论文部分内容阅读
中高温压力容器用钢广泛地应用于石油、化工等国民经济重要领域,随着国民经济的快速增长,其需求量正在不断的上升。12Cr2Mo1钢是一种典型的中高温容器钢。采用12Cr2Mo1钢制造的容器配件,除具有较高的强度、良好的韧性和焊接性能外,还具有良好的加工使用性能和高温持久强度,确保长期服役的安全性。12Cr2Mo1钢板的生产工艺为常规热轧+正火+高温回火。针对生产工序长导致的效率低和成本高的实际问题,南钢和东北大学合作提出开展控轧控冷+高温回火代替常规热轧+正火+高温回火的可行性研究课题。在此研究背景下,本文对12Cr2Mo1钢在热轧和热处理过程的组织与力学性能进行了系统研究。主要研究内容如下:（1）通过单道次压缩实验,研究了实验钢的高温变形行为,确定了的热变形激活能,建立了本构关系方程和变形抗力模型。（2）采用热膨胀法测定了实验钢静态及动态的连续冷却转变曲线。研究结果表明,变形使铁素体区和珠光体区左移,促进了先共析铁素体相变,使得贝氏体转变温度提高;实验钢相变区域分为三部分:高温相变区、中温相变区和低温相变区;实验钢中的Cr、Mo等元素增加了奥氏体的稳定性,在较宽的冷却速度范围内可以得到贝氏体组织。（3）研究了实验钢常规热轧+正火+高温回火的组织和力学性能的影响规律,分析了正火温度对碳化物的溶解规律与组织演变行为。结果表明,正火温度较低时,未溶碳化物的体积分数较大,在随后的回火过程中聚集和长大;正火温度较高时,奥氏体晶粒开始粗化,导致贝氏体和马氏体的形成,减少析出物的形核点;回火温度较低导致不规则的碳化物析出,但当回火温度超过700℃时,碳化物开始聚集和长大,部分碳化物出现溶解。当正火温度为930℃、回火温度700℃时,实验钢的室温组织为铁素体和细小的贝氏体组织,析出物细小弥散,屈服强度和抗拉强度分别为535 MPa和634 MPa,韧脆转变温度为-52.6℃,表现出良好的力学性能。（4）研究了实验钢模拟控轧控冷过程中的微观组织演变规律。结果表明,当终轧温度从860℃降低到800℃时,促进了贝氏体的形成,显微硬度由296 HV提升至400 HV;提高热轧后冷却速度,降低了 M/A岛的晶粒尺寸,细化了贝氏体组织;当终冷温度为650℃时,基体组织为粒状贝氏体,当终冷温度为600℃时,组织中形成细小、弥散的M/A岛组织;当终冷温度为550℃时基体组织为板条贝氏体。（5）研究了实验钢经过控轧控冷+高温回火后的微观组织和力学性能。结果表明,与常规热轧相比,控轧控冷后贝氏体组织较细小,M/A细小弥散,屈服强度为580 MPa,抗拉强度为790 MPa,延伸率为18.1%,韧脆转变温度为-19.7℃。在700℃回火时,当回火时间为30 min时,不规则形状的M/A岛不能完全分解;当回火时间为50 min时,M/A岛开始分解,基体中分布着纳米尺度的析出物;回火时间为70 min时,部分贝氏体分解成多边形铁素体,部分贝氏体板条发生合并,最大尺寸达到450 nm,析出物聚集长大。700℃、50 min回火时得到最佳的力学性能:屈服强度为495 MPa,抗拉强度为562 MPa,延伸率为21.5%,韧脆转变温度为-51.7℃。（6）研究了不同焊接热输入对组织与冲击韧性的影响规律。结果表明,当焊接热输入为20 kJ/cm时,实验钢热影响区的粗晶区组织为板条马氏体+贝氏体,室温冲击功为31 J;焊接热输入为50 kJ/cm时,粗晶区组织为贝氏体+针状铁素体,室温冲击功为102 J;焊接热输入为80 kJ/cm时,粗晶区组织为粗大的贝氏体铁素体+少量马氏体,室温冲击功为64 J。当焊接热输入为50 kJ/cm时,焊接热影响区与母材基体硬度相当,析出物细小弥散,冲击韧性良好。（7）研究了实验钢经过最小模拟焊后热处理、最大模拟焊后热处理及阶冷脆化处理后对组织与力学性能的影响规律。结果表明,实验钢经过最小模拟焊后热处理,基体组织由铁素体组成,屈服强度和抗拉强度分别为490 MPa和552 MPa,韧脆转变温度为-50.1℃;经过最大模拟焊后热处理,贝氏体完全分解成铁素体,屈服强度和抗拉强度分别为475 MPa和540 MPa,韧脆转变温度为-34.5℃;经过阶冷脆化热处理,基体组织由铁素体组成,铁素体趋于等轴化,屈服强度和抗拉强度分别为460 MPa和520 MPa,韧脆转变温度为-34.5℃。热处理时间延长促进了析出物球化和贝氏体分解,导致强度和韧性下降;模拟焊后热处理降低了基体的内应力,M23C6、M6C3等碳化物的析出提高了基体的强度,维持了基体组织的稳定性。（8）测试了实验钢在温度为500℃、550℃、600℃和应力为160～350 MPa条件下的持久断裂时间,通过外推法计算得到实验钢在温度为450℃、475℃、500℃、525℃、550℃和575℃和服役时间105 h后的高温持久强度分别为234.0 MPa、196.6 MPa、163.3 MPa、127.0 MPa、90.7 MPa 和 56.5 MPa,高温持久强度达到标准值,表明实验钢具有良好的高温持久性能。