Table 1.12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢的化学成分
在制造过程中，压力容器设备多采用焊接成型，其焊接组织具有较高的内应力，在外力作用下，材料极易形成裂纹，危害很大，因此焊后需要对设备进行整体或局部热处理，以消除焊接残余应力，降低焊接接头的硬度，改善其力学性能。然而随着装置向大型化和复杂化发展，焊后热处理过程频繁，而且容器成型后无法再取样，因此为模拟容器在制造过程中所经历的所有焊后热处理过程，对进厂供货状态的钢板及锻件进行模拟焊后热处理，预先判断经过长时间热处理后的材料能否保持其应有的力学性能。笔者选取承压设备常用的12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢锻件为研究对象，讨论模拟焊后热处理制度对承压容器用钢组织和力学性能的影响。
1. 模拟焊后热处理制度
NB/T 47008—2017 《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》附录B附加要求中提到“力学性能试验前全部试样坯料应在低于临界温度下进行一次或多次热处理，这主要基于锻件产品在承压元件制造过程中会经受的焊后热处理或其他热处理”。模拟焊后热处理的保温时间分为最小模拟焊后热处理时间和最大模拟焊后热处理时间。最小模拟焊后热处理时间是根据制造过程中实际焊后热处理时间来确定的；最大模拟焊后热处理时间是几次焊后热处理时间和设备返修重新进炉所需要时间的总和，一般最大模拟焊后热处理时间是最小模拟焊后热处理时间的3~4倍。
根据JB/T 7556—1994 《热壁加氢反应器用2 1/4Cr-1Mo钢锻件技术条件》及承压设备常用技术要求，最大模拟焊后热处理条件为（690 ±5） ℃×26 h, 最小模拟焊后热处理条件为（690 ±5） ℃×8 h。
2. 试验材料
采用的承压设备用12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢的化学成分如表1所示，两种材料的化学成分均满足标准NB/T 47008—2017的要求。锻件的厚度为260 mm，供货状态均为正火+回火，供货态下组织均为回火贝氏体。
3. 试验结果
3.1 力学性能测试
利用万能试验机、金属摆锤冲击试验机、高温拉伸试验机及数显电子布氏硬度计对不同模拟热处理制度下的12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢进行力学性能测试，结果如表2，3所示。由表2，3可知：经模拟焊后热处理的12Cr2Mo1钢试样交货状态下具有较高的抗拉强度和屈服强度，随着模拟焊后热处理时间的延长，试样的常温抗拉强度、屈服强度均下降，断后伸长率变大，断面收缩率变化不大，高温（550 ℃）瞬时屈服强度下降，冲击韧性变大，硬度变小；14Cr1Mo钢试样的力学性能变化趋势与12Cr2Mo1钢试样相同。由此可见，对于厚度为260 mm的12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢锻件材料，模拟焊后热处理对其常温和高温拉伸性能影响较大；供货状态和模拟焊后热处理状态下两种材料的低温冲击韧性都较好，即使经历最大模拟焊后热处理，材料也没有表现出脆化现象。
Table 2.12Cr2Mo1钢不同模拟焊后热处理制度下的力学性能测试结果
Table 3.14Cr1Mo钢不同模拟焊后热处理制度下的力学性能测试结果
3.2 微观分析
采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)对12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢锻件材料热处理后的显微组织和碳化物分布进行分析。经最大模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理后，12Cr2Mo1钢试样的显微组织均为回火贝氏体，晶粒尺寸为10~30 μm，晶粒没有明显长大趋势（见图1，2）。显微组织中均有白色颗粒状合金碳化物析出，晶界和晶内均有碳化物分布，经最大模拟焊后热处理后试样组织中碳化物尺寸比经最小模拟焊后热处理后试样更大，碳化物有长大的趋势且沿晶界分布较多（见图3，4）。经最大模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理后，14Cr1Mo钢试样的显微组织均为回火贝氏体+少量铁素体，经最大模拟焊后热处理后试样组织中的回火贝氏体较均匀，铁素体含量极少（见图5），经最小模拟焊后热处理后试样组织中的回火贝氏体不均匀，铁素体含量较多（见图6）。随着模拟焊后热处理保温时间的延长，14Cr1Mo钢试样碳化物析出量增多，且碳化物弥散、均匀地分布在基体上（见图7，8）。
4. 综合分析
经最大模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理后，12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢的力学性能发生变化。随着保温时间的延长，12Cr2Mo1钢和14Cr1Mo钢中的碳化物有足够时间析出、聚集、长大，析出的碳化物颗粒弥散分布在晶内和晶界上，碳化物主要是（Cr、Mo）xCy[1-3]，Cr-Mo型容器用钢的主要强化方式为：碳元素、合金元素的固溶强化，析出碳化物的弥散强化，以及碳化物对位错钉扎的位错强化。在经历模拟焊后热处理时，碳元素和合金元素以碳化物的形式析出，一方面固溶到奥氏体中的元素含量降低，削弱了固溶强化的作用；另一方面析出的合金碳化物增强了弥散强化作用，但随着模拟热处理保温时间的延长，碳化物不断聚集长大，弥散强化作用减弱，而且聚集的碳化物对位错的钉扎作用减小。析出相在晶界聚集长大，弱化了晶界；析出相在晶内聚集长大，减小了固溶强化、位错强化和弥散强化作用，同时改变了位错运动形式，最终导致材料的强度明显下降[4-6]。若按照标准或技术要求的规范进行模拟焊后热处理，在规定的加热温度和保温时间下，碳化物的聚集、长大程度不严重，材料强度下降，但不会影响材料的最终使用性能，且其塑性、韧性还会提高。
5. 结论
（1）随着模拟焊后热处理保温时间的延长，容器用Cr-Mo钢的常温强度明显下降，断后伸长率变大，断面收缩率变化不大，高温瞬时屈服强度下降，冲击韧性变好，硬度降低。
（2）与最小模拟焊后热处理相比，经最大模拟焊后热处理后，Cr-Mo钢有更多的合金碳化物析出，且碳化物聚集、长大明显，析出的碳化物削弱了固溶强化、位错强化和弥散强化作用，最终导致经最大模拟焊后热处理后耐热钢的常温和高温强度明显下降。
文章来源——材料与测试网