應(yīng)用十分廣泛，然而由于回火脆化敏感性的影響，對于長期在一定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的壓力容器還是存在一定的風(fēng)險。本文進(jìn)一步指出了鉻鉬抗氫鋼的回火脆化的主要特征，分析了化學(xué)成分和熱處理工藝兩個影響回火脆化敏感性的因素，得出回火脆化的評定以及為了獲得材料的最佳綜合性能應(yīng)采取的控制措施。

關(guān)鍵詞：鉻鉬鋼；回火脆性；壓力容器

1概述

金屬材料具有資源豐富、生產(chǎn)規(guī)模大、易于加工、性能多樣可靠、使用方便和便于回收等特點(diǎn)，熱處理等技術(shù)改變材料的形狀、尺寸和性能，滿足化工、機(jī)械、建筑等不同行業(yè)的需求，是工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中廣泛使用的材料。各個國家都把高性能金屬材料的研究作為材料領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容之一。

2回火脆性的分類及鉻鉬鋼回火脆化特征

2.1回火脆性的分類

鋼在回火過程中，可能發(fā)現(xiàn)兩種情況的脆性：一種脆性通常發(fā)生在淬火馬氏體于200~400攝氏度回火溫度區(qū)間，這類回火脆性在碳鋼和合金鋼中均會出現(xiàn)，它與回火后的冷卻速度無關(guān)，回火脆性稱為第一類回火脆性；另一種脆性發(fā)生在某些合金結(jié)構(gòu)鋼中，這些鋼在以下兩種情況發(fā)生脆化，第二類回火脆性的脆化過程必然是一個與馬氏體及殘余奧氏體無直接關(guān)系的可逆過程，它是一個受擴(kuò)散控制并且發(fā)生于晶界弱化的過程中。通常與壓力容器的制造、使用有關(guān)的實際回火脆化問題可區(qū)別為以下兩類：一類在制造過程中，由回火處理或焊后熱處理溫度冷卻，在冷卻過程中所產(chǎn)生的脆化；另一類長期在回火脆化溫度范圍內(nèi)使用而發(fā)生的脆化。后者主要發(fā)生在鉻鉬鋼上。

2.2鉻鉬抗氫鋼回火脆化特征

（1）產(chǎn)生回火脆化的鋼材沖擊轉(zhuǎn)變溫度向高溫側(cè)轉(zhuǎn)移，破壞沿原奧氏體晶界進(jìn)行。

（2）抗拉強(qiáng)度沒有變化。

（3）粗大奧氏體晶粒，脆化敏感性高。

3影響回火脆化敏感性的因素

3.1化學(xué)成分

經(jīng)實驗研究表明，產(chǎn)生回火脆性的根本原因是合金鋼在一定溫度回火、回火后冷卻或時效過程中P、Sn、Sb和As等有害元素在奧氏體晶界處偏聚，當(dāng)材料經(jīng)受沖擊或拉伸時，界面能已下降的晶界處很容易首先開裂。P是最能增強(qiáng)回火脆化敏感性的元素，其次是Sn，再次是As和Sb。降低鋼材回火脆化敏感性的根本方法是盡量降低這些有害元素在鋼中的含量。Si本身不會引起脆化，而是對P的脆化起了促進(jìn)作用。Si和P含量同時變化也影響脆化的程度，一般降低回火脆化的措施分成兩個方法，即采取低Si化或高Si低P化。Mn和Si一樣，對鋼材的回火脆化起了促進(jìn)作用。Cr也會使回火脆性敏感性顯著提高，特別是Cr含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%~3%范圍時，脆化敏感性較高。2.25Cr-1Mo是鉻鉬鋼中敏感性最高的材料，比它高級或低級的材料的脆化敏感性都呈現(xiàn)下降趨勢。Ni對回火脆性影響不大，但在有P、Sn等元素的合金鋼中加入Ni時，回火脆性增大。Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%~0.7%范圍內(nèi)鋼材脆化敏剛性最低。Mo元素可在一定時間內(nèi)吸附P形成化合物（如Mo3P），從而減少P在晶界處的偏聚，降低鋼的回火脆性。S含量增大后，回火脆性的敏感性雖然降低，但韌性本身也降低，降低S含量，回火脆化后的韌性較好。V可組成富Mo碳化物形成，增加鋼材的抗回火脆性，現(xiàn)在對2.25Cr-1Mo材料的改進(jìn)主要是加入了V。它不僅提高了鋼材的強(qiáng)度，而且通過對板材、鍛件和焊縫的步冷試驗結(jié)果表明，其試驗前后的轉(zhuǎn)變溫度增加量很小，說明沒有明顯的回火脆性現(xiàn)象。

3.2熱處理工藝

回火脆化敏感性除了與鋼的金相組織有關(guān)之外，還隨奧氏體晶粒的增大而增大。由于回火脆性是由于有害元素在晶界的偏聚引起的平衡偏析，當(dāng)回火溫度達(dá)到600℃以上時，這種平衡偏析就會受到原子熱運(yùn)動的影響而消失，然后快速冷卻，抑制有害元素在晶界的偏聚，因此可降低材料的回火脆化敏感性。常用的鉻鉬鋼由于主要合金元素含量不同，獲得的金相組織不同，回火脆性敏感性也不同。2.25Cr-1Mo多獲得均勻分布的細(xì)晶粒貝氏體組織，故回火脆化敏感性較高；1Cr0.5Mo的金相組織以珠光體為主，幾乎沒有回火脆化敏感性。由于貝氏體組織較珠光體抗氫能力強(qiáng)，所以在抗氫要求高的情況下，需要求貝氏體組織含量。

4回火脆化的評定及控制

4.1回火脆化的評定

可以用多種方法表示鋼的回火脆性傾向大小，最初都采用回火時快冷與緩冷后的室溫沖擊韌度的比值表示，或者以韌性狀態(tài)與脆化狀態(tài)的室溫沖擊韌度的比值表示，在短時間內(nèi)評定鉻鉬鋼的回火脆性，需要對其進(jìn)行脆化處理，即步冷試驗。根據(jù)API934中規(guī)定的步冷試驗程序如下：（1）材料以任意速度加熱至316℃，然后以每小時56℃的速度加熱至593℃、保溫1h，爐冷至538℃；（2）在538℃溫度下保溫15h，爐冷至524℃；（3）在524℃溫度下保溫24h，爐冷至496℃；（4）在496℃溫度下保溫60h，爐冷至468℃；（5）在468℃溫度下保溫100h，爐冷至315℃；測定鉻鉬鋼的回火脆性，需在一系列溫度下進(jìn)行步冷試驗，將經(jīng)步冷處理和未經(jīng)步冷處理的材料進(jìn)行沖擊試驗，分別測出AKV值為55J時的相應(yīng)溫度VTr54及其變化量△Tr55。△Tr55越大，說明材料的回火脆化敏感性越高。

4.2回火脆化的控制

化學(xué)成分及金屬元素含量對于鉻鉬鋼回火脆性影響很大，壓力容器用鉻鉬鋼應(yīng)對有害元素進(jìn)行嚴(yán)格的控制，盡量降低其含量。

5API934中對于鉻鉬鋼在壓力容器應(yīng)用中的一些要求

5.11.25Cr-0.5Mo材料在441℃以下高壓氫環(huán)境下使用

（1）化學(xué)成分上除保證X系數(shù)符合要求外，C含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.15%；Cu不得大于0.15%，Ni不得大于0.30%；P不得大于0.007%；S不得大于0.007%。

（2）-18℃下的夏比沖擊試驗三個試驗平均值不得小于54J。

5.21.25Cr-0.5Mo材料在440℃以上環(huán)境下使用

（1）筒體、封頭板材厚度范圍在25mm~100mm之間；

（2）化學(xué)成分上除保證X系數(shù)符合要求外，C含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.15%；Cu不得大于0.20%，Ni不得大于0.30%；P不得大于0.012%；S不得大于0.007%。

（3）-18℃下的夏比沖擊試驗三個試驗平均值不得小于54J。

6結(jié)論

鉻鉬鋼具有高強(qiáng)度、高塑性和高韌性，經(jīng)調(diào)制熱處理或正火后，在500℃以下具有足夠的高溫強(qiáng)度，另外，也具有良好的加工工藝性和較好的焊接性能，鉻鉬鋼已經(jīng)成為石化大型壓力容器鍛件的常用材料。在室溫沖擊韌性猛烈下降，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，對于石油管道以及臨氫壓力反應(yīng)容器等設(shè)備長周期使用存在安全隱患。本文通過對鉻鉬鋼回火脆性產(chǎn)生的主要機(jī)理、主要特征進(jìn)行了介紹，在分析化學(xué)成分和熱處理工藝兩個影響回火脆化敏感性的因素的基礎(chǔ)上，闡述了回火脆性的評定及控制措施，希望對預(yù)測設(shè)備使用壽命和保證設(shè)備安全運(yùn)行提供一些參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐森.鉻鉬鋼壓力容器設(shè)計制造中的幾個問題[J].石油和化工設(shè)備,2015(6):56-57.

作者：趙金鳳 單位：云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院