在制造過程中，壓力容器設備多采用焊接成型，其焊接組織具有較高的內應力，在外力作用下，材料極易形成裂紋，危害很大，因此焊后需要對設備進行整體或局部熱處理，以消除焊接殘余應力，降低焊接接頭的硬度，改善其力學性能。然而隨著裝置向大型化和復雜化發(fā)展，焊后熱處理過程頻繁，而且容器成型后無法再取樣，因此為模擬容器在制造過程中所經歷的所有焊后熱處理過程，對進廠供貨狀態(tài)的鋼板及鍛件進行模擬焊后熱處理，預先判斷經過長時間熱處理后的材料能否保持其應有的力學性能。筆者選取承壓設備常用的12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼鍛件為研究對象，討論模擬焊后熱處理制度對承壓容器用鋼組織和力學性能的影響。 

1.   模擬焊后熱處理制度

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

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

2.   試驗材料

采用的承壓設備用12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼的化學成分如表1所示，兩種材料的化學成分均滿足標準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.   試驗結果

3.1   力學性能測試

利用萬能試驗機、金屬擺錘沖擊試驗機、高溫拉伸試驗機及數(shù)顯電子布氏硬度計對不同模擬熱處理制度下的12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼進行力學性能測試，結果如表2，3所示。由表2，3可知：經模擬焊后熱處理的12Cr2Mo1鋼試樣交貨狀態(tài)下具有較高的抗拉強度和屈服強度，隨著模擬焊后熱處理時間的延長，試樣的常溫抗拉強度、屈服強度均下降，斷后伸長率變大，斷面收縮率變化不大，高溫（550 ℃）瞬時屈服強度下降，沖擊韌性變大，硬度變??；14Cr1Mo鋼試樣的力學性能變化趨勢與12Cr2Mo1鋼試樣相同。由此可見，對于厚度為260 mm的12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼鍛件材料，模擬焊后熱處理對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，即使經歷最大模擬焊后熱處理，材料也沒有表現(xiàn)出脆化現(xiàn)象。 

3.2   微觀分析

采用光學顯微鏡、掃描電鏡(SEM)對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行分析。經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，晶粒沒有明顯長大趨勢（見圖1，2）。顯微組織中均有白色顆粒狀合金碳化物析出，晶界和晶內均有碳化物分布，經最大模擬焊后熱處理后試樣組織中碳化物尺寸比經最小模擬焊后熱處理后試樣更大，碳化物有長大的趨勢且沿晶界分布較多（見圖3，4）。經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（見圖5），經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（見圖6）。隨著模擬焊后熱處理保溫時間的延長，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（見圖7，8）。 

圖  1  12Cr2Mo1鋼試樣經最大模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  2  12Cr2Mo1鋼試樣經最小模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  3  12Cr2Mo1鋼試樣經最大模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

圖  4  12Cr2Mo1鋼試樣經最小模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

圖  5  14Cr1Mo鋼試樣經最大模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  6  14Cr1Mo鋼試樣經最小模擬焊后熱處理后顯微組織形貌

圖  7  14Cr1Mo鋼試樣經最大模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

圖  8  14Cr1Mo鋼試樣經最小模擬焊后熱處理后碳化物的SEM形貌

4.   綜合分析

經最大模擬焊后熱處理和最小模擬焊后熱處理后，12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼的力學性能發(fā)生變化。隨著保溫時間的延長，12Cr2Mo1鋼和14Cr1Mo鋼中的碳化物有足夠時間析出、聚集、長大，析出的碳化物顆粒彌散分布在晶內和晶界上，碳化物主要是（Cr、Mo）xCy[1-3]，Cr-Mo型容器用鋼的主要強化方式為：碳元素、合金元素的固溶強化，析出碳化物的彌散強化，以及碳化物對位錯釘扎的位錯強化。在經歷模擬焊后熱處理時，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，削弱了固溶強化的作用；另一方面析出的合金碳化物增強了彌散強化作用，但隨著模擬熱處理保溫時間的延長，碳化物不斷聚集長大，彌散強化作用減弱，而且聚集的碳化物對位錯的釘扎作用減小。析出相在晶界聚集長大，弱化了晶界；析出相在晶內聚集長大，減小了固溶強化、位錯強化和彌散強化作用，同時改變了位錯運動形式，最終導致材料的強度明顯下降[4-6]。若按照標準或技術要求的規(guī)范進行模擬焊后熱處理，在規(guī)定的加熱溫度和保溫時間下，碳化物的聚集、長大程度不嚴重，材料強度下降，但不會影響材料的最終使用性能，且其塑性、韌性還會提高。 

5.   結論

（1）隨著模擬焊后熱處理保溫時間的延長，容器用Cr-Mo鋼的常溫強度明顯下降，斷后伸長率變大，斷面收縮率變化不大，高溫瞬時屈服強度下降，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、長大明顯，析出的碳化物削弱了固溶強化、位錯強化和彌散強化作用，最終導致經最大模擬焊后熱處理后耐熱鋼的常溫和高溫強度明顯下降。

文章來源——材料與測試網