q345r材料受火損傷后的熱暴露試驗研究

q345r材料受火損傷后的熱暴露試驗研究

p345r是針對壓力顯統(tǒng)的鋼板。廣泛應(yīng)用于典型工程中。它是低合金鋼和一般力學(xué)的完美結(jié)合。本研究通過在不同受火溫度、保溫時長及冷卻方式條件下的熱處理來模擬Q345R鋼板受火損傷的熱暴露試驗,并經(jīng)過對經(jīng)受相應(yīng)熱處理后材料的拉伸性能、沖擊性能以及硬度、微觀組織等進行深入研究,進一步總結(jié)規(guī)律,以期相關(guān)研究結(jié)果可用于石化企業(yè)Q345R材料現(xiàn)場設(shè)備災(zāi)后的損傷評定。1測試1.1材料化學(xué)成分分析Q345R鋼板規(guī)格為260mm×130mm×13mm(長×寬×厚),試樣處理分為3步:加熱、保溫、冷卻。通過將材料置于馬弗爐中持續(xù)經(jīng)受加熱過程與保溫過程來模擬材料在火災(zāi)條件下的狀態(tài),進一步依照API579《服役適應(yīng)性》將Q345R材料的熱暴露區(qū)間劃分為IV、V、VI區(qū)間,溫度區(qū)間設(shè)定為204℃～427℃、427℃～732℃及>732℃參照GB/T223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》對未受火材料的化學(xué)成分進行進一步分析,分析結(jié)果符合GB713《鍋爐和壓力容器用鋼板》中對Q345R鋼的技術(shù)要求。分析結(jié)果見表1。1.2拉伸試驗及預(yù)沖擊試驗將經(jīng)受加熱、保溫、冷卻過程后的材料制成滿足沖擊、拉伸、硬度試驗要求的尺寸,分別依照標準GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》及GB/T231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分:試驗方法》進行試驗,在受火及未受火處理條件下分別進行平行測試3次。1.3微觀組織結(jié)構(gòu)的測定未受火及受火后試樣經(jīng)取樣、磨制、拋光、腐蝕等制樣后,采用金相顯微鏡MEF-3觀察其微觀組織結(jié)構(gòu),晶粒度評定依照GB/T6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》中的相關(guān)要求。2結(jié)果和分析2.1拉伸性能的變化圖1至圖4分別為Q345R屈服強度、拉伸強度、伸長率、斷面收縮率隨受火溫度、保溫時長及冷卻方式變化的曲線。由圖1可得,受火前,Q345R的屈服強度為372.22MPa;受火后,不論何種冷卻方式,當(dāng)受火溫度小于649℃,Q345R的屈服強度隨著溫度的升高基本維持在370MPa左右;當(dāng)受火溫度為732℃～816℃,冷卻方式對屈服強度影響較大。在732℃下保溫60min空冷下的屈服強度為333MPa,與未受火狀態(tài)相比下降10%;在732℃下保溫60min水冷下的屈服強度為297MPa,與未受火狀態(tài)相比下降20%。模擬火災(zāi)后的屈服強度與室溫屈服強度指標345MPa相比由圖2可得,受火前,Q345R的拉伸強度為542.82MPa;受火后,在空冷條件下,當(dāng)受火溫度小于649℃,Q345R的拉伸強度隨著溫度的升高基本維持在542MPa左右,當(dāng)受火溫度在649℃～816℃之間時,隨著溫度的上升,拉伸強度有下降的趨勢,在816℃下保溫60min時,拉伸強度與未受火條件相比下降11%。在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于732℃,Q345R的拉伸強度隨著溫度的升高維持在542MPa左右,當(dāng)受火溫度在732℃～816℃之間時,隨著溫度的上升,拉伸強度均有一定程度的增大。當(dāng)受火溫度為816℃時,冷卻方式對抗拉強度影響較大。模擬火災(zāi)后的拉伸強度與室溫拉伸強度指標510MPa～640MPa相比由圖3可知,受火前,Q345R的伸長率為31.04%;受火后,在空冷條件下,Q345R的伸長率隨著溫度的升高變化幅度較小,伸長率均不低于21%,滿足要求由圖4可知,受火前,Q345R的斷面收縮率為73.78%;受火后,在空冷條件下,Q345R的斷面收縮率隨著溫度的上升變化幅度較小,基本維持在71%左右;在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于732℃時,隨著溫度的上升,Q345R的斷面收縮率維持在71%左右,波動范圍較小,當(dāng)受火溫度在732℃～816℃之間時,保溫時長為15min、30min,隨著溫度的上升,斷面收縮率有急劇減小的趨勢,與未受火狀態(tài)相比最大降幅可達76%左右。綜上可知,732℃～816℃溫度下,冷卻方式對斷面收縮率影響較大。2.2受火溫度對沖擊功的影響圖5為Q345R沖擊功隨受火溫度、保溫時長及冷卻方式變化的曲線。由圖5可知,受火前,Q345R的沖擊功為96.77J;受火后,在空冷條件下,當(dāng)受火溫度小于649℃時,Q345R的沖擊功隨著溫度的升高維持在96J左右,變化幅度較小,當(dāng)受火溫度在649℃～816℃時,沖擊功有增大的趨勢,在816℃下保溫30min的沖擊功為227J,較未受火狀態(tài)增加134%。在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于593℃時,沖擊功隨著溫度的升高維持在96J左右。當(dāng)受火溫度為649℃～816℃時,沖擊功隨溫度的升高有大幅下降的趨勢,816℃下保溫15min的沖擊功僅為6.5J,與未受火條件相比下降93%。當(dāng)受火溫度小于等于593℃時,空冷狀態(tài)下的沖擊功和水冷狀態(tài)下的沖擊功相差不大。當(dāng)受火溫度為732℃、816℃時,水冷狀態(tài)下的沖擊功明顯小于空冷條件下的?？绽錀l件下沖擊功均≥41J,滿足要求2.3溫度和時間對硬度的影響圖6為Q345R的布氏硬度隨受火溫度、保溫時長及冷卻方式變化的曲線。由圖6可知,受火前,Q345R的硬度為153HB。受火后,在空冷狀態(tài)下,Q345R的硬度隨著溫度的上升變化幅度較小,約在140HB～155HB范圍內(nèi),在732℃下保溫60min的硬度為140HB,與未受火條件相比下降13HB。在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于732℃,Q345R的硬度隨著溫度的升高變化不大,約在150HB～160HB范圍內(nèi),當(dāng)受火溫度在732℃～816℃,保溫時長為15min、30min、60min時,硬度有急劇增大的趨勢,最大值達到254HB,冷卻方式對硬度的影響非常大。當(dāng)受火溫度小于等于427℃時,空冷狀態(tài)下的硬度與水冷狀態(tài)下的比較相差無幾。當(dāng)受火溫度大于等于482℃時,水冷狀態(tài)下的硬度明顯大于空冷狀態(tài)下的硬度。2.4微觀組織的變化2.4.1受火后各受火冷卻方式對組織的影響保溫5min時各個受火溫度、不同冷卻方式下的金相組織結(jié)構(gòu)均為鐵素體+珠光物,且隨溫度升高無明顯變化。圖7所示為保溫60min時各個受火溫度、冷卻方式下的組織結(jié)構(gòu)。圖7(a)為Q345R材料未受火的金相組織,當(dāng)受火溫度小于等于649℃時,帶狀組織特征明顯,金相組織無明顯變化,組織為鐵素體+珠光體;當(dāng)受火溫度為816℃時,帶狀組織減少直至消失,整體組織結(jié)構(gòu)趨向均勻化,珠光體發(fā)生明顯分解。2.4.2晶粒度的測定保溫5min時各個溫度、冷卻方式下的晶粒結(jié)構(gòu)隨著溫度的升高,晶粒度變化較小。圖8所示為保溫時長為60min時各個受火溫度、冷卻方式下的晶粒結(jié)構(gòu)。圖8(a)為未受火的晶粒度,圖8(a)～8(i)晶粒度分別為8.0級、8.0級、7.5級、7.5級、8.0級、8.5級、8.5級、7.5級、7.0級。由此可知,隨著溫度的升高,晶粒度變化較小,水冷狀態(tài)下晶粒與相應(yīng)溫度空冷狀態(tài)下的晶粒相比,大小較為不均勻。2.4.3脫碳層的變化在所有溫度參數(shù)下進行5min的熱處理,材料均不會發(fā)生明顯脫碳現(xiàn)象。不同受火溫度、不同冷卻方式下保溫60min組織脫碳層的變化如圖9所示。由圖9可知,在所有不高于649℃溫度下進行60min的熱處理,材料都不會發(fā)生明顯脫碳現(xiàn)象,在816℃下進行的熱處理會使材料表面發(fā)生脫碳,脫碳層最大深度約為200μm。2.5熱處理試樣的表面測試鋼板經(jīng)過不同受火溫度和保溫時長的熱處理,空冷或水冷后,鋼板表面的顏色發(fā)生變化,如圖10所示。由圖10可以看出,對于受火溫度較低的、保溫時長較短的熱處理試樣的外觀與未熱處理試樣的相比無明顯變化,表面均有紅褐色氧化層;受火溫度649℃、保溫30min、水冷條件下的氧化層則完全剝落,表面出現(xiàn)黃褐色銹跡;在816℃保溫60min空冷條件下的大部分氧化層已剝落;在816℃保溫60min水冷條件下的氧化層完全剝落,表面出現(xiàn)棕色銹跡。3受火后材料的力學(xué)性能本研究通過對Q345R材料進行不同受火溫度、保溫時長和冷卻方式的熱處理來模擬受火損傷的熱暴露試驗,得出了經(jīng)歷不同熱處理后Q345R材料的力學(xué)性能和微觀組織變化規(guī)律,結(jié)論如下:(1)在20℃～816℃的范圍內(nèi),20℃～649℃時,不論何種冷卻方式和受熱時間,Q345R屈服強度、拉伸強度、伸長率、沖擊功均滿足要求。當(dāng)受火溫度為732℃、保溫時長為30min和60min時不論何種冷卻方式下,均不滿足要求;當(dāng)受火溫度為816℃,保溫時長為15min、30min、60min時,不論哪種冷卻方式下也不滿足要求,保溫時長為5min水冷條件下同樣不滿足,其余條件均滿足材料的力學(xué)性能要求。(2)在20℃～816℃的范圍內(nèi),空冷條件下,Q345R材料布氏硬度變化不大,約在140HB～155HB范圍內(nèi);在水冷條件下,當(dāng)受火溫度不高于732℃時,布氏硬度隨溫度、保溫時長維持在150HB～160HB范圍內(nèi),當(dāng)溫度高于732℃時,硬度值明顯增加,最大達到254HB,冷卻方式對硬度值影響較大。(3)當(dāng)溫度低于649℃時,材料組織為鐵素體+珠光體,組織無明顯變化;當(dāng)溫度高于649℃時,金相組織明顯發(fā)生變化,珠