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《材料導(dǎo)報(bào)雜志》2015年第S1期

我國是石油生產(chǎn)和消費(fèi)大國，原油產(chǎn)量居世界前列，但人均石油占有量僅為世界人均水平的1／6，建立我國戰(zhàn)略石油儲備以保障我國能源安全已勢在必行。為了保證我國能源安全，國家從2003年上半年開始建立國家石油戰(zhàn)略儲備，并計(jì)劃到2015年實(shí)現(xiàn)石油儲備90天的遠(yuǎn)期目標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的前提條件是建設(shè)用于儲油的10萬～15萬m3（或容積更大）的大型原油儲罐。但是，隨著儲罐的大型化，工程結(jié)構(gòu)對儲罐用鋼也提出了更高的要求。為了避免底層罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題，要求大型原油儲罐用鋼不僅要有高強(qiáng)度，還須具有良好的韌性和成型性、低的焊接裂紋敏感性和抗大線能量焊接以及優(yōu)越的抗腐蝕性等。由于大型石油儲罐用鋼技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度大，國內(nèi)至今僅有10家鋼廠具有610MPa級大型原油儲罐用鋼供貨資格，通過選擇最佳組合的合金元素，充分發(fā)揮直接淬火＋回火（DQT）工藝的潛力，可以獲得理想的鋼板綜合力學(xué)性能。基于此本實(shí)驗(yàn)對大線能量焊接石油儲罐用鋼進(jìn)行回火工藝研究，為實(shí)現(xiàn)我國建造20萬m3或30萬m3的超大型石油儲罐所需鋼板的國產(chǎn)化打下了基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料610MPa壓力容器用鋼。其化學(xué)成分如表1所示，將4塊軋態(tài)淬火鋼板放在箱式電阻爐加熱進(jìn)行回火熱處理，水淬溫度為930℃，淬火時(shí)間為50min，回火溫度分別為605℃、615℃、625℃、635℃，保溫時(shí)間均為60min；之后進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)，金相觀察。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1回火溫度對硬度的影響采用HD9－45光學(xué)表面洛氏維氏硬度計(jì)測量了不同回火溫度下試驗(yàn)鋼的硬度值。圖1為不同回火溫度條件下的硬度曲線。從圖1可以看出，在605℃回火時(shí)，隨溫度的升高，硬度呈現(xiàn)線性遞增的趨勢。當(dāng)溫度為625℃時(shí)，具有最大值，為300HV。之后，隨溫度升高，出現(xiàn)軟化行為。當(dāng)溫度為635℃時(shí)，硬度值為265HV。

2．2不同回火溫度抗拉強(qiáng)度拉伸試件按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，見圖2（單位：mm），相應(yīng)的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3為不同回火溫度的強(qiáng)度變化及延伸率隨回火溫度變化。由圖3（a）可以看到，拉伸強(qiáng)度指標(biāo)均先隨回火溫度升高而增加，625℃時(shí)達(dá)到最大值；之后隨著回火溫度升高，強(qiáng)度下降。與此相反，延伸率隨回火溫度升高先降低后增大，在625℃時(shí)出現(xiàn)最低值，如圖3（b）所示。

2．3不同回火溫度后的沖擊功沖擊韌度是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形和斷裂功的能力，本實(shí)驗(yàn)儀器為JB－30型擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，沖擊試樣為夏比V型缺口，為標(biāo)準(zhǔn)樣，對不同回火溫度試驗(yàn)鋼板在不同溫度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。圖4為不同回火溫度的鋼板在不同溫度下的沖擊性能。由圖4可以看出，隨著回火溫度的升高，沖擊韌性在20℃、－20℃、－60℃、－80℃均表現(xiàn)一致的變化趨勢，先降低后增大。

2．4回火溫度對顯微組織的影響針對不同回火溫度后的試樣取樣拋光，用4％的硝酸酒精侵蝕后，采用OLYMPUSBH－2金相顯微鏡對回火后的組織進(jìn)行了觀察。圖5為不同回火溫度后鋼板金相顯微組織照片。從圖5中可以看出，原軋態(tài)淬火鋼經(jīng)過回火后的顯微組織由板條貝氏體＋馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w、板條貝氏體及回火馬氏體混合組織，板條邊界依然清晰可見，說明回火過程只發(fā)生回復(fù)并沒有再結(jié)晶。在605～635℃回火溫度后的金相組織并沒有本質(zhì)上的差異，只是605℃回火后的粒狀貝氏體組織較大，因而出現(xiàn)力學(xué)性能上硬度和強(qiáng)度值偏高，塑性和韌性相對較低。

3分析與討論

在605～635℃回火后的石油儲罐鋼板力學(xué)性能變化其硬度和強(qiáng)度隨著回火溫度升高呈現(xiàn)先升高后降低現(xiàn)象，而韌性和塑性隨著回火溫度升高呈現(xiàn)先降低后升高。在605～635℃窄區(qū)間回火溫度對金相組織演變的影響較小，沒有出現(xiàn)本質(zhì)上的不同。回火過程因溫度的差異，一般表現(xiàn)不同的物理現(xiàn)象［9，10］。究其本質(zhì)而言，可以簡單歸類為兩個(gè)方面：在成分的分配上，包含因熱激活引起的原子長程擴(kuò)散和局部濃度梯度引起的遷移（即短程擴(kuò)散）以及因溶解度的差異表現(xiàn)出的在過飽和固溶體中第二相粒子的析出行為；在晶體空間點(diǎn)陣的重新構(gòu)建上，表現(xiàn)為較大彈性畸變能的釋放，伴隨的現(xiàn)象為回復(fù)和再結(jié)晶。對于低碳微合金610MPa級石油儲罐用鋼而言，在605～635℃溫度回火，因溫度變化較小，碳化物通過熱激活表現(xiàn)出的擴(kuò)散差異相對較小，基本可以忽略。另外，隨回火溫度的升高，伴隨的回復(fù)現(xiàn)象越劇烈，板條貝氏體及位錯(cuò)缺陷消失得越明顯，對強(qiáng)度和硬度的軟化現(xiàn)象應(yīng)該越顯著。但是，因微合金元素過多，從而對溶解度的耦合效應(yīng)加強(qiáng)，表現(xiàn)出一定量第二相粒子即碳氮化物的析出有所不同。碳氮化物在板條邊界和位錯(cuò)上的析出有效地釘扎了組織演變，因而在宏觀力學(xué)性能上表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象，強(qiáng)度和硬度增加。回火過程的回復(fù)和析出對力學(xué)性能的貢獻(xiàn)既是矛盾的又是同時(shí)伴隨的，兩者同時(shí)作用，導(dǎo)致了宏觀力學(xué)性能變化趨勢的非單調(diào)性，硬度和強(qiáng)度先升高后降低，韌性和塑性先降低后升高。

4結(jié)論

（1）對試驗(yàn)鋼在605℃、615℃、625℃、635℃進(jìn)行60min回火實(shí)驗(yàn)，力學(xué)性能變化趨勢并非單調(diào)性，硬度和強(qiáng)度先升高后降低，韌性和塑性先降低后升高。（2）在605～635℃窄區(qū)間回火溫度對金相組織演變的差異較小，沒有出現(xiàn)本質(zhì)上的不同。原軋態(tài)淬火鋼經(jīng)回火后的顯微組織由板條貝氏體＋馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w、板條貝氏體及回火馬氏體混合組織，板條邊界依然清晰可見，說明回火過程只發(fā)生回復(fù)并沒有再結(jié)晶。（3）試驗(yàn)鋼在605～635℃區(qū)間回火伴隨回復(fù)和碳氮化物析出過程，二者對力學(xué)性能的貢獻(xiàn)既是矛盾又是同時(shí)發(fā)生的，兩者同時(shí)作用，導(dǎo)致了宏觀力學(xué)性能變化趨勢的非單調(diào)性，硬度和強(qiáng)度先升高后降低，韌性和塑性先降低后升高。

作者：梁國俐 單位：唐山學(xué)院機(jī)電工程系