热处理对3.5Ni钢低温韧性的作用.pdf

第 2 6卷第 6期 2 0 0 8 年1 1 月 物理测试 Ph y s i c s Ex a mi n a t i o n a n d Te s t i n g Vo 1 2 6 No 6 No v 2 00 8 热处理对 3 5 Ni 钢低温韧性的作用 李建华 习天辉 陈 晓 1 武汉科技 大学 湖北 武汉 4 3 0 0 8 1 2 武钢研究 院 湖北 武汉 4 3 0 0 8 0 摘 要 介绍 了 3 5 Ni 低 温钢 的热处理工艺 对力学性 能和微 观组织结 构影 响的试验 内容 结果表 明 热轧 状态 的 3 5 N i 低温钢进行热处理 可以进一步细化 晶粒 和调整组 织 提高综合 力学性 能 8 5 0 正 火及 8 5 0 正火 6 0 0 回火处理均可 以得 到比较 理想的低温韧性 关键词 3 5 Ni 钢 热处理 低 温韧性 中图分类号 T GI 1 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 7 7 2 0 0 8 0 6 0 0 0 9 0 4 Ef f e c t o f He a t Tr e a t me n t o n Lo w t e mpe r a t u r e To u g h ne s s o f 3 5 Ni S t e e l LI J i a n h u a XI Ti a n h u i CHEN Xi a o 1 Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Wu h a n 4 3 0 0 8 1 Hu b e i C h i n a 2 R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t C e n t e r o f Wu h a n I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p Wu h a n 4 3 0 0 8 0 Hu b e i C h i n a Ab s t r a c t The e f f e c t o f he a t t r e a t me nt p r o c e s s on me c ha ni c a l p e r f o r ma nc e a n d mi c r os t r u c t ur e o f 3 5Ni l o w t e mpe r a t u r e s t e e l wa s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e h e a t t r e a t me n t o f r o l l e d 3 5 Ni l o w t e mp e r a t u r e s t e e l c a n i mp r o v e t h e me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e b y f i n i n g g r a i n s i z e a n d a d j u s t i n g mi c r o s t r u c t u r e Ex c e l l e n t l o w t e rn p e r a t u r e t o u g h n e s s c a n b e g a i n e d b y 8 5 0 n o r ma l i z e d o r 8 5 0 n o r ma l i z i n g f o l l o we d b y 6 0 0 t e mp e r i n g Ke y wo r d s 3 5 Ni s t e e l h e a t t r e a t me n t l o w t e mp e r a t u r e t o u g h n e s s 通常将各种液化石油气 液氨 液氧 液氮等 生 产 储存容器和输送管道 以及在寒冷地 区服役的设 备 称为低温容器 制造这些容器所用的钢 统称为低 温钢 低温钢一般分为无镍钢和有镍钢 无镍钢一般 指细晶粒钢和低温高强度钢 其使用温度 在一6 0 以上 有镍钢是指在钢中加人合金元素镍 使其固溶 于铁素体 使基体 的低温韧性得到显著 的改善 改变 体心立方晶格的金属材料共有的低温转脆现象 其使 用温度可以达到一1 9 6 以下 随着石化工业 的发 展 新工艺 新设备不断出现 气体的液化 分离 贮运 及应用在各国已很普遍 这些低温技术和设备的开发 促 进 了低温压力 容器用 钢的发展 l 1 q 目前 有 能力 生 产 含镍 低 温 钢 的 主要 有 日本 美 国等 少 数 国 家 我 国 自行 研 制 的 一 7 O 级 的 0 9 Mn Ni D R属镍 系低 温 钢 具 有 良好 的低 温 韧 性 和 焊接性 在乙烯 化肥 城市煤气 二氧化碳等低温 装置中得到了广泛 的应用 逐渐替代进 口低温钢材 但是 含镍量在 3 5 9 o 4的低温钢在我国 目前 只 是制订了相关产品标准 工业性生产还不成熟 我国 至今仍进 口设备或进 口钢材在国内制造 其 中 用 量较大 的为一1 0 0 级 的 3 5 Ni 钢 国内有些钢厂 也曾组织过研制 但 由于冶炼 轧制和热处理技术难 度较高 且钢用量又较小 未能成功 5 武钢于 2 0 0 5年也 开展 了 3 5 Ni 低温钢的研 制 工作 目前 已经进入工业试制阶段 文章介绍热处 理工艺对 3 5 Ni 钢低温韧性影响的研试工作 1 试 验 过 程 1 1 化 学成分 根据 3 5 Ni 低温钢的相关标准 试验钢在 c S i Mn P S Ni 等基本元 素外 添加 了微量 的合 金元素 Mo Ti Nb C u 其化学成分 质量分数 见 表 1 表 1 3 5 N i 钢化学成分 Tab l e 1 Che mi c a l c o mpo s i t i o n o f 3 5Ni s t e e 1 C Si M n P S Ni M o Ti Nb Cu 0 0 4 0 2 5 0 6 5 0 0 1 O 0 0 5 3 6 0微量 微量 微量 微量 1 2 冶 炼轧 制工 艺 试验钢采用工业纯铁在研究 院中试工场 5 O k g 作者简介 李建华 1 9 6 6 一 男 博士生 高级工程师 E ma i l j i a n h u a l i 1 6 3 c o rn 修 订 日期 2 0 0 8 0 7 1 8 1 O 物理测试 第 2 6卷 真空感应 电炉冶炼 5 0 0 m13 l 的两辊轧机上进行轧 制 加热温度 l 2 0 0 保温时间 2 h 开轧温度 1 i 0 0 1 0 7 0 终轧 温度 8 6 0 前 4道 次 采用 大 压 下 压下量为 2 0 3 0 mm 最后一道次待温轧制 压 下率为 2 O 终轧后空冷 轧制成的试验钢板尺寸 为 1 6 mm 2 O O mm L mm 1 3热处 理工 艺 根据 文 献 9 介 绍 的 经验 公 式 A 一 二9 1 0 2 0 3 C寺 4 4 7 S i一 1 5 2 Ni 3 1 5 M o 1 0 4 V 一 3 0 M n 1 1 Cr 2 0 Cu 一 7 0 0 P一 4 0 0 Al 一 1 2 0 As 一 4 0 0 r r i 计算 出 3 5 Ni 钢 的 A 温度为 7 9 7 oC 实验 室 在 T h e r me c ma s t o r Z型热模拟试验机上 根据标 准 YB T 5 1 2 7 9 3钢 的 临界 点 测 定 方 法 膨 胀 法 的要 求 进行 了升温和降温过程 的相变温度测试试验 升 温和降温速率均为 0 0 5 o c s 实测 3 5 Ni 钢的 A 温度为 7 8 7 o C 因此 热处理工艺制定为 正火处理 8 3 0 o C和 8 6 0 o C 回火处 理 6 0 0 o C和 6 3 0 o C 在 试 验 钢 板 热 处 理 完 毕 后 按 照 标 准 GB T2 2 9 1 9 9 4金属夏 比缺 口冲击试 验方 法 对其进行 了常温 一9 O 一1 1 0 和一1 3 O 低温冲击试 验 同时对试验钢热轧态 热处理态试样的显微组 织和析 出相进行 了观察和分析 并且采 用 Qu a n t a 4 0 0型扫描电镜对试验钢 的等效 晶粒尺 寸进 行 了 E B S D分 析 2 试 验 结果 2 1 力学性 能试 验 对试验钢按标准要求取横向拉伸和冲击试样进 行力 学性 能试 验 结 果见 表 2 表 2 3 5 N i 钢力学性能试验 结果 Ta bl e 2 Te s t e d r e s u l t s o f me c ha n i c a l pr op e r t i e s f o r 3 5Ni s t e e l 注 表 不 冲击 功 均 值 2 7 J或 单 值 1 8 J 试验结果表明 所有试样的屈服强度 抗拉强度 均符合标准要求 所有试样 的延伸率均符合标准要 求 但热轧态试样余量不大 热轧态试样一i i 0 冲 击功不符合标准要求 热处理态试样一1 1 0 o c冲击功均 符合标准要求 且余量较大 8 6 0 o C热处理试样的冲 击功较 8 3 0 o C热处理试样的冲击功高 2 2组织 结构及 晶粒 尺寸 观察 对试验钢热轧态 热处理态试样进行 了金相显 微组织观察 并且采用 J E M2 1 0 0 F型透射电镜分析 了其析出相特征 同时采用 Qu a n t a 4 0 0型扫描 电镜 对其等效晶粒尺寸进行了 E B S D分析 结果见表 3 表 3 3 5 N i 钢 金相 组织分析 Ta bl e 3 Ana l y s i s o n m i c r o s t r u c t u r e o f 3 5Ni s t e e l 注 F P B M S分别表示等轴铁 素体 珠光体 贝氏体 含针状 F M 岛 S岛等 马 氏体和索氏体 第6期李建华 热处理对3 5N i钢低温韧性的作用 a 试样0 b 试样2 c 试样5 d 试样6 图1试样 的组织 F i g 1Mierostructure ofsamples 以上结果表 明 试验钢 热 轧态和热处理态 的显 微组织均 为贝氏体及少量铁素体和珠光体混合组 织 830 热处理后 细小的等轴铁 素体比例有所 增加 经正火或正火 回火 处理后 组织 得以明显 细化 等效晶粒尺寸变 小 但正火温度太高 超 过 860 oC 晶粒尺寸反而变大 回火温度对 晶粒尺寸 的影响不大 此外 经热处理后 析出相数量增加 尺寸变小 分布更均匀 3 分析讨论 据有关资料介绍 1 日本产S L T3N28成品钢 板 相当于3 5Ni钢 A 一 为 228J 在实验室经 热成形加热循环后 其强度及 塑性仍在标准要求的 范围内 但其低温冲击功 的变化出现较大的差异 热 成形后低温冲击功急剧下降 以至 于达 不到标准要 求的最低值 从试验结果中反映出这种钢板正火 回火 的供货态热处理规 范使钢板 的低温韧性 得 到了 最佳体现 其实质因素是供 货态 的热处理已经将钢 板 的微观组织结构 主要是晶粒度及其亚结构 调整 到了近乎最佳的状 态 其它任何破 坏该状 态 的热过 程必然会造成低温韧性的损失 像热成形 这样 的加 热过程 通常在 950 1000 会彻底破 坏供货态 钢板的微观组织结构 尤其是 晶粒严重长大 导致低 温冲击功的恶化 热成形后 的正火热处理对低温韧 性虽然有所改善 但改善的幅度不大 远 远达 不到理 想要求 适当的正火 回火热处理可大幅度改善低 温韧性 使其低温韧性 表现最佳 该文认为 3 5Ni 钢板经热轧后 采用正火 回火热处理来 提高低温 韧性是十分必要 而又非 常有效的 其有 效的正火 回火规范比较宽 在实际应用中 应根据钢板 的碳 含量对参数作适当调整 以获取最佳效果 本 文介 绍 的试验钢经830 热处理 包括正火 正火 回火处理 后 试样 的晶粒尺寸比热轧态试样 的晶粒明显细小 7 92弘m 5 01 5 1 3 肛m 但 860 热处理 包 括正火 正火 回火处理 试样的 晶粒比830 热处理试样的晶粒 略微长大 5 01 5 1 3 m 5 24 5 32 ur n 正火处理后 试样 中等轴铁 素体比例增加 正火 温度越高 等轴铁素体含量增加越多 回火温度对组 织类型 无明显影响 热处理后 试样 中的第二相质点析出数量增加 正火温度越高 析出相尺寸越小 回火处理后 析出 1 2 物理 测试 第 2 6卷 相尺寸有更细小 弥散的趋势 试验钢所有热处理试样 的力学性能均符合规范 要求 其 中正火态试样和 8 3 0 正火 6 3 0 回火 8 6 0 正火 6 0 0 回火试样 的低温韧性还能满足 一 1 3 0 的要求 4 结 论 1 3 5 Ni 试 验钢 热轧 状态 的显微 组织 不均 匀 晶粒粗大 析出相基本上为 1 0 0 r i m 以上 的大尺 寸颗粒 且数量较少 这种 显微组织不利于该钢所 要求的低温韧性 2 适当的热处理对提高 3 5 Ni 钢板 的低温韧 性十分有效 其 中 8 5 0 o C正火处理及 8 5 0 正火 6 0 0 回火处理均可以得到比较理想的低温韧性 参考文献 E l i 陈晓 秦 晓钟 高性能压力 容器和 压力钢管用 钢E M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 7 2 机械工程手册编写组 机械工程手册 第二 版 M 北京 机械 工业 出版社 1 9 9 6 r 3 AS M I n t e r n a t i o n a l Ha n d b o o k C o mmi t t e e Me t a l s Ha n d b o o k M P r o p e r t i e s a n d S e l e c t i o n I r o n S t e e l s a n d Hi g h P e r f o r ma n c e Al l o y s Ma t e r i a l s Pa r k AS M Pr e s s 1 9 9 0 4 王永大 谢仕柜 低合金钢焊接基 本数据手 册 M 北京 冶金 工业 出版社 1 9 9 8 E s 张勇 低温压力容器用钢 的现状与发展 概况 J 压力容 器 2 0 0 6 2 3 4 3l 6 日本标 准 J I S G 3 1 2 7 1 9 7 7 低温压力容器用镍钢钢板I s 7 美 国标准 S A一 2 0 3 S A 一 2 0 3 M 压力容器用镍合金钢板 s 8 中国 C C S 1 9 9 6钢质海船人级与建造规 范 s E 9 A n d r e ws K W Emp i r i c a l F o r mu l a e f o r S o me Tr a n s f o r ma t i o n T e mp e r a t u r e s J J o u r n a l o f t h e I r o n a n d S t e e l I n s t i t u t e 1 9 65 2 0 3 7 7 2 1 1 0 1徐道荣 李平瑾 3 5 N i 钢 的热成形工艺试验研究 J 压力容 器 1 9 9 9 1 6 3 1 1 I 石 石 l 石 君 石 l e名 峪 上 接 第 8页 板厚较薄 再结 晶完成时间相对缩短 变形量大 畸 变能大 再结晶退火动力较大 经退火后 的退火板 晶 粒粗 大 2 相对于低 的冷轧压下率而言 高 的冷轧压 下率使钢板延伸率和 BH 值和 值有所增加 屈服 强度和抗拉强度有所降低 r 值先降低后升高 3 经过 3种压下率 的冷轧板织构 均具有较 高 1 l 1 退火后使 1 1 1 织构 明显 增强 因此均具有较高的 r值 7 O 冷轧压下率的 退火板