16M nR钢高温损伤的力学性能研究

晏 燕, 刘安中, 周道祥

(安徽建筑工业学院 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

16M nR钢是一种典型的压力容器用低碳钢,广泛应用于石油、化工、核能设备等,该类设备使用条件复杂,不仅要经受高温、高压,而且内部介质常是易燃、易爆介质。16M nR钢等低碳钢使用的温度上限一般不超过300℃。在实际运行过程中,有的设备(如变换炉等)会出现内部隔热衬里脱落,从而使设备材料在400℃以上温度环境下短期运行,造成超温事故工况,导致对材料造成瞬时高温损伤,该设备在下一个检修期之前还必须继续服役。因此,研究16M nR钢短期超温对设备的安全运行造成的影响在工程上有着非常重要的意义。

在高温下 16M nR钢的组织结构会发生变化,从而造成材料在强度、韧性等方面的变化,这就为压力容器的安全带来不利影响。

因此通过实验,研究16M nR钢高温损伤下的力学性能,探索并揭示材料的微观损伤特点以及材料性能的变化规律,正确处理压力容器高温损伤,以避免压力容器安全事故成为国内外学者研究的重要内容[1-4]。

1 16MnR钢的力学性能

1.1 16M nR钢的化学成分与受热状态

本研究所用试样均采用正运行中在役容器预留板材加工而成,其材料成分及力学性能见表1所列。

表1 16MnR钢的化学成分与力学性能

为了研究16M nR钢的高温损伤特性,本文将16M nR钢材料置于自动控制加热炉中,加热至800、900、1 000、1 100 ℃。在4种不同的温度下做3种不同时间的保温,保温时间分别为12、48、100 h。到达保温时间后在炉内空冷,温度降至常温。所有试样共分为12种工况,然后把经历不同热损伤的16MnR钢材料加工成力学性能试样,测定16M nR钢的力学性能和断裂韧性。

1.2 16M nR钢高温损伤后的常规力学性能

受热后的损伤材料按文献[5]制成5倍直径的标准试样,在电子拉力机上测定了16M nR钢材料分别受热 800、900、1 000、1 100 ℃,保温时间分别为12、48、100 h试样的屈服强度、抗拉强度、断面收缩率。16M nR钢高温后的12组试样,每组取3个试样进行实验,所得实验结果取其平均值,所采集的试验数据处理结果见表2所列。

表2 16MnR钢高温损伤后的力学性能

由表2可以看出,保温48 h后,经受高温达到晶格转变温度912℃时,材料屈服强度和抗拉强度达到一个高值,并随着受热温度的升高而下降,但与常温下的材料性能相比,16M nR钢的屈服强度仍处在较高的水平上。材料受热1 100℃时延性数据分散度加大,说明材料不均匀性变得较为明显。就受热材料经历的温度相同而保温时间不同来看,在保温48 h前材料力学性能变化明显,屈服强度下降,但保温时间超过48 h后材料力学性能变化趋缓。

1.3 16M nR钢高温损伤后的断裂韧性

研究高温损伤后的16M nR钢断裂韧性是压力容器安全工程中的重要课题[6],本文采用紧凑拉伸试样测定高温损伤后的16MnR钢的J积分阻力曲线,与常规力学性能实验相同,把试样分为12种工况。采用多试样法测定16M nR钢各种工况试样的Ji,据此绘出Ji与温度和保温时间的曲线,如图1、图 2所示。

由图1可以看出,16M nR钢的Ji与温度间的关系和材料屈服强度与温度间的关系情况反映的材料特性较为一致。尤其保温48 h下的Ji与温度间的关系和相同保温时间下的屈服强度与温度间的关系所反映的规律几乎完全符合。屈服强度在912℃附近有一个高值,而相应的断裂韧性则出现一个低值,反映出较高强度的材料通常韧性会下降。在较高温度下16M nR钢材料也符合这一特征。

图2表明,保温时间的长短对材料强度的影响较少,而对断裂韧性的影响较为明显。根据J积分阻力曲线测定的结果,可以按照J积分阻力曲线的斜率给出材料对裂纹扩展阻力增长率,并绘出裂纹扩展阻力增长率与温度的关系曲线,如图3所示。由图3可以看出,16MnR钢抵抗裂纹扩展的阻力增长率随温度的上升明显地呈下降趋势。

图1 Ji与温度关系

图2 Ji与保温时间的关系

图3 裂纹扩展阻力增长率与温度的关系

2 16MnR钢高温损伤的金相学分析

16M nR钢是约含0.16%的 C、1.47%M n的三元合金。其基体主要成分为Fe、Fe3 C和(FeM n)3C铁碳化合物构成的。铁在912℃以下原子成体心立方排列(α铁),在912～1 394℃时铁原子成面心立方排列(γ铁),温度在1 394℃以上铁原子又重新成体心立方排列(δ铁)。由于碳原子原子半径较小(0.098 nm),部分原子会进入铁原子的间隙形成固溶体[7-9]。碳溶解到α铁中的固溶体即铁素体,溶解到γ铁中的固溶体称为奥氏体,不能全部溶入铁素体或奥氏体中的碳将与铁形成碳化铁(Fe3 C)——渗碳体,也会有少部分碳原子会留存于晶界上。描述铁碳合金不同的含碳量所形成的相与温度间的关系如图4所示。由于渗碳体是一个亚稳定相,Fe3C分解会产生相对稳定的石墨相,所以相的转变也可能按照Fe-C(石墨系)转变,其相图用虚线和Fe-Fe3 C相图叠合在一起。由于M n元素的存在,不仅改变了合金化学成分,而且合金的组织也发生了变化,Mn含量的增加会使GS线下移,而且S点左移。

从图 4可以看出,试样受热为 800℃和900℃时,钢的主要成分为铁素体和奥氏体。试样受热为1 000℃和1 100℃时,其主要成分为奥氏体。在高温下,钢材会发生再结晶,从而使组织结构发生显著变化,材料的性能也随之而发生变化。

图4 石墨相对相图的影响

在16M nR钢中C有3种存在形式:①碳原子进入铁原子结晶点阵的间隙中,以间隙固溶体或置换固溶体的形式存在;②铁碳原子形成铁碳化合物(或含Mn的化合物),以渗碳体的形式存在;③游离碳分布在晶界附近。

由于Fe和M n原子半径及活性都相近,在碳原子形成的间隙固溶体中有的M n原子会置换Fe原子产生新的置换固溶体。M n原子半径(0.179 nm)大于Fe原子半径(0.172 nm),所以(FeM n)3 C固溶体的晶格常数变大,晶体畸变能增高,稳定性不如Fe3C固溶体,与固溶体相比铁素体和石墨相则更加稳定。

16M nR钢在高温下会发生同素异构转变,温度低于912℃时,铁素体中铁的原子排列成体心立方晶格,当温度为912～1 394℃时,铁原子排列成面心立方晶格。体心立方晶格比面心立方晶格溶质原子数要少,在800～912℃时会有较多的碳原子以渗碳体或者游离碳的形式存在,材料强度较高而韧性较差。温度从912℃升到1 100℃时,Fe和M n原子有较高的动能,活性增加,会有更多的Mn原子形成新的置换固溶体。畸变能较高的(FeM n)3C固溶体晶粒边缘晶体也会解体,使更多的碳原子析出。已有研究结果表明经历高温的低碳钢,受热温度越高、时间越长,碳的析出就越明显,从而使材料力学性质劣化。

不同的热历程对16MnR钢力学性能影响的大小不仅取决于晶粒尺寸、碳析出量的多少,还取决于渗碳体的结构形态。铁素体的溶碳能力极低,最大溶解度不超过0.02%。奥氏体是铁碳合金的高温相,它的溶碳能力较高,最高可达2%。钢在高温时所形成的奥氏体,过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如高速度过冷到230℃以下时,奥氏体中的碳原子已无扩散的可能,奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体(马氏体)。由于含碳量过饱和,引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低,脆性增大。研究表明,在不同温度下奥氏体的质量分数是不同的。如果残留奥氏体与奥氏体质量分数成正比,则材料力学性能和温度之间存在着内在联系,所以经历高温后的材料表现出较低的强度和较弱的抗裂纹扩展能力符合金属学理论,在工程中也是值得注意的。

3 结 论

根据16MnR钢12组试样的常规力学性能实验和断裂韧性实验结果,可得出如下结论:

(1)16M nR钢经受高温达到晶格转变温度912℃时,材料屈服强度和抗拉强度达到一个高值,接着材料的屈服强度和抗拉强度都有随着温度的升高而下降的趋势。若材料受热温度相同、保温时间不同,在保温48 h前材料力学性能变化明显,屈服极限下降,但保温时间超过48 h后材料力学性能变化趋缓。

(2)J积分阻力曲线测定的结果表明,受热在912℃附近,材料的断裂韧性有一个低值,此后材料的断裂韧性略有回升。实验结果还表明,16M nR钢抵抗裂纹扩展的阻力增长率随受热温度的上升明显地呈下降趋势。

(3)16M nR钢的实验结果验证了经历高温的低碳钢,受热温度越高、受热时间越长,碳的析出就越明显,从而使材料力学性质劣化。

[1]徐 鹏,周道祥,王乐勤.16MnR材料应变疲劳损伤与能量的本构关系研究[J].压力容器,2006,23(5):22-24.

[2]张 萍,张 芳,王 莺.16MnR钢高温疲劳裂纹扩展行为试验研究[J].化工设备与管道,2005,42(6):48-49.

[3]邢志祥,蒋军成.16M nR钢在高温(火灾)下的力学性能试验研究[J].石油机械,2004,32(2):5-6.

[4]周道祥.16M nR钢高温损伤后 JR阻力曲线实验研究[J].安徽建筑工业学院学报:自然科学版,2007,15(5):1-3.

[5]GB/T 228-2002,金属材料室温拉伸试验方法[J].

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[8]胡赓祥,蔡 珣,戎咏华.材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社,2001:255-261.

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