熱處理避免和消除20鋼厚壁高壓管應(yīng)變時效脆化實驗研究

1、熱處理避免和消除 20 鋼厚壁高壓管應(yīng)變時效脆化實驗研究Exp e ri me nt al St udy o n Eli mi nati ng a nd Preve nti ng 20 St eelThic k2wall Hi g h Pre s s u re Pip e s f ro m St rai n A gi ngEm b rit t le me nt wit h Heat Treat me nt李夢麗1 ,2 ,王威強1 ,2 ,李愛菊2 ,3 ,崔好選1 ,2 ,陳忠友4(1 山東大學(xué) 機械工程學(xué)院 ,濟南 250061 ;2 山東省特種設(shè)備安全 工程技術(shù)研究中心 ,濟南 2500

2、61 ;3 山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 濟南 250061 ;4 浙江工業(yè)大學(xué) 化工設(shè)備廠 ,杭州 310014)L I Me ng2li1 ,2 , WA N G Wei2qia ng1 ,2 ,L I Ai2j u2 ,3 ,CU I Hao2xua n1 ,2 ,C H EN Zho ng2yo u4(1 Sc hool of Mecha nical Engi nee ri ng , Sha ndo ng U niver sit y ,J i na n 250061 ,Chi na ;2 Engi nee ri ng a nd Tech nolo gy Re sea rch Ce

3、nt e r fo r Sp ecial Equip me nt Saf et y of Sha ndo ng Pro vi nce ,J i na n 250061 ,Chi na ;3 Sc hool of Mat e rial Scie nce a nd Engi neeri ng , Sha ndo ng U nive r sit y ,J i na n 250061 ,Chi na ;4 Facto r y of Che mical Equip me nt , Zhejia ng U nive r sit y of Tec h nolo gy , Ha ngzho u 310014

4、,Chi na)摘要 : 以 Cha rp y V 型缺口沖擊吸收能量為應(yīng)變時效脆化評價指標(biāo) ,研究采用工程中常用的熱處理方法對應(yīng)變時效脆化避免和消除的效果 ,使用光學(xué)顯微鏡 、S EM 和 T EM 觀察試樣組織形貌 ,探討了各種熱處理下的材料微觀組織變化 。結(jié) 果表明 :采用的 20 鋼厚壁高壓管軋制過程中已發(fā)生應(yīng)變時效脆化 ,后續(xù)的預(yù)制更加加重了管子的應(yīng)變時效脆化程度 ;不同熱處理方法避免和消除應(yīng)變時效脆化效果不同 ,其中以正火加高溫回火效果最佳 ;變形度對恢復(fù)材料的沖擊性能影響 顯著 ,預(yù)變形后是否時效對熱處理的效果沒有顯著影響 。關(guān)鍵詞 : 熱處理 ;20 鋼 ;應(yīng)變時效脆化 ;性能

5、恢復(fù)中圖分類號 : T G113 . 25文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A文章編號 : 100124381 (2011) 0120057207Abstract : St rai n a gi ng e mbrit t le me nt of 20 st eel t hic k2wall hi gh p re ssure pip e s i s a n i mpo r t a nt f acto rw hich ha s a great eff ect o n t he pip e lo ng2t e r m op e rati ng saf et y. Lo t s of heat t reat me nt

6、 s w hic h were co mmo nl y u se d i n e ngi neeri ng we re a dop t ed to eli mi nat e o r p reve nt t he st rai n a gi ng brit t le ne ss. The eff ect of t he t reat me nt s wa s eval uat e d by Cha rp y V2no tc h i mp act a b so rp tio n e ner gy . Micro st r uct ure a nd f ract ure of sp eci me n

7、 mo rp holo gie s we re o b ser ve d by op tical micro scop y , sca nni ng elect ro n micro s2 cop y a nd t ra n smi ssio n elect ro n micro scop y. Micro st r uct ure c ha nge of mat e rial s af t er diff ere nt heatt reat me nt s wa s al so di sc u sse d. The re sult s sho w t hat t he st rai n a

8、gi ng e mbrit t le me nt co me s i nto bei ng i n rolli ng p roce ss a nd i s e nha nced duri ng t he be nd2fo r mi ng p roce ss of t he pip e s. Diff e re nt heat t reat2 me nt s have diff ere nt eff ect s to eli mi nat e o r p reve nt t he st rai n a gi ng brit t le ne ss , a mo ng w hic h no r ma

9、li2 zi ng p l u s hi gh t e mp erat ure t e mp e ri ng i s mo st eff ective . The defo r matio n de gree ha s a si gnifica nt eff ect o n reco veri ng t he i mp act p rop er tie s of mat e rial s a nd w het he r a gi ng o r no t af t er p re2defo r matio n doe s no t ha ve si gnifica nt eff ect o n

10、t he heat t reat me nt efficie ncy.Key words :heat t reat me nt ; 20 st eel ; st rai n a gi ng e mbrit t le me nt ; p rop e rt y reco ve r y0 . 008 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù) ,下同) 以下 ,這明顯高于碳鋼不發(fā)生應(yīng)變時效的最高含氮量 1 ,存在發(fā)生應(yīng)變時效脆化 的成分條件 。其次 , GB6479 2000 允許“熱軋管終軋溫度符合正火溫度時 ,可以代替正火”,如果軋制工藝20 鋼厚壁高壓管在我國被廣泛用于化肥 、電力 、石油化工等行業(yè) ,一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題覆

11、蓋面大 、影響嚴(yán) 重 。首先 ,依照我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) GB6479 2000高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管的要求 , 20 鋼的含氮量應(yīng)控制在58材料工程 / 2011 年 1 期控制不嚴(yán) ,很難保證鋼管終軋時的溫度達(dá)到正火條件 ,極易產(chǎn)生所謂的“高溫動態(tài)應(yīng)變時效脆化”現(xiàn) 象 。第 三 , H31 67高壓管 、管件及緊固件通用設(shè)計技術(shù)條 件等要求彎曲半徑小于管子外徑 5 倍時 ,應(yīng)對預(yù)制過 的管子進(jìn)行去應(yīng)力退火 ,但在實際預(yù)制過程中 ,彎曲半徑更小時也不進(jìn)行去應(yīng)力退火 ,甚至有時為了便于彎 制 ,彎制過程中有伴熱 ,這樣做極易因所謂的溫加工條 件而發(fā)生應(yīng)變時效脆化 。尤其按照 GB/ T20801 .

12、4 2006壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第 4 部分 :制作與安裝 的規(guī)定 ,冷成形或冷彎后 ,當(dāng)成形應(yīng)變率大于 5 %時應(yīng)按要求進(jìn)行熱處理 ,則更多的管子預(yù)制時未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) 要求 。最后 , GB6479 2000 依然使用 U 型缺口沖擊 實驗檢測管材沖擊吸收能量 ,這是在低沖擊吸收能量 下非常不敏感的實驗方法 。近幾年我國發(fā)生多起 20 鋼管道脆斷事故 ,業(yè)已證明這些事故管發(fā)生了嚴(yán)重的應(yīng)變時效脆化 。目前全國合成氨和甲醇生產(chǎn)裝置約有670 套 。每套裝置中有 20 鋼厚壁高壓管 600 多米 ,全 國僅這一行業(yè)就有 20 鋼 厚 壁高 壓管 40 多 萬米 。因 此 ,避免和消除 20 鋼厚壁

13、高壓管加工過程中引起的 應(yīng)變時效脆化具有重要意義 。本工作采用工程 中 常用的熱處理 方 法 來 避 免 和 消 除 應(yīng) 變 時 效 脆 化 , 以 夏比 V 型缺 口 沖 擊 吸 收 能 量 為 應(yīng) 變 時 效 脆 化 評 價 指標(biāo) ,使用光學(xué)顯微鏡 、掃描電鏡和透射電鏡觀察試樣 的組織形貌 。1實驗方法實驗材料為未預(yù)變形 ( 此處“預(yù)變形”泛指管子的預(yù)制變形和實驗中對試樣施加的預(yù)拉伸變形) 與未熱 處理的 <273 mm ×40 mm 20 鋼厚壁高壓管直管和彎管 (包括彎管的直邊段 、外彎側(cè)和內(nèi)彎側(cè)) 。彎管的彎曲半徑為管外徑的 2 倍 。根據(jù) GB/ T 20801 2

14、006 計算 彎 管 外 彎 側(cè) 軸 向 最 大 應(yīng) 變 率 為 25 % , 內(nèi) 彎 側(cè) 為- 25 % ,考慮實際取樣點的位置后 ,彎管外彎側(cè)沖擊試 樣取樣點軸向應(yīng)變率均值為 24 % ,內(nèi)彎側(cè)為 - 24 % 。 根據(jù)工程中常用的熱處理方法 ,變換預(yù)變形前的熱處理狀態(tài)和是否預(yù)變形及預(yù)變形后的熱處理狀態(tài) , 分別設(shè)置了 63 組實驗 ,每組實驗加工 3 個夏比 V 型 缺口沖擊試樣 ,測得 3 個沖擊吸收能量值 。熱處理詳 細(xì)參數(shù)見表 1 , 所 有 試 樣 均 沿 管 子 或 管 件 縱 向 取 樣 。 沖擊實驗完成后選取其中有代表性的試樣進(jìn)行金相 、掃描和透射電鏡觀察分析 。表 1 熱

15、處理參數(shù)設(shè)置Table 1 The pa rameter s set ting of heat t reat ment p roce sse s Heat t reat me nt p roce ss St re ss reliefRecr yst allizatio nU nderPara met erAgi ngFull anneali ngNo r malizi ng a nneali ng a nneali ng a n neali ng Heati ng t emperat ure/ Heati ng rat e/ ( ·h - 1 ) Hol di ng ti me/ m

16、i n250 ±210060590 ±2100120Ai r2cooled af t erf ur nace cooli ng635 ±2100120Ai r2cooled af t er f ur nace cooli ngto 200 890 ±210090Ai r2cooled af t er f ur nace cooli ngto 300 775 ±210090Ai r2cooled af t er f ur nace cooli ngto 300 910 ±210090Ai r2cooledAi r2cooledCooli

17、 ng t o 200 No t e : The heat t reat ment t e mp erat ure of t he bend pipe s i s st ress relief a nneali ng 6302650 ,under anneali ng 750 ,a nd no r malizi ng 9002930 re2sp ectivel y .實驗結(jié)果及分析討論GB5310 2008高壓鍋爐用無縫鋼管、GB713 2008鍋爐和壓力容器用鋼板和 GB6479 2000 。下述各 圖中以 S T 表 示 20 鋼 沖 擊 吸 收 能 量 的 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 值 。 熱處理

18、 、預(yù)變形和時效的符號說明見表 2 。22 . 1沖擊實驗結(jié)果及分析不同溫度下 20 鋼的標(biāo)準(zhǔn)沖擊吸收能量值分別見表 2 熱處理 、預(yù)變形與時效的符號說明Ta ble 2 The expla natio n of t he symbol s of heat t reat ment , p re2defo r matio n a nd agingb Thi s heat t reat ment i s hi gh t emperat ure t e mperi ng w hen it follo w s af t er o t her heat t reat ment .© 1994-

19、2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Symbol The so rt of experi mentSymbol The so rt of experi mentSymbol The so rt of experi mentA Full a nneali ng a Agi ngI U nder a nneali ngN No r malizi ngO No heat t reat mento No p re2defo r matio nR Recr yst allizatio

20、n anneali ngS St re ss relief a nneali ng bs Pre2defo r matio n3Bend pip e s59熱處理避免和消除 20 鋼厚壁高壓管應(yīng)變時效脆化實驗研究2 . 1 . 1 預(yù)變形前不同熱處理的影響管子預(yù)變形前不同熱處理方法對材料沖擊吸收能 量的影響如圖 1 所示 , T 為沖擊實驗溫度 , KV 2 為沖擊吸收能量 。由圖 1 可見 ,實測的未熱處理直管 5 的沖 擊 吸 收 能 量 低 于 標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 。根 據(jù) GB/ T 229 2007金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法50 %上平臺 值確定的彎管直邊段韌脆轉(zhuǎn)變溫度為 - 6 ,

21、且沖擊吸 收能量只在 - 10 以上時符合標(biāo)準(zhǔn)要求 。兩段未熱處 理管子的沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于其正火和退火后的 ,說 明兩管軋制后都沒有按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正火或終軋溫度低于正火溫度 。沖擊吸收能量很低的原因很可能是軋制過 程中發(fā)生了高溫動態(tài)應(yīng)變時效脆化現(xiàn)象 2 或加工硬化 現(xiàn)象 。直管正火后 ( No ) 25 沖擊吸收能量為 146 . 5J , 同樣條件下 10 %預(yù)制變形后 ( N sO ) 25 沖擊吸收能 量為 130 . 3J ,兩者基本無差別 , 可以排除加工硬化的影響 。當(dāng) 前 煉 鋼 技 術(shù) 可 控 制 含 氮 量 在 0 . 005 % 01 006 % 1 ,實測管材達(dá) 0 . 0

22、09 %以 上 , 存在 發(fā)生 應(yīng)變 時效的成分條件 ; 在 20 300 時 , 溫度升高 , 時效過 程加速 3 ,出現(xiàn)應(yīng)變時效的時間縮短 ,甚至在不到 1 h 即出現(xiàn)最大的應(yīng)變時效量 4 ,5 , 管子 軋 制時 存在 發(fā)生應(yīng)變時效的溫度和時間條件 。彎管直邊段的沖擊吸收 能量高于直管的原因是由于兩管的碳氮含量和終軋溫 度存在差異 。圖 2 預(yù)變形前未熱處理管子不同變形度和熱處理方法下的沖擊吸收能量( a) T = 10 ; ( b) T = - 10 ; (c) T = - 20 Fig . 2 Eff ect s of diff erent p re2defo r matio n d

23、egree and heat t reat ment met ho ds o n t he i mp act a b so rp tio n ener gy of t he pip e s wit ho ut heat t reat ed befo re p re2defo r matio n( a) T = 10 ; ( b) T = - 10 ; (c) T = - 20 圖 1 管子預(yù)變形前不同熱處理方法對沖擊吸收能量的影響Fi g. 1 Eff ect s of diff erent heat t reat ment met ho ds o n t he i mp act a b so

24、 rp tio n ener gy of t he pipe s befo re p re2defo r matio n沖擊吸收能量逐漸降低 ,10 , - 10 和 - 20 時沖擊吸收能量符合標(biāo)準(zhǔn)要求的變形度分別小于 17 % , 0 %和- 5 % 。10 和 - 10 時去應(yīng)力退火可以提高整個變 形度范圍內(nèi)的沖擊吸收能量 (見圖 2 ( a) , ( b) ) , - 20 時可以提高大于 - 10 %變形度的沖擊吸收能量 ( 見圖2 (c) ) 。不完全退火效果不如去應(yīng)力退火 ,提高了大變形度的沖擊吸收能量 ,降低了小變形度的沖擊吸收能 量 ,10 和 - 10 在部分條件下滿足標(biāo)準(zhǔn)

25、要求 , - 20 時無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求 。預(yù)變形后正火與去應(yīng)力退火的 變化趨勢相同 ,在變形度約大于 - 20 %時可以極大提 高管子的沖擊吸收能量 ;在約小于 - 20 %時 ,管子的沖 擊吸收能量低于未熱處理的 , 但 是都 滿 足標(biāo) 準(zhǔn)要 求 。此外 ,從圖 1 可以看出 ,兩管經(jīng)完全退火 、正火和去應(yīng)力退火可以消除應(yīng)變時效脆化 ,熱處理尤以正火 為佳 。2 . 1 . 2變形度和變形后不同熱處理的影響圖 2 為管子預(yù)變形前未熱處理 ,不同變形度和熱 處理對沖擊吸收能量的影響 , e 為試樣的變形度 。預(yù) 變形前未熱處理管子隨實驗溫度降低和變形度增大 ,© 1994-2014

26、China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 60材料工程 / 2011 年 1 期預(yù)變形后正火加高溫回火更進(jìn)一步提高了管子正火后的沖擊吸收能量 ,尤其是明顯提高了變形度為負(fù)值的 沖擊吸收能量 。預(yù)變形后去應(yīng)力退火 、正火和正火加高溫回火都 可以提高預(yù)變形前未熱處理管子的沖擊吸收能量 。去應(yīng)力退火的管子 KV 2 在 - 10 以上時可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) 要求 ,但是在 - 20 時只能在部分變形度范圍內(nèi)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 ;正火和正火加高溫回火的管子 KV 2 在實驗 范圍內(nèi)都可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 。2 . 1

27、 . 3應(yīng)變時效前不同熱處理的影響 管子預(yù)變形前不同熱處理及隨后應(yīng)變時效對沖擊吸收能量的影響如圖 3 所示 ,實驗溫度為 5 。可以看出 ,預(yù)變形前未熱處理管子雖然存在動態(tài)應(yīng)變時效 脆化現(xiàn)象 ,隨后進(jìn)一步應(yīng)變時效的沖擊吸收能量仍繼 續(xù)降低 ,說明軋制時的管子未達(dá)到脆化峰值 ;管子預(yù)變形前不完全退火與未熱處理的沖擊吸收能量基本沒有 差異 ,而完全退火和正火處理后的沖擊吸收能量大幅 度提高 ,遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求 ,說明必須保證管子軋制后處 于后兩種熱處理狀態(tài) ; 管子這兩種熱處理或不做熱處 理狀態(tài)下應(yīng)變時效的沖擊吸收能量基本相同 ,說明管子后續(xù)應(yīng)變時效脆化的發(fā)生不能只依賴于之前的熱處 理來完全避免 ,

28、必須再次進(jìn)行熱處理才能保證其韌性 。圖 4 未熱處理管子不同變形度對沖擊吸收能量的影響Fi g. 4 Eff ect s of diff erent p re2defo r matio n degree o n t he i mp act a bso rp tio n ener gy of t hepipe s wit ho ut heat t reat ed2 . 1 . 5 高溫回火前熱處理和變形度的影響圖 5 所示為管子預(yù)變形前不同熱處理和不同預(yù)變 形后高溫回火對沖擊吸收能量的影響 。可以看出 ,實 驗溫度大于 - 15 時 ,預(yù)變形前未熱處理彎管的沖擊吸收能量隨變形度的增大而降低 ,這

29、與圖 4 所揭示的 預(yù)變形前未熱處理管子沖擊吸收能量隨實驗溫度和變 形度的變化規(guī)律相同 。預(yù)變形前未熱處理 10 %變形 度直管的沖擊吸收能量與 24 %變形度彎管外彎側(cè)的 基本相同 ,再次說明彎管的性能要優(yōu)于直管的 。預(yù)變形前熱處理為不完全退火或完全退火時 ,只會使預(yù)變 形管子高溫回火的沖擊吸收能量降低而達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要 求 。預(yù)變形前正火熱處理 ,可以極大地提高預(yù)變形管 子高溫回火的沖擊吸收能量 。圖 3 預(yù)變形前不同熱處理及應(yīng)變時效對沖擊吸收能量的影響Fig . 3 Eff ect s of diff erent heat t reat ment met ho ds befo re p re

30、2defo r matio n a nd st rai n agi ngo n t he i mp act a bso rp tio n ener gy2 . 1 . 4 變形度對未熱處理管的影響預(yù)變形前未熱處理管子不同變形度對沖擊吸收能 量的影響如圖 4 所示 。可以看出 ,隨實驗溫度 T 升高 和變形度 e 減小 ,管子的沖擊吸收能量逐漸提高 ,只是在 1520 和變形度小于 - 15 %時 ,沖擊吸收能量不再是單調(diào)升高而是稍有降低 。說明管子發(fā)生應(yīng)變時效 脆化的程度與變形度和實驗溫度直接相關(guān) 。因此 ,提 出避免管材應(yīng)變時效脆化方法需要考慮管子的變形度和使用溫度 (即本工作的實驗溫度)

31、。圖 5 管子預(yù)變形前不同熱處理和不同預(yù)變形后高溫回火對沖擊吸收能量的影響Fig . 5 Eff ect s of st ress relief anneali ng af t er diff erent heat t reat ment s befo re p re2defo r matio n a nd diff erentp re2defo r matio n degree s o n t he i mpactab so rp tio n ener gy of t he pip es© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Pu

32、blishing House. All rights reserved. 61熱處理避免和消除 20 鋼厚壁高壓管應(yīng)變時效脆化實驗研究2 . 1 . 6變形前熱處理和變形后退火溫度的影響圖 6 為預(yù)變形前不同熱處理管子經(jīng)室溫 10 %預(yù) 變形 ,再經(jīng) 590 高溫回火或 635 再結(jié)晶退火后的沖 擊吸收能量 ?？梢钥闯?,預(yù)變形前熱處理是影響預(yù)變 形后經(jīng)去應(yīng)力或再結(jié)晶退火恢復(fù)材料沖擊吸收能量的關(guān)鍵因素 ,其影響的優(yōu)劣程度依次為正火 、未熱處理 、 完全退火和不完全退火 ,而且其中完全退火或不完全 退火會潛伏后續(xù)預(yù)變形以及熱處理無法恢復(fù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) 要求的沖擊吸收能量的可能 。2 . 1 . 7正火

33、管預(yù)變形后不同退火及時效的影響表 3 為正火管預(yù)變形后不同退火及時效的沖擊吸 收能量 。可以看出 ,預(yù)變形后管子的沖擊吸收能量沒 有顯著下降 ,而高溫回火或再結(jié)晶退火都可以使沖擊 吸收能量有所恢復(fù) ,且時效后也不會發(fā)生脆化 。該規(guī) 律有待在更寬廣的實驗溫度范圍內(nèi)得以證明 。圖 6 管子預(yù)變形前不同熱處理和 10 %預(yù)變形后退火溫度對沖擊吸收能量的影響Fi g. 6 Eff ect s of a nneali ng t emperat ure af t er diff erent heat t reat ment s befo re p re2defo r matio n and 10 % p

34、re2defo r matio n o n t he i mpactab so rp tio n ener gy of t he pip es表 3 正火管預(yù)變形后不同退火及時效的沖擊吸收能量/ JThe imp act a bso rp tio n ener gie s of t he pip e s no r malized befo re p re2defo r matio n a nd diff erent a nnealing a nd aging af ter p re2defo r matio n/ JTa ble 3Heat t reat ment symbolTe st t

35、e mp erat ure/ NoN sON sSN sRN sSaN sRa525119 . 3146 . 5-130 . 3114 . 3-98 . 3-138-136 . 32 . 1 . 8正火管應(yīng)變時效后不同退火及時效的影響表 4 為正火管應(yīng)變時效后不同退火及時效的沖擊 吸收能量 ?？梢钥闯?,應(yīng)變時效后管子的沖擊吸收能量顯著下降 ,降至室溫下標(biāo)準(zhǔn)要求值的 1/ 3 左右 ,高溫回火或再結(jié)晶退火都可以使沖擊吸收能量得到恢復(fù) ,且時效后也不會發(fā)生脆化 。同樣 ,該規(guī)律有待在更寬表 4 正火管應(yīng)變時效后不同退火及時效的沖擊吸收能量/ JTable 4 The impact a bso r

36、p tio n ener gie s of t he pip es no r malized befo re st rain aging and diff erent annealing a nd aging af ter st rai n aging/ JHeat t reat ment symbolTe st t e mperat ure / No N sO N saO N sa S N sa R N sa Sa N sa Ra 5119 . 3-13 . 3- 25 146 . 5 130 . 3 - 136 . 7 138 . 7 149 . 6 137 . 3 廣的實驗溫度范圍內(nèi)得以

37、證明 。2 . 2微觀結(jié)構(gòu)分析2 . 2 . 1管子預(yù)變形前未熱處理的金相組織如圖 7 所示 ,預(yù)變形前未熱處理直管的組織為細(xì) 晶粒鐵素體及珠光體 ,珠光體分布不均勻 ,存在比較嚴(yán) 重的帶狀偏析 ,導(dǎo)致性能不均 。帶狀組織對鋼的橫向 性能 ,特別是低溫韌性 、斷口分離 、止裂性能以及氫致 開裂有重要影響 6 。2 . 2 . 2管子預(yù)變形前不同熱處理的金相組織圖 8 為管子預(yù)變形前正火 、完全退火和不完全退 火的金相組織 。完全退火或正火溫度對熱處理效果的圖 7 預(yù)變形前未熱處理管子的光學(xué)金相Fig . 7 The op tical met allo grap hic st r uct ure

38、 of t he pipe wit ho ut p re2defo r med a nd heat t reat ed© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 62材料工程 / 2011 年 1 期影響 不 明 顯 , 所 以 完 全 退 火 溫 度 890 和 正 火 溫 度910 的不同可以忽略 7 。正火保溫 90 mi n 時組織完 全奧氏體化 ,冷卻過程中完全重結(jié)晶 ,冷卻速率快 ,成 核率高 ,晶粒細(xì)小 ,組織為均勻的鐵素體和細(xì)小的層片 狀珠光體

39、 ,見圖 8 ( a ) ; 完全退火態(tài)組織中仍有帶狀組織 ,見圖 8 ( b) ,說明加熱保溫時組織沒有完全奧氏體化 ,冷卻過程中部分再結(jié)晶 ,與正火相比 ,冷卻速率慢 ,再結(jié)晶過程中成核率低 ,未溶解的鐵素體晶粒繼續(xù)長 大 。不完全退火時珠光體和部分鐵素體再結(jié)晶 ,這個 過程中未溶解的那部分鐵素體也會繼續(xù)長大 。如圖 8 (c) 所示 ,晶粒極不均勻 ,鐵素體晶粒粗大 。晶粒尺寸及均勻性對時效沖擊性能有重要影響 7 。圖 8 未預(yù)變形管子熱處理后的光學(xué)金相組織 ( a) 正火組織 ; ( b) 完全退火組織 ; (c) 不完全退火組織Fi g. 8 The op tical met all

40、o grap hic st r uct ure s of t he pip es wit ho ut p re2defo r med a nd al t er nat el y heat t reat ed( a) no r malizi ng st r uct ure ; ( b) f ull a nneali ng st r uct ure ; (c) under a nneali ng st r uct ure去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火松弛了預(yù)變形中的內(nèi)應(yīng)力 ,晶粒相對比較均勻 ,沖擊吸收能有明顯提高 。2 . 2 . 3 管子預(yù)變形前正火 、正火后應(yīng)變時效及應(yīng)變時 效后高溫回火的結(jié)構(gòu)演化由

41、圖 2 (c) 、圖 5 、圖 6 、表 3 和表 4 可以看出 ,變形 管子輔以正火和高溫回火幾乎可以獲得最好的沖擊性 能 ,故而專注這一系列過程中管子材料組織尤其是珠 光體的微觀結(jié)構(gòu)變化 。圖 9 為管子預(yù)變形前正火態(tài)珠光體的微觀結(jié)構(gòu) ,呈現(xiàn)出較規(guī)則的層片狀形貌 。應(yīng)變時效時鐵素體中先 有位錯的運動及交互作用 ,形成初期的位錯纏結(jié) 。隨 著預(yù)變形的增加 ,在珠光體中滲碳體的界面上增殖位 錯 ,已增殖的位錯繼續(xù)向前運動 ,難以發(fā)生大變形量的 珠光體承受的應(yīng)力逐漸增大 ,共析鐵素體也在不斷發(fā)生塑性變形并傳遞著這種應(yīng)力集中 ,位錯不斷地滑移 塞積在滲碳體前面 ,使?jié)B碳體發(fā)生斷裂 8 。圖 10

42、充分 反映了這一形態(tài) 。珠光體在塑性變形中另一種形變位 錯結(jié)構(gòu)是共析鐵素體中形成位 錯胞 , 如 圖 11 箭 頭所 指 ,位錯胞壁是萌生顯微裂紋的有利位置 。預(yù)變形中共析鐵素體與珠光體的邊界必然產(chǎn)生塑性變形的不協(xié) 調(diào)現(xiàn)象 。預(yù)變形 10 %可以使邊界處出現(xiàn)的塑性變形 不協(xié)調(diào)程度大到內(nèi)應(yīng)力集中能夠使結(jié)合不強的界面分 離 ,出現(xiàn)微裂紋和微孔 8 。圖 12 為應(yīng)變時效后去應(yīng)力退火的組織 。去應(yīng)力退火是在臨界溫度 A 1 以下 , 珠光體內(nèi)部球形化需要 保溫很長時間 。預(yù)變形改變了內(nèi)部球形化過程 ,取消了內(nèi)部球形化過程的第一階段 ,即一些珠光體領(lǐng)域發(fā)生扭折 ,滲碳體直接破斷成小顆粒 ( 見圖 12

43、) ,這可以 加快內(nèi)部球形化速度達(dá)幾個數(shù)量級 。高溫回火或再結(jié)© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 63熱處理避免和消除 20 鋼厚壁高壓管應(yīng)變時效脆化實驗研究沖擊吸收能量不再發(fā)生脆化 ,說明氮原子沒有進(jìn)行擴散 ,本工作中實驗方法達(dá)到了與文獻(xiàn) 10 中 600 退 火 1 h 后急冷同樣的效果 ,應(yīng)變時效脆化的避免具有持 久性 。結(jié)論3(1) 材料的應(yīng)變時效脆化可 以 通過 正火 、完 全退火 、去應(yīng)力退火 、再結(jié)晶退火或兩種熱處理的組合來避 免和消除

44、,但是不同的熱處理方法效果不同 ,正火加高溫回火可以使材料獲得最好的沖擊性能 。變形度對恢 復(fù)材料的沖擊性能影響顯著 ,預(yù)變形后是否時效對熱 處理的效果沒有顯著影響 。(2) 管子預(yù)變形前正火處理能獲得均勻的珠光體 和鐵素體組織 ,珠光體內(nèi)部為均勻的層片狀結(jié)構(gòu) ;應(yīng)變時效后層片狀的珠光體結(jié)構(gòu)將發(fā)生嚴(yán)重的破碎 和扭 曲 ,同時在材料內(nèi)部會出現(xiàn)大量位錯胞 、微孔洞甚至裂 紋 ;去應(yīng)力退火后破碎扭曲的珠光體結(jié)構(gòu)向均勻分布 的球狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化 ,這一轉(zhuǎn)化顯著提高材料的沖擊性能 。圖 11 管子預(yù)變形前正火加應(yīng)變時效后的位錯胞和微孔洞 ( T EM)Fi g. 11 Di slocatio n cell s a nd micro2hole s i n t he pip e no r malized befo re p re2defo r matio na nd st rai n agi ng ( T EM)晶退火保溫 2 h ,珠光體已經(jīng)發(fā)生了輕度內(nèi)部球形化 ,內(nèi)部球形化組織已經(jīng)清晰可見 ,發(fā)生扭折的珠光體領(lǐng) 域中 ,內(nèi)部球形化