高强度低合金结构钢组织性能试验研究

刘五兵，王文君，王世清，李方坡，洪 宁

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.中国石油集团工程材料研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721008；4.鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山 114000）

高强度低合金结构钢以其优良的综合性能和可焊接性被广泛应用于压力容器制造等领域[1-2]。压力容器是石油化工生产中的重要设备，需具有抗高压、抗疲劳、抗高温及抗腐蚀等特点。因此，对石油化工压力容器的制备材料有比较高的要求。GB 713—2014 《锅炉和压力容器用钢板》[3]中规定，压力容器用钢在-20℃下的冲击功不小于47 J。国内压力容器制造材料通常选用生产成本较低的 Q245R、Q345R、Q370R及 Q420R等等级的高强度低合金钢。随着冶金技术和压力容器制造技术的发展进步，应用性能优异的主体材料制造压力容器，同时优化其结构布局，可以有效提升压力容器整体服役性能，高强度等级结构钢在这方面具有显著优势[4]。

为推动高强度低合金结构钢在压力容器制造中的应用，本文对不同生产工艺下的Q420D、Q460D、Q550D和Q690D这4种高强度低合金结构钢板的组织性能进行了试验研究。

1 高强度低合金结构钢组织性能试验方法

试验中选用的 4种钢材为 Q420D、Q460D、Q550D以及Q690D。采用ARL4460直读光谱仪，依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法 (常规法)》[5]对试验钢材进行化学成分测定。

采用OLS4100激光共聚焦显微镜，依据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》[6]、GB/T 13299—91《钢的显微组织评定方法》[7]和GB/T 4335—2013《低碳钢冷轧薄板铁素体晶粒度测定法》[8]对试验钢材进行金相显微组织观察、带状组织评定及晶粒度测试。

采用PSW750冲击试验机，依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》[9]对试验钢材在20℃、0℃、-20℃、-40℃与 -60℃条件下进行冲击试验，每组冲击试验取3个纵向试样，测量结果取试验结果的平均值。

采用SHT4106材料试验机，依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[10]对试验钢材进行拉伸性能测试，每组拉伸试验取3个横向试样，测量结果取试验结果的平均值。

采用KB30BVZ-FA维氏硬度计，依据GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》[11]对试验钢材进行显微硬度测试。

2 高强度低合金结构钢组织性能试验结果

2.1 化学成分检测

试验钢材的化学成分检测结果见表1。由表1可知，各试验钢材合金元素总质量分数均小于3%，C、S、P、Mo、Cr、Ni 元素质量分数相差较大。 钢材含有较少的S、P元素能够有效避免热脆与冷脆现象，并改善焊接性。Cr、Mo是主要的碳化物形成元素，能有效改善钢的组织与性能，使钢材在较高的强度、硬度下保持较好的塑韧性。

表1 试验钢材化学成分（质量分数）%

2.2 显微组织

对试验钢材的显微组织与晶粒尺寸进行测定，得到的试验钢材的带状组织见图1，金相显微组织见图2。

图1 试验钢材带状组织（200×）

图2 试验钢材金相显微组织（500×）

观察分析图1和图2可以知道，Q420D的带状组织级数为3.0级，金相显微组织由多边形状铁素体+大量片状珠光体+少量魏氏组织组成，晶粒度等级为10.5级；Q460D的带状组织级数为3.5级，金相显微组织由铁素体+少量层片状珠光体组成，晶粒度等级为9.0级；Q550D的带状组织级数为3.0级，金相显微组织为粒状贝氏体，晶粒度等级为9.0级；Q690D的带状组织级数为3.0级，金相显微组织为粒状贝氏体，晶粒度等级为8.0级。

粒状贝氏体是在块状铁素体基体上分布有富碳奥氏体或其他分解产物的组织，富碳奥氏体常以小岛状或小河状分布在块状铁素体基体上。由于合金成分和冷却条件不同，富碳奥氏体岛还能进一步发生转变，形成富碳的马氏体+残余奥氏体（M-A 组元）[12]。

2.3 力学性能

2.3.1 冲击性能

试验钢材在各试验温度下的纵向冲击吸收能检测结果见图3。

图3 试验温度下钢材纵向冲击吸收能检测结果

从图 3可以看出，-60℃时 Q460D、Q550D与Q690D的冲击吸收能分别达到了 180 J、157 J、154 J，这3种材料的低温冲击性能相对优于Q420D的低温冲击性能。

2.3.2 硬度

试验钢材截面硬度（HV10）检测位置分布见图4，检测结果见图5。

图4 试验钢材截面硬度检测位置分布

图5 试验钢材截面硬度检测结果

由图5可知，Q690D与Q550D的硬度高于Q460D与Q420D的硬度，且硬度数值变动范围较小，性能表现稳定。

2.3.3 拉伸性能

试验钢材拉伸试验结果见图6。由图6可知，Q420D的上屈服强度ReH与抗拉强度Rm最高分别可达479 MPa和607 MPa，断后伸长率A最高为35%；Q460D的上屈服强度 ReH与抗拉强度 Rm最高分别可达512 MPa和621 MPa，断后伸长率A最高为45.5%；Q550D的上屈服强度ReH与抗拉强度Rm最高分别可达774 MPa和782 MPa，断后伸长率A最高为 35.5%；Q690D的上屈服强度 ReH与抗拉强度Rm最高分别可达798 MPa和834 MPa，断后伸长率A最高为26%。屈服强度较高的Q550D与Q690D的断后伸长率A在26.0%～35.5%，表明Q550D与Q690D具有较高的韧塑性和弹性变形的吸收能力，能够有效降低脆性断裂倾向。

图6 试验钢材拉伸试验结果

3 高强度低合金结构钢组织性能综合分析

3.1 生产工艺

Q420D与Q460D的化学成分相近，而Q420D冲击性能欠佳，主要是由于Q420D是采用热轧工艺生产的，即钢材未经过特殊轧制或者热处理。除此之外，Q420D中含有少量的魏氏组织，降低了其冲击韧性。Q460D是采用控制轧制工艺生产的，控制轧制工艺可获得较多的铁素体并析出一定的碳化物和氮化物，从而达到析出强化、改善钢材塑韧性的目的。

Q550D与Q690D具有优异的性能主要是因为其采用热机械轧制工艺（TMCP）生产。TMCP即控制轧制和控制冷却的技术，通过控制加热温度、冷却条件等工艺参数来控制钢材性能[13]。与普通生产工艺相比，TMCP技术可以提高板材的屈服强度和抗拉强度，并改善钢材的低温韧性和焊接性。Q550D与Q690D的化学成分接近且显微组织均为粒状贝氏体。粒状贝氏体具有较高的强度、硬度与冲击韧性是因为其铁素体基体具有高的位错密度，粒状贝氏体除去铁素体组织外还存在着第二相，即M-A组元，M/A岛近似成球状分布在铁素体基体内，可避免裂纹扩展通道的形成，而且球状颗粒越细小，越有利于改善韧性[14-19]。与 Q690D相比，Q550D具有较高的晶粒度等级，较高的晶粒度等级对位错运动的阻碍作用大且应力集中较小，从而改善了其塑韧性。

3.2 焊接性

依据JIS G 3106—2008《焊接结构用轧制钢材》[20]计算钢材的碳当量Ceq和冷裂纹敏感系数Pcm，来间接评价各钢材的焊接性。

将表1数据代入式（1）～式（2），得到 Q420D、Q460D、Q550D和Q690D的碳当量分别为0.417%、0.425%、0.465%和 0.451%，冷裂纹敏感系数分别为 0.252%、0.340%、0.244%和 0.239%。由计算结果可知，4种材料的碳当量均低于JIS G 3106—2008要求的碳当量界限0.52%。常用高强度低合金钢的冷裂纹敏感系数需小于0.335 6%，Q550D和Q690D具有较小的冷裂纹敏感系数，出现冷裂纹倾向较小。

4 结语

对 Q420D、Q460D、Q550D及 Q690D这 4种高强度低合金结构钢组织性能进行了试验研究，得出以下结论，①相比 Q420D、Q460D，Q550D、Q690D含有较多碳化物形成元素Cr、Mo。Q420D、Q460D显微组织均主要由铁素体+珠光体组成，Q550D、Q690D显微组织均由粒状贝氏体组成。②4种材料的强度、硬度、冲击韧性均较优。③通过综合分析不同生产工艺下4种材料的基本力学性能指标，并结合组织性能均匀性认为，相对于Q420D、Q460D与Q690D，Q550D具有较好的性能优势，可在压力容器制造中优先考虑使用。

随着我国材料冶金技术和装备制造技术的发展，高性能材料应用于压力容器制造成为可能。我国压力容器制造材料品种多且整体性能优良，屈服强度和冲击韧性等基本性能指标均大幅高于GB 713—2014中规定的压力容器用钢要求值。因此，高强度低合金钢材在压力容器制造领域具有广阔的应用前景。