热处理对16MnDR低温压力容器钢板组织和性能的影响分析

赵富民

瀚洋重工装备制造（天津）有限公司 天津市300353

摘要：本文对16MnDR低温压力容器的钢材料进行了热处理，表征了16MnDR压力容器钢的微观组织结构，研究了热处理工艺对钢材料力学性能的影响。结果表明，在16MnDR钢的热轧状态下对其进行热处理能够明显看到晶粒细化和组织改善现象，热处理过程使综合力学性能显著提升。采用900℃正火热处理工艺或用900℃正火配合610℃回火热处理均可以使材料具有良好的低温韧性，通过结构表征可知其组织结构为铁素体+珠光体，断口形貌为等轴韧窝，具有非常好的低温冲击韧性。

关键词：压力容器；16MnDR钢；热处理；金相组织

1低温压力容器钢材料概述

石油化工工业不断发展使新工艺和新设备层出不穷，这对于压力容器的材料选择、结构设计、制造过程、运输安装等多个环节都提出了更高的要求。压力容器使用的钢材料不仅需要具有足够的强度，还需要有一定的塑性，并在低温条件下具备良好韧性。低温压力容器主要分为两个类型，一类是压力容器的服役环境压处于寒冷地区，另一类是压力容器中运送的介质是液态氨、氮、氧等低温物质，压力容器可以是低温介质的储存容器，也可以是各类介质的输送管道，在生产这类容器时需要采用低温钢。

从成分上对低温钢进行分类可以分为无镍钢和有镍钢，无镍钢主要指晶粒度较细小的钢材料以及低温高强度钢材料，要在零下六十度以上的条件使用无镍钢，有镍钢则是在钢的组织结构中加入镍元素，使镍元素固溶于铁素体中，这样可以显著加强材料低温韧性。通常在体心立方体结构晶格的材料中，金属材料通常具有低温变脆的特点，有镍钢可以显著改善材料的低温韧性，目前已经可以在零下二百度的条件下正常使用。在石油化工行业中，各种气体进行液化存储并进行运输的相关技术已经非常成熟，多种设备的使用也间接促进了低温压力容器钢材料的发展。

16MnDR钢材料主要依靠Mn和Si来提升材料综合性能，在此基础上向材料中添加合金元素Nb和Ti来进行冶炼，对该材料进行轧制与热处理工艺后可以全面提升该钢材料的韧性，16MnDR的使用最低温度可低至零下四十度。这种材料现在已经广泛应用于压力容器中、化工生产设备以及车辆生产等行业，本文通过系列实验研究热处理工艺对该型钢材料成分结构及综合性能的影响。

2实验过程

2.1材料选择

本实验利用工业试制钢板作为实验材料，其化学成分以及各项力学性能指标满足国标规定的全部要求，其化学成分如下表所示。

表1化学成分（质量分数）

C	Si	Mn	Alt	P	S
≤0.20	0.15~0.50	1.20~1.60	≥0.020	≤0.025	≤0.012

2.2轧制及热处理工艺

采用轧机将材料进行轧制，得到90毫米厚的钢板备用，采用300毫米厚的连铸坯进行轧制。在进行轧制时采用1250℃的温度进行加温，中间坯厚度为155 毫米，进行精轧的开轧温度设定为890℃，终轧的开轧温度设定在845℃以下，再各道次压下率控制中，需要至少保证3道次压下率超过15%，轧制后采用水冷方式进行降温。

根据亚共析钢加热时所有铁素体均转变为奥氏体的温度计算公式对16MnDR钢进行计算，得到转变温度计算结果为865℃，据此确定热处理工艺为900℃正火处理+900℃保温15分钟+610℃回火，保温时间设定为30分钟。

2.3取样检验

分别选择热轧状态、正火状态以及回火状态的钢板进行取样分析研究，按GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T 229《金属夏比缺口冲击试验方法》进行试验，试验方法为常温状态下拉伸以及零下三十度条件下冲击试验。对16MnDR的各个状态进行力学性能测试，通过光学显微镜观察钢材料宏观形貌，利用扫描电子显微镜进行微观形貌表征。

3试验结果

3.1力学性能研究

对试验钢进行拉伸试验与冲击试验，按照标准将16MnDR钢制备成拉伸试样与冲击试样。对钢板进行力学性能检测，检测位置为厚度方向1/4厚度处。

对试验结果进行分析可以看出，试验钢在热轧状态下各项力学性能指标均符合标准要求，但零下三十度条件下的冲击功为30焦，冲击性能相比于标准要求较低。在进行正火处理后，16MnDR屈服强度与抗拉强度显著降低，但延伸率得到显著提升，冲击性能也有明显改善，正火处理后的材料力学性能指标均符合规定要求。材料在进行回火处理后只有低温冲击性能有较大程度的提升，其余力学性能参数均出现小幅度下降。

3.2组织结构研究

在热轧状态下16MnDR钢的边部组织与中心组织结构不同，边部组织为晶粒度9级的贝氏体、珠光体以及铁素体组成的相结构，而中部组织为晶粒度7级的铁素体与珠光体组成的相结构，从边部向中部呈现出贝氏体含量逐渐降低的趋势特点。

经过正火处理后，16MnDR的边部组织与中心组织逐渐变均匀，均形成均匀的铁素体与珠光体组织，晶粒度为8级。经过回火处理后细颗粒的碳化物逐渐聚集、晶粒尺寸变大，16MnDR钢的强度随之降低，但其在低温状态下冲击韧性出现显著提升。

3.3微观形貌分析

对经过回火处理的试样进行SEM表征，回火状态下样品断口形貌呈现出强烈的等轴韧窝特点，韧窝的尺寸较大、韧窝纵深较大，分布均匀且数量很多，存在数量极少的解理特点花样断口，上述组织结构特点表明回火态16MnDR具有良好的低温韧性。

图116 MnDR钢回火态断口形貌

4结论

综上所述，将16MnDR作为低温压力容器材料需要通过合金化、控轧控冷及热处理的工艺提升综合力学性能，经分析可知经过适当工艺处理的金属材料可完全符合应用需求。对16MnDR金属材料采用900℃正火热处理工艺或用900℃正火配合610℃回火热处理均可以使材料具有良好的低温韧性，通过结构表征可知其组织结构为铁素体+珠光体，断口形貌为等轴韧窝，具有非常好的低温冲击韧性，力学性能得到明显提升，能够满足低温压力容器的力学性能需求。

参考文献

[1]赵玉军,刘战英,周满春,张贵杰.低温压力容器钢板16MnDR中带状组织的控制研究[J].河北冶金,2013(04):53-55.

[2]朱迪明,陈伟金,彭惠.16MnDR钢制低温压力容器焊接及热处理工艺研究[J].广东化工,2011,38(11):103-104+80.