CrMo钢的回火脆性及其评定

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第7卷第4期宽厚板Cr-Mo钢的回火脆性及其评定杨海林罗义英杨秀芹(河南省城建高等专科学校)摘要本文简述了影响Cr-Mo钢回火脆性的各种因素，介绍了步冷脆化处理工艺和Cr-Mo钢回火脆性的评定方法。关键词Cr-Mo钢回火脆性评定TemperBrittlenessofCr一MoSteelandItsEvaluationYangHailing,LuoYiyingandYangXiuqin(CityConstructionHigherLearningTrainingSchoolofHenanProvince)AbstractThispaperbrieflydescribesvariousfactorsaffectingtemperbrittlenessofCr一Mosteel,intro-ducesstepcoolingembrittlingtreatmentprocessandevaluationmethodwith'respecttotemperbrittlenessofCr一Mosteel.KeywordsCr一MoSteel,Temperbrittleness,Evaluation1前言度冷却，在冷却过程中所产生的脆化。为满足抗氢腐蚀和高温性能的要求，国内外1.2长期在回火脆化温度范围内使用而发生的在石油化工、火电设备中大量使用Cr-Mo钢。一脆化。前者主要发生在Ni-Cr型或Ni一Cr-Mo般在低于455℃时采用1Cr0.5Mo,1.25Cr0.5Mo型高强度钢等脆化倾向比较显著的材料上，而后和2.25Cr1Mo钢;高于455℃时采用3Cr1Mo者主要发生在Cr一MO钢上。钢。本文仅讨论Cr-Mo钢的回火脆性(第2类回火温度升高，一般使钢的强度、硬度下降，回火脆性)及其评定。塑性、冲击韧性上升，但有一些钢在一定温度回火时，冲击韧性比在较低温度回火时反而下降，即出影响回火脆化敏感性的因素现称为回火脆性的脆化现象。大多数中碳合金结2.1化学成分构钢在250^-400℃和500-650℃范围内回火及大量实验研究表明，产生回火脆性的根本原回火后缓冷，均出现这种韧性降低现象，称前者为因是合金钢在一定温度回火、回火后冷却或时效第1类回火脆性，后者为第2类回火脆性。此外，过程中P,Sn,Sb和As等有害元素在奥氏体晶界钢在400-600℃长期服役(时效)后所出现的脆处偏聚，降低了Fe原子在晶界处的结合力，当材化现象也属于第2类回火脆性。料经受冲击或拉伸时，界面能已下降的晶界处很通常与压力容器的制造、使用有关的实际回容易首先开裂，如果材料的晶内韧性好，裂纹就容火脆化问题，可区别为以下两类:易沿晶界扩展，造成沿晶断裂。其中P是最能增1.1在制造过程中，由回火处理或焊后热处理温强回火脆化敏感性的元素，Sn次之，Sb和As的万方数据 ·10·2001年第4期影响较小。因此，降低钢的回火脆化敏感性的根本焊后热处理条件)的影响，根据渡边等人的报告，方法是尽量降低P,Sn,Sb和As等有害元素在钢Pt在18.5-20.5X10，的条件下，钢的回火脆化中的含量。敏感性高，R无论大于该值或小于该值，其回火合金元素的加入不同程度地增加了钢的回火脆化敏感性都变小。脆化敏感性。如各合金元素对2.25CrlMo钢回火2.3金相组织与Cr-M。钢的回火脆化敏感性脆化量的影响见表1,常用的Cr-Mo钢主要包括0.5Mo,1C:一0.5Mo、1.25Cr0.5Mo,2.25CrlMo和3CrlMo表1各合金元紊对2.25Cr1M。钢回火脆化f的影响钢。这些钢由于所含主要合金Cr,Mo之间的元素(0.010x)CSiMnCrMo效应4.31.51.30.80.7配比不同及获得的金相组织不同，对回火脆化的敏感性亦不同。其中由于2.25Cr1Mo和3CrlMo钢的Cr,M。含量较高，且多获得均匀分布的细碳含量(0.085%^0.167%)对2.25Cr1Mo晶粒贝氏体组织，故其回火脆化敏感性较高;因翎回火脆化的影响最大，但为保证获得良好的组1.25Cr0.5M。钢中的Si含量较高，金相组织为贝织及综合性能，碳含量通常在0.15%以下;Si,Mn氏体加铁素体，故稍有回火脆化敏感性;而能促进钢中的P在晶界发生偏聚，增加回火脆化0.5m。和1Cr0.5Mo钢的金相组织以铁素体为敏感性，故应控制其总量;合金元素Mo(0.5%-主，几乎没有回火脆化现象。0.7%)在一定时间内有吸附P形成化合物的作‘用(如形成Mo,P)，从而减少P在晶界处的偏聚，回火脆性的测定与评定降低钢的回火脆性。但Mo又是较强的碳化物形3.1脆化当量系数成元素，在长期时效中形成富M。的MZC碳化物人们已经用了80余年的时间研究材料脆化要比Mo-P化合物稳定的多，因而回火脆化的程问题，提出了预测焊缝金属脆化敏感性的关联系度是受M。在碳化物形成过程中的扩散速度所控数(X)、预测材料脆化敏感性的J系数和脆化当制。Cr也是较强的碳化物形成元素，只有将钢中量系数K来表示各种脆化元素的综合影响。的含Cr量控制在含M。量的一倍以上时，才能促J=(%Si+%Mn)(ooP+%Sn)X10'进富Cr碳化物的稳定性而抑制MZC碳化物的形又二(10X%P+5X%Sb+4XSn+%As)X成，提高钢中M。的固溶量，从而在一定程度上抑，102制回火脆化的发生。钢中加入能阻止富Mo碳化K,=(2X0oSi+0oMn)XX物的其它强碳化物形成元素(如V,Nb)也能在一K2=(2X%Si+ooMn+ooCu+ooNi)XX定程度上抑制回火脆化的发生。其中K,,K:系数分别适用于2.25CrlMo和2.2热处理3CrlMo钢理想的热处理工艺是使零件整个断面的金相技术要求一般J成150oo,X<15X10一6组织为均匀分布的细晶粒组织，获得最佳综合性严格J成100oo,X<10x10一6能。粗大的奥氏体晶粒，使回火脆性增大，合适的目前在设计中把Sn,Sb和As等杂质元素的奥氏体化温度是降低回火脆化敏感性，获得最佳分析结果只作记录，不作为验收条件，而是考虑它综合性能的基础;加速冷却虽说降低了钢中先共们的综合影响。因此以上系数常作为初选判定回析铁素体含量，增加了钢的回火脆化敏感性，但提火脆化敏感性材料的方法。高了强度和韧性，获得了较佳的综合性能，因此正3.2回火脆性的测定与判别火热处理的冷却速度是一个关键工艺;钢的回火测定材料对回火脆性的敏感程度，要对材料谊化敏感性还受到脆化处理前的回火条件(包括进行脆化处理。若材料对回火脆性敏感，则经脆化万方数据 宽厚板后的VTr54(AKV为54)时相应的转变温度)值的步冷处理工艺也不同。主要有以下几种:将比脆化处理前的有较大增加，而AKV值将大3.2.1.1Gould处理工艺幅下降。常用的脆化处理方法，一是步冷脆化处材料加热至593`C、保温1h，炉冷至538'C,理，二是在400℃以上某温度(取决于实际工作温保温15h，炉冷至524`C、保温24h,炉冷至496`C,度)进行时效脆化。两者相比，后者要严格得多，并保温48h,炉冷至468'C、保温72h,炉冷至316`C且更能反映材料回火脆性的敏感程度，但是评价出炉空冷。此种处理方式不很严格，适用于对回火Cr一Mo钢时，处理周期达到3-5万小时，通常脆性较敏感的钢种。如3.3Ni-C:一Mo,2.25Cr仅用于材料研究。步冷脆化处理是针对回火脆化一1Mo及3Cr一1Mo钢。现象本质，在300-600℃的脆化温度区，采用阶3.2.1.2美国Socal公司第一号处理工艺段冷却的方法，可在一个较短的时间内，使材料处材料加热至593'C,保温1h，炉冷至538'C,于脆化状态。步冷处理虽不能很准确反映材料对保温15h,炉冷至524'C、保温24h，炉冷至496'C,回火脆性的敏感程度，但由于步冷脆化与长期操保温60h，炉冷至468`C、保温100h,炉冷至316'C作后的脆化有很好的关联性，故对于工业生产中出炉空冷。该处理方式较Gould处理严格，适用的检验已足够。于对回火脆性很敏感的钢种。目前广泛用于3.2.1步冷脆化处理工艺2.25Cr一1Mo及3Cr一IMO钢。典型的步冷处理不同材料对回火脆性的敏感程度不同，采用工艺曲线见图。温度℃加热速度:(1)50r,ih冷却速度:(2)5.6r-/h-.-.---一﹄(3)2.SICA--(2)l(4)28r-A--.…46~N1-;一一1-(.!，..-.--.--一l)一l-I1..-一-.-..-.!一i315(4一‘，.-.，，.---:‘一.-，-二:.-.--.-:一空冷60h日勺加}!15h图典型的步冷脆化工艺曲线3.2.1.3Swaminathan处理工艺火脆化倾向，常将步冷处理和未经步冷处理的材材料加热至回火温度、保温lh,炉冷至料试样进行系列冲击试验，分别测出AKV值为538'C、保温15h，炉冷至510`C、保温15h,炉冷至54)时相应的试验温度，用下式判断材料有无回482'C、保温24h,炉冷至468`C、保温72h,炉冷至火脆化倾向。427`C、保温100h,炉冷至399'C、保温168h,炉冷Vtr54+aXOVtr54镇38'C至室温。这是目前最为严格的步冷处理工艺，常用式中:于1Cr一1Mo一V钢。Vtr54—经最小焊后热处理后，AKV为3.2.2回火脆性敏感程度的判别547时相应的转变温度℃;判断Cr-M。钢回火脆性敏感程度和有无回AVtr54—经最小焊后热处理加步冷处理万方数据 ·12·2001年第4期后，AKV为547时相应转变温度的增量℃;Mo钢回火脆化的公式为:a—考虑步冷脆化量和操作后实际最大脆Vtr54+3XOVtr54簇10`C化量之间偏差的一个系数。4某厂Cr-Mo钢回火脆性的检验结果上式满足要求时，说明材料无回火脆化倾向。某厂评定Cr-M。钢回火脆性的脆化处理工80年代评定临氢反应器用Cr-Mo钢回火艺，采用的是目前国内外广泛使用的美国Socal脆性的a系数为1.590年代的a系数为2.5。由公司第一号处理工艺(图)。于步冷脆化与长期操作后的脆化有很好的关联某厂Cr-Mo钢回火脆性的检验结果见表性，而步冷脆化仅占产生长期失效后所预期的总2e脆化量的一部分，完全避免临氢反应器用Cr一表2某厂Cr-Mo钢回火脆性的检验结果初始韧性步冷脆化韧性Vtr54AVtr54Vtr54+2.5X材料名称厚度部位℃亡AVtr54('C)头1CrO.5MoSi191,230,248216,255,203一3一73.5尾188,209,231210,179,194一2头12Cr1MoR14244,230,225214,234,219头60202,197,205172,219,172一42.5头2.25Cr一1Mo261,272,273210,230,246尾239,233,233258,293,273一50.5头lOCrMo910293,292,292283,288,288一1一69.5尾294,294,284291,279,286一3一72.5由表2可知:某厂生产的Cr-Mo钢板，经最5结论小焊后热处理和最小焊后热处理加步冷处理后都5.1合理的成分设计、严格控制P,Sn,Sb和As具有较高的初始韧性值，且数值相当。步冷前的等有害元素含量和适当的热处理工艺是获得CrVtr54均小于一50'C，步冷后与步冷前的Vtr54-Mo钢低回火脆性及最佳综合性能的基础。之差值△Vtr54较小，Vtr54+2.5XOVtr54值远5.2工业生产中，常用步冷脆化法来评定材料的低于簇38℃要求。亦满足Vtr54+3XOVtr54簇回火脆化倾向。应根据设计要求和材料对步冷脆10℃的要求。说明该厂已掌握生产高温、抗氢用化工艺的敏感性来合理选用Cr-Mo钢步冷脆化Cr-Mo钢有关成分设计、有害元素控制及冶炼工艺及判定公式。技术、加热轧制控制、热处理工艺控制、回火脆性5.3该厂生产的Cr-Mo钢具有低的回火脆性评定等关键技术。和良好的综合性能。万方数据