特厚壓力容器用鋼板的沖擊韌性及組織特征

黃少文（萊蕪鋼鐵集團有限公司，山東萊蕪271100）

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特厚壓力容器用鋼板的沖擊韌性及組織特征

黃少文
（萊蕪鋼鐵集團有限公司，山東萊蕪271100）

摘要：通過SEM和示波沖擊試驗研究了特厚壓力容器用鋼板的0、-20、-40℃的沖擊韌性及顯微組織。結果表明：降低試驗溫度，t/4和t/2處的E1變化不大，Pm、E2、E3+E4和（Pm-Pf）值減小，脆性斷裂趨勢增大，脆性斷裂止裂變差；t/4處抑制裂紋形成和阻止脆性斷裂的能力優于t/2處。t/4處的-20℃沖擊斷口纖維區由細小韌窩組成，t/2處呈現為準解理斷裂形貌。t/2處放射區中河流花樣和撕裂棱數量較t/4處增多。同一個珠光體團內部呈現出LP和DP兩種形態。t/2處LP片層間距較t/4處增大，DP有所增加。

關鍵詞：壓力容器用鋼；特厚鋼板；沖擊韌性；顯微組織

1　前　言

壓力容器所用材料主要有板材、管材、棒材、鍛件、鑄件及型材等，板材主要用于容器筒體、封頭、管件、殼體、管箱等重要構件，使用量最大［1］。近年來，設備大型化對安全性提出了更高的要求，壓力容器用鋼板向特厚、超寬、高性能方向發展，并且對鋼板的強韌性、抗層狀撕裂性提出了更為嚴格的要求［2］。為此，國內一些鋼廠［2-4］開展了各類壓力容器用特厚鋼板的研究與開發。

本研究以萊鋼4 300 mm寬厚板生產線生產的110 mm特厚壓力容器用鋼板為試驗材料，結合硬度試驗、示波沖擊試驗及掃描電鏡（SEM）分析特厚壓力容器用鋼板的沖擊韌性及組織特征。

2　試驗材料及制備方法

試驗材料的制備經過鐵水脫硫處理、120 t轉爐冶煉、LF鋼包爐精煉、RH真空脫氣處理等工業生產過程獲得300 mm厚度連鑄坯。將連鑄坯加熱至1 200℃后，經4 300 mm寬厚板生產線軋制成110 mm厚度鋼板。其中，粗軋階段終軋溫度高于1 000℃，精軋階段開軋溫度為840℃。為確保特厚鋼板心部韌性，軋制過程中變形量有效滲入鋼板心部，粗軋階段采用少道次大壓下量軋制工藝。鋼板最終成型軋制后進入多功能冷卻系統進行加速冷卻，開冷溫度為780℃，終冷溫度為600℃，冷速為6℃/s。將鋼板進行離線正火處理，其中正火保溫溫度為880℃，保溫時間為30 min。鋼板正火后實施加速冷卻，鋼板的返紅溫度為580℃。試驗鋼的化學成分如表1所示。

表1　試驗鋼的化學成分（質量分數）%

在正火處理加速冷卻后的鋼板上切取300 mm×600 mm樣坯，從樣坯上制備橫向V型缺口沖擊試樣、硬度試樣和顯微組織分析試樣。

根據GB/T 19748—2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法》標準，通過ZBC275-D示波沖擊試驗機，對試驗鋼進行V形缺口0、-20、-40℃示波沖擊試驗，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試樣的軸線位置分別為鋼板t/4 和t/2厚度處（t為鋼板厚度）。根據GB/T 4340.3標準要求測試鋼板截面維氏硬度。試驗鋼試樣經研磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，通過Philips XL30型掃描電鏡進行顯微組織觀察。

3　試驗結果與分析

3.1試驗鋼的韌性及沖擊斷裂過程

Charpy示波沖擊曲線揭示了V型缺口試樣的沖擊斷裂行為，為斷裂力學分析提供了重要依據。最大沖擊載荷（Pm）、脆斷開始載荷（Pf）等可以評價材料韌性的好壞。Pm-Pf段為裂紋形成后其尖端產生微小塑性變形的過程，（Pm-Pf）值越大，脆性斷裂趨勢越小［5］。結合相關文獻［5-8］及本工作所得到的示波沖擊試驗結果，將整個斷裂過程劃分為4個部分，即表征裂紋開啟難易程度的裂紋形成能（E1）、韌性裂紋擴展能（E2）、阻止脆性斷裂擴展的脆性斷裂擴展能（E3）和脆性斷裂擴展終止后的止裂能（E4）。

圖1為試驗鋼t/4和t/2處0、-20、-40℃示波位移—載荷沖擊曲線。可以看到，t/4處的（Pm-Pf）值分別為6.12 kN、4.74 kN和2.74 kN。隨著沖擊試驗溫度降低，E2、E3+E4和（Pm-Pf）值逐漸降低，反映出脆性斷裂趨勢的增加，阻止脆性裂紋擴展的能力逐漸降低。-40℃的E2降低幅度增大暗示了更容易發生脆性斷裂。E1變化不大，說明沖擊試驗溫度降低對t/4處的裂紋形成能影響較小（圖1a、圖1c、圖1e）。對于t/2處，（Pm-Pf）值分別為8.35 kN、9.75 kN和6.08 kN，脆性斷裂趨勢逐漸增大。E1變化不大，E2和E3+ E4隨試驗溫度降低小幅降低（圖1b、圖1d、圖1f）。

圖1　試驗鋼的示波位移—載荷沖擊曲線

對比t/4和t/2處的不同試驗溫度示波位移沖擊曲線可以看到，t/4處的E1和E2均明顯高于t/2處，（Pm-Pf）低于t/2處，沖擊裂紋起裂性能、抑制脆性斷裂的趨勢均優于t/2處。E3+E4差異相對較小，阻止脆性斷裂擴展能力和脆性斷裂擴展終止后的止裂能力基本相當。

試驗鋼不同溫度沖擊試驗的Pm值變化情況見圖2，維氏硬度分布見圖3。可以看出，t/4處的Pm值高于t/2處，這與t/4和t/2處的HV10存在一定的對應性，即t/4處的硬度高于t/2處的硬度。試驗溫度降低，t/4和t/2處的Pm值逐漸增加，兩厚度處的Pm值差異逐漸減小（圖2）。有研究指出，試驗溫度降低，將提高材料的強度［5］。

圖2　試驗溫度對鋼板Pm值的影響

3.2顯微組織分析

圖4為試驗鋼的SEM組織形貌。可以看到，同一個珠光體團內部不同區域的珠光體形態有所差異，一方面，滲碳體的片層結構清晰，片層間距較小，滲碳體和鐵素體交替排列，為典型的片層狀珠光體（lamellar pearlite，LP）。細小的薄片狀滲碳體具有更新高的抗斷裂能力［9］。另一方面，珠光體片的完整性下降，滲碳體片層彎曲、斷開，呈短棒狀或顆粒狀，為退化珠光體（Degenerated Pearlite，DP）（圖4a）。相對而言，對于t/2處的珠光體團尺寸有所減小，LP減少，退化趨勢增強，DP有所增加。LP片層間距較t/4處增大（圖4b）。珠光體片層間距減小導致鐵素體片和滲碳體片變薄，相界面增多，起到提高硬度作用［10］。這一點由t/4處的Pm值和硬度高于t/2處也看出（圖2）。

圖3　鋼板厚度方向的維氏硬度分布

圖4　試驗鋼不同位置的SEM組織形貌

3.3沖擊斷口形貌

圖5為試驗鋼t/4和t/2處的-20℃沖擊斷口形貌。可以看到，t/4處的沖擊斷口纖維區由大小不均的圓形或橢圓形的韌窩組成，韌窩較淺，韌性起裂特征比較明顯（圖4a）。t/2處的沖擊斷口纖維區除局部存在一些細小韌窩聚集區域外，基本呈現準解理斷裂特征（圖4c）。

t/4和t/2處的沖擊斷口放射區均為準解理斷裂，兩者存在一定差異。t/4處沖擊斷口放射區的解理臺階相對較高，解理面參差不平，河流花樣和白色撕裂棱相對較少。準解理面上存在由河流花樣交叉形成的二次解理臺階（圖4b中箭頭所示）。此外，相互平行的解理面同向擴展一段距離后會聚在一起（圖4b中3個平行虛線箭頭所示）。有研究［11］指出，在多晶體材料中，當解理裂紋在擴展過程中受到析出相、位錯等缺陷的阻礙時，會引起擴展路徑的偏轉，通過解理或撕裂的方式聚在一起，形成一個新的解理面。這些信息暗示了裂紋擴展方向發生了變化，裂紋擴展路徑曲折，體現為材料具有抗裂紋擴展能力和較高的韌性。

對于t/2處沖擊斷口放射區，準解理面上的河流花樣及白色撕裂棱數量明顯增多。河流花樣形成后，連續穿過3個大角度晶界，每穿過大角度晶界后，河流花樣的方向發生改變，形成了清晰的解理面和解理臺階（圖4d中箭頭所示）。這在某種程度上解釋了t/2處的-20℃沖擊載荷經過Pf后震蕩下降的現象。有研究［12］指出在脆性解理斷裂時，每一個解理斷裂面對應一個有效晶粒，斷口上白亮突出的撕裂棱代表有效阻礙裂紋擴展的大角度晶界。

圖5　試驗鋼不同位置-20℃沖擊斷口SEM形貌

4　結　論

4.1試驗溫度對裂紋形成能E1的影響較小。降低試驗溫度，t/4和t/2處最大沖擊載荷（Pm）、韌性裂紋擴展能（E2）、斷裂擴展能（E3）+止裂能（E4）和（Pm-Pf）值減小，脆性斷裂趨勢增大，脆性斷裂止裂性能變差；t/4處0～-40℃的E1和E2均高于t/2處，（Pm-Pf）均低于t/2處，抑制裂紋形成和阻止脆性斷裂的能力優于t/2處。E3+E4差異較小，脆性斷裂擴展及脆性斷裂擴展終止后的止裂能力基本相當。

4.2片層狀珠光體和退化珠光體共存于同一個珠光體團內部。t/2處的珠光體團尺寸有所減小，其中LP減少，退化趨勢增強，DP有所增加。t/2處LP片層間距大于t/4處LP片層間距。

4.3t/4處的-20℃沖擊斷口纖維區由細小韌窩組成，韌性起裂特征明顯。放射區解理面參差不平；t/ 2處沖擊斷口纖維區表現為準解理斷裂。t/2處放射區中的河流花樣和撕裂棱較t/4處增多。

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Impact Toughness and Microstructure of Ultra Heavy Plate for Pressure Vessel

HUANG Shaowen
（Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271100, China）

Abstrraacctt:: The impact toughness at 0℃, -20℃and -40℃and the microstructure of ultra heavy plate for pressure vessel were investigated by means of SEM and instrumented impact test. Experimental results showed that the test temperature have a great influence on impact toughness of the t/4 and t/2. The maximum impact load (Pm), ductility fracture propagating energy (E2), brittle fracture propagating energy (E3) + brittle crack arrest energy (E4) and (Pm-Pf) were decreased with the decreasing of test temperature, brittle fracture tendency increases gradually, brittle fracture arrest properties become worse, while E1changes little. The brittle fracture tendency in t/4 and brittle fracture arrest properties are better than that of t/2. In t/4, the fibre region of impact fracture at -20℃is made up of tiny dimples, while the fibre region in t/2 exhibits quasi-cleavage. The number of river pattern and tearing ridge in t/2 is more than that of in t/4 in radial region. The pearlite colony is a mixture of lamellar pearlite (LP) and degenerated pearlite (DP). The DP content in t/2 is increased, the LP’s lamellar pearlite interlamellar spacing is larger than that in t/4.

Key worrddss:: steel for pressure vessel; ultra heavy plate; impact toughness; microstructure

試驗研究

試驗研究

試驗研究

作者簡介：黃少文，男，1982年生，2009年畢業于東北大學材料學專業，碩士。現為萊鋼寬厚板事業部工程師，從事新產品與技術研發工作。

收稿日期：2015-09-06

中圖分類號：TG142.41

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0037-03