金屬材料的基礎知識-鋼熱處理的目的及辦法

(一)鋼熱處理的目的

壓力容器、管線在制造過程將帶來以下問題:由于過量的冷卷、冷矯形等冷加工所引起的冷作硬化;由于焊接引起的焊縫區組織和性能的變化;因焊接產生殘余應力以及因此而導致應力腐蝕裂紋的產生和發展。因此，在加工完成的最終產品中將留下殘余彈性應變場，并承受相應的彈性殘余應力。殘余應力的存在，將影響設備、管線的使用性能。為了達到消除焊接區峰值應變，使內應變均衡分布這一目的，可以采用多種方法，如:機械振動法、焊后加熱法等。由于有許多潛在的問題主要來自焊縫區的冶金損傷，所以，采用機械振動方法以降低內應力的手段已不足以預防日后運行過程中可能出現的諸多問題。另外，金屬的氫脆現象已比較為人們所關注。氫進入金屬后，機械性能會發生明顯的變壞，強度和塑性都有所降低，溶解金屬晶格中的氫，使鋼在緩慢變形時發生脆性破壞。金屬中的氫可以是在材料生產工藝過程中吸收的，如焊接時液態金屬吸收的氫保留在焊縫中，也可能是材料在氫環境下使用而吸收的氫。對于焊縫中吸收的氫，比較有效的辦法就是采取焊后熱處理，它既可達到松弛和緩和殘余應力，改善因焊接而被硬化和脆化的焊接影響區，提高焊縫金屬的延性和斷裂韌性，也可使焊接區及其附近的氫等有害氣體擴散逸出。焊接的壓力容器和管線是否需要焊后熱處理，應從容器的用途、尺寸(特別是壁板厚度)，所用材料的性能及工作條件等方面綜合考慮決定。有下列情況之一的，應考慮焊后熱處理:

(1)使用條件苛刻，如在低溫下工作有發生脆性斷裂的厚壁壓力容器，承受大的沖擊載荷和交變載荷的壓力容器;

(2)厚度超過一定限度的焊制壓力容器及含有鉻鉬等元素、焊后易出現裂紋的管材焊制的壓力管線;

(3)對尺寸要求較高的壓力容器;

(4)由淬硬傾向大的鋼材制造的壓力容器;

(5)有應力腐蝕開裂危險的壓力容器;

(6)其它有專門規程、規范或圖樣予以規定的壓力容器;

(二)鋼熱處理的方法

熱處理的方法有兩類，一類為改善機械性能的熱處理;另一類為焊后熱處理(PWHT)。廣義地說，焊后熱處理就是工件焊完之后對焊接區域或焊接構件進行的熱處理，其內容包括消除應力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、回火低溫消除應力、析出熱處理等。狹義地說，焊后熱處理指消除應力退火，即為了改善焊接區的性能和消除焊接殘余應力等有害影響，從而對焊接區及有關部位在金屬相變溫度點以下均勻而又充分地加熱，然后又均勻冷卻的過程。

退火:

退火又可分完全退火(重結晶退火)、去應力退火和再結晶退火。退火工藝是把鋼加熱到臨界點或再結晶溫度以上，保溫一定時間后緩冷，使組織接近平衡狀態。完全退火主要用于亞共析鋼和熱軋型材，目的是細化晶粒、消除內應力和改善鋼的性能;去應力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件和冷拉件等的殘余應力;再結晶退火則主要用于消除變形硬化和殘余應力，以降低硬度，提高塑性。

正火:

正火是將鋼加熱到臨界點以上30℃–50℃，保溫后在空氣中冷卻，得到珠光體型的組織的熱處理工藝。正火主要用于碳鋼和低合金鋼，以提高其機械性能，細化晶粒，改善組織。

淬火:

淬火是將鋼加熱到AC3或是臨界點以上30℃-50℃，保溫后以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝，淬火一般是為了得到馬氏體組織，使鋼得到強化。

回火:

回火是將淬火后為了消除殘余應力及獲得所需要的組織和性能的淬火鋼重新加熱到臨界點以下某一溫度，保溫后進行冷卻的熱處理工藝，按回火溫度不同，可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。調質:通常將淬火加高溫回火的熱處理工藝稱為調質。調質后獲得回火索氏體組織，可使鋼件得到強度與韌性相配合的良好的綜合機械性能。

固溶處理:

是將合金加熱至高溫單相區，并經過充分的保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和的固溶體的工藝，其目的是為了改善金屬的塑性和韌性，并為進一步進行的沉淀硬化處理準備條件。