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1、 材 料 工 程 珠光体球化对20G拉伸力学性能的影响 严 伟,张国福,丘思晓,李向华,管建军,宋天民 (辽宁石油化工大学 机械工程学院,辽宁 抚顺 113001) 摘 要:珠光体球化是低碳钢材质20G材质老化的主要表现形式。它使20G材质的拉伸力学性能 发生变化,随着球化程度的加深,抗拉强度和屈服强度都会降低,屈服强度降低得更加明显,其降低 幅度以完全球化阶段为最大,但其塑性指标稍有改善。本文分析了珠光体球化导致这些变化的微 观机理,指出材质老化过程中珠光体的球化会减小位错运动的阻力,使得材料的屈服强度降低,塑 性略有上升。并综合材质的拉伸力学性能的变化与实际焦炭塔在工作循环中温度、 应力的
2、变化详 细地分析了焦炭塔产生腰鼓变形的原因。 关键词:珠光体;球化;焦炭塔;老化;力学性能 中图分类号:TG142141 文献标识码:A 文章编号:1001 - 4837(2003)08 - 0010 - 04 Effect of Pearlite Spheroidization on the Extensibility of 20G YAN Wei,ZHANG Guo - fu, QIU Si - xiao,LI Xiang - hua , GUAN Jian - jun ,SONG Tian - min (Mechanical Engineering Faculty , Liaoning
3、University of Petroleum Chemistry Technology , Fushun 113001 , China) Abstract :Pearlite spheroidization is the main change during the degradation of mild steel of 20Gwhich results in changes for the extensibility of 20Gthat involves with the development of material degradation , the tensile strengt
4、h and yield strength both decrease , among which the yield strength reduces more obviously whose ampli2 tude of decline comes to the most when the materials is in the stage of complete spheroidization while plasticity rises a little. In the essay the micro mechanism of the pearlite spheroidizations
5、causing these changes is ana2 lyzed , and it showed that in the development of degradation the spheroidization of pearlite can make less ob2 structs to the movement of the dislocation , which decreases the yield strength and enhances the plasticityof the material a little. At the same time the reaso
6、n why coking tower have the deformation in the waist of the tower was dwelt on considering both the changes of the extensibility of the material and the changes of the tempera2 ture and stress experienced by the coking tower in the cycle of its operation. Key words :pearlite ;spheroidization;coking
7、tower ;degradation;mechanical property 20G是我国压力容器较常用材料,尤其是延迟 焦化装置中的焦炭塔塔体的常用材料。焦炭塔是焦 化反应的反应釜,其工作压力为01150123MPa,工 作温度为475左右;工作介质为油气、 渣油、 石油 焦和水蒸气等;工作周期为48h,焦化期约为24h。 近年来,焦炭塔的常见故障有筒体焊缝开裂,裙座焊 缝开裂及筒体鼓胀变形。20G在高温长期使用过程 中,其组织中的珠光体部分发生球化现象,材料的力 学性能也随之下降1。因此,筒体的变形与焦炭塔 材质的老化是密不可分的,使得材质老化问题的研 究变得日益重要。例如,锦西石化分公司
8、的四台焦 01 炭塔在运行了8年后,在第二筒节处均产生了严重 的腰鼓变形,金相分析结果表明鼓胀变形处焦炭塔 材质已达到中度球化,将会危及焦炭塔的安全运行。 因此研究焦炭塔材质的老化对延长焦炭塔的使用寿 命,保证焦炭塔的安全运行是很有必要的。本文从 微观组织及结构变化的角度分析了材质老化对20G 拉伸力学性能的影响,并在此基础上分析了焦炭塔 产生腰鼓变形的原因。 1 实验过程 111 试样尺寸(见图1、 图2)。 112 试样的球化级别 20号钢球化的级别可以分为未球化、 倾向性球 化、 轻度球化、 中度球化、 完全球化1。 113 试样的拉伸试验结果 从已轻度球化的20G材质上取3组试样,每组
9、 三个试样。其中两组经老化处理成中度球化和完全 球化的试样。在MTS880材料性能试验机上进行室 温(25)和高温(475)下的拉伸力学性能试验,其 试验结果如表1所示。 图1 室温拉伸试样尺寸 图2 高温拉伸试样尺寸 表1 不同老化程度下20G的室温和高温拉伸力学性能 试样状态序号 室温(25)高温(475) b(MPa)s(MPa)( %)( %)b(MPa)s(MPa)( %)( %) 轻度球化 143515032514030180591793381701901723011360134 244312829614931144531843381181871813016359182 33341
10、502001002611661177 平均值43913931019531112561823371131921842819760164 中度球化 143415031717133131621133371131841122914460194 243713231617727163621903331701811253711266134 343312029315030194601323271901811003112563181 平均值43510130913330163611783321911821123216063170 完全球化 1441108295197291446013432410317414531
11、15667155 243017932515529100581463331281741773213764161 342515025310032169641192901501631003510064111 平均值43214629115130138611003151941701743219865142 114 各组试样的金相 利用德国leika金相显微镜分析各组试样的金 相见图3。 2 结果分析 211 材质的金相结果分析 从图3中可以看出随着老化程度的加深,片状 的珠光体中的渗碳体逐渐失去了片状的特征,逐渐 向晶界扩散、 聚集,在晶界及铁素体基体上形成球状 碳化物并长大。 212 材质老化的热力学
12、原理 材料老化是个相当复杂的过程,低碳钢在高温 长期应力作用下,其老化过程主要表现为珠光体球 化2。从热力学角度分析,奥氏体在进行共析分解 时应该析出铁素体和石墨碳。但实际上即使在 缓慢冷却条件下也只能发生铁素体和渗碳体的 共析反应,生成层片相间的珠光体。层片状的珠光 体是一种亚稳组织,其中的片状碳化物,由于其表面 积大、 界面能高,当长期在高温下工作时,在界面能 降低这一驱动力的作用下,会自发地向颗粒状转变, 形成球状珠光体。与此同时,渗碳体在较高温度下 保温时,Fe3C还会发生分解:Fe3C3Fe + C,形成稳 定的石墨碳3,即产生石墨化。自由能的下降是整 个老化过程的驱动力。从以上的金
13、相照片中可以看 到珠光体发生了球化,不断趋向于析出石墨这一稳 定相。 213 材质老化对其拉伸力学性能的影响及其 微观机理分析 11 第20卷第8期 压 力 容 器 总第129期 从室温和高温下拉伸试验结果可以看出,材质 的老化对材料室温和高温抗拉强度的影响都很小。 随着材质老化程度的加深,抗拉强度和屈服强度都 会下降,高温屈服强度的下降幅度更大。本试验中 当材质达到完全球化时,475 高温屈服强度较轻度 球化时下降了1115% ,而且,475 高温屈服强度近 乎只有同一温下抗拉强度的一半。材质的塑性指标 随着老化程度的加深略有增加,但是增加的幅度很 小。 (a) 原始试样轻度球化组织 500
14、 (b) 中度球化组织 500 (c) 完全球化组织 500 图3 各阶段金相组织照片 片状珠光体的球化现象实质上也是一个扩散的 过程。在常温下,由于原子的扩散速度非常缓慢,即 使使用很长时间,也不易觉察到这种转变过程。随 着温度的提高,原子扩散速度加快,球化过程就变得 明显,性能渐趋劣化1。 20G材质中的片状珠光体中的渗碳体在表面能 减小这一驱动力的作用下向球状发展,也就是材质 发生老化的过程。珠光体球化后强度降低的原因是 因为球状碳化物对位错运动的阻力小于片状碳化 物。当材料组织为片状珠光体时,位错只能在片状 铁素体处做短距离运动,当遇到片状碳化物时,由于 其硬而脆,不能塑变,而造成位错
15、在片状碳化物处塞 积,只有在更高的外力下,位错才能克服阻力而运 动,因而,片状珠光体强度较高。当碳化物成为球状 后,由于其相界面减小,降低了界面强化作用,位错 在遇到球状碳化物时,可以绕过球状粒子而继续运 动,因而球化组织强度低4。球化程度愈严重,球状 粒子越粗大,相界面越少,并且由于半径较大的粒子 是通过半径较小粒子的溶解和再析出于其表面而长 大,在长大的过程中,粒子之间的间距变大,因而,根 据奥罗万机制,位错绕过球状第二相质点的阻力就 变小了,因此,强化作用亦愈差。研究表明当体积分 数相等时,片状第二相质点对材质的强化程度是颗 粒状第二相质点强化程度的二倍5。 在同等的抗拉强度下,球状珠光
16、体的屈服强度 较片状珠光体低,但是,塑性却较好。这是因为粒状 珠光体中的渗碳体颗粒对位错运动的阻碍作用远远 小于片状珠光体对位错运动的阻碍作用,对铁素体 的变形阻碍作用大大减弱,同时,在颗粒状的第二相 质点与其基体的界面处,由于能量较片状质点的低, 所以不易开裂而形成裂纹源,因而材质较第二相为 片状珠光体时塑性和韧性却得到改善,但是,材质的 强度降低了,已不能满足安全使用的要求。 珠光体完全球化后的进一步发展将使得Fe3C 转变为石墨碳加剧,因为石墨碳质地松软,而且与铁 素体基体的结合能力很差,因此会大大损害材质的 力学性能,严重危害焦炭塔的安全运行,材质应进行 恢复处理或报废。故建议将完全球
17、化作为判定材质 寿命的标准。 214 焦炭塔腰鼓现象的分析 材质的老化使焦炭塔材质的屈服强度降低,而 且,在每一工作循环中,随着塔壁温度的升高材质的 屈服强度也要下降,在焦炭塔运行时所受最大压力 作用下,筒体局部最脆弱地区的母材必将发生塑性 变形,由于内压作用下在局部地方形成鼓凸变形,使 得焦炭塔材质中位错的密度不断增加,因此位错在 运动时的相互交割加剧,结果产生固定割阶、 位错缠 结等障碍,使位错运动的阻力增大,引起变形的抗力 增加,塑性变形受到抑制。同时筒体的其它部位仍 21 CPVT 珠光体球化对20G拉伸力学性能的影响 Vol20.No8 2003 处在弹性状态,处于弹性状态的材料对于
18、局部屈服 地区起着一定的限制作用,使局部区域的变动不可 能继续增加,因而不会导致整个塔体失效6。焦炭 塔在出焦的过程中筒体所受的压力减小,温度开始 降低,母材的屈服强度又回升,所以塑性变形停止。 焊缝在焦炭塔的工作过程中检测发现其强度较母材 的高很多,因此,它们总是起着筋条的作用,箍住焦 炭塔母材的变形,但已产生的塑性变形保留下来了。 这样在不断的循环过程中塑性变形不断积累,最终 以腰鼓的形式存在。而焦炭塔的第二和第三筒节是 在充焦时受力最大的部位(锦西石化分公司延迟焦 化装置四台焦炭塔安全评定中实测 ) , 所以腰鼓变形 一般出现在第二和第三筒节处。 3 结论 (1)焦炭塔的材质为20G,在
19、高温下长期使用的 过程中,珠光体中的渗碳体会在界面能减小这一驱 动力的作用下发生球化,从表面能较大的片状珠光 体转变为表面能较小的球状珠光体。由于球状珠光 体对位错运动的阻碍作用较片状珠光体小,所以,造 成材质的抗拉强度和屈服强度下降。随着老化程度 的加深,抗拉强度和屈服强度下降的越多,其中高温 屈服强度下降的更加显著。 (2)焦炭塔的腰鼓现象是由于筒体局部产生的 塑性变形量的积累而导致的,材质老化使得其高温 力学性能下降对产生腰部鼓凸变形有促进作用。 参考文献: 1 DL/ T67419991 火电厂用20号钢珠光体球化评级标 准S1 2 周顺深 1 炉管珠光体球化与跛裂寿命的关系J1 华东
20、 电力,1995 , ( 5 ) : 7 - 111 3 崔忠圻 1 金属材料学及热处理M1 北京:机械工业出 版社,1995,10. 4 高万夫 115CrMo钢珠光体球化对机械性能的影响J1 石油化工高等学校学报,1997,10(4 ) : 40 - 431 5 戚正风 1 固态金属中的扩散与相变M1 北京:机械工 业出版社,1998,12. 6 金志英等 1 焦碳塔的鼓胀、 裂纹容限及寿命预测J1 压力容器,1993,10(2 ) : 67 - 72. 收稿日期:2003 - 05 - 05 修稿日期:2003 - 06 - 03 作者简介:严伟(1977 - ) , 男,在读硕士。通讯
21、地址:辽宁石 油化工大学机械工程学院。 (上接第9页)不振动的1108 减小到0138,降低约 64%; (2)搭接焊角变形由不振动的0184 减小到 0134,降低约59%; (3)T型接头焊角变形由不振动的3 4 减小 到0106 2,下降率大于50%。 316 振动焊接对焊接热影响区疲劳寿命影响 振动焊接可以较明显地提高焊接热影响区的疲 劳寿命,平均效果大于10% ,最高可达3515%。其 试验见图3。 图3 振动焊接对疲劳寿命的影响 317 振动焊接对裂纹扩展寿命的影响 由于裂纹扩展速率与应力强度因子的平方成正 比,振动焊接降低了残余应力,使裂纹扩展的驱动力 降低,也延缓了裂纹控制速度
22、。另外由于振动焊接 细化了晶粒,增大了裂纹扩展的阻力,有效地减少了 非稳态裂纹扩展的几率。 4 结语 通过上述试验数据的统计及分析表明,振动焊 接技术在焊缝及热影响区组织细化、 降低残余应力、 防止焊接裂纹和工件的畸变、 提高构件的疲劳寿命、 增强焊缝力学性能等方面均优于传统的焊接技术。 在承制的HT- 7U项目的部分产品制作过程中实际 使用了振动焊接技术,经过检测其构件的成型尺寸 稳定性、 降低残余应力等方面效果十分明显,解决了 高精度产品焊接变形等技术难题。从而证明,振动 焊接技术在大型精密焊接结构件产品中具有很好的 应用前景。 收稿日期:2003 - 05 - 07 修稿日期:2003 - 06 - 13 作者简介:谢春林(1976 - ) , 男,1999年7月毕业于蚌埠坦克 学院机械制造专业,主要从事锅炉、 压力容器设计、 制造以及 焊接工艺工作。通讯地址:安徽省芜湖市芜湖金鼎锅炉有限 公司技术中心。 31 第20卷第8期 压 力 容 器 总第129期