压力容器制造中的热处理

压力容器制造中的热处理

1. 概述

1）热处理对钢材性能的影响热处理是通过加热和冷却固态金属来改变其内部组织结构并获得所需性能的一种工艺。对于碳素钢、低合金钢以及合金结构钢，常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火以及它们的组合，如正火加回火、淬火加回火。对于奥氏体不锈钢，常用的热处理工艺是固溶处理和稳定化热处理（见本节第 5 条）。

①退火退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却（例如随炉冷却）的热处理

工

艺。根据钢材成分和热处理目的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火和再结晶退火等。下面简要介绍完全退火、去应力退火和再结晶退火对钢材组织和性能的影响。

a）完全退火

完全退火是把钢件加热到Ac 3以上30~50"C ，保温一定时间后在炉内缓慢冷却的热处理工艺，主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢。由于加热温度略高于Ac 3，珠光体和铁素体全

部转变为奥氏体，且奥氏体晶粒比较细小。随炉冷却至Ar 3以下时，奥氏体中首先析出铁素

体，继续冷却至Ar 1，以下时，剩余的奥氏体全部转变为珠光体。经过这样的加热和冷却过程的相变，可细化晶粒并获得接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善加工性能，消除钢件中的内应力。

b）去应力退火

去应力退火是将钢件加热到Ac i以下100~200'C，保温一段时间（在压力容器制造中通常按

1h/25mm 计算）后，缓慢冷却的工艺方法，其目的是去除或降低冷成形、焊接等所产牛的砖全应力.稳宁结构尺寸。去应力退火时，钢材并不发生相变，但可以消除焊接接头中的淬硬组织（马氏体），从而改善韧性。钢件或焊接结构中残余应力的降低主要是在加热、保温及缓慢冷却过程中通过塑性变形所产生的应力松弛来实现的。

c）再结晶退火

钢件的冷塑性变形（如封头的冷成形等）会导致冷加工硬化，使材料的强度、硬度提高，塑性、韧性降低，并产生较大的内应力。再结晶退火是将钢件加热到不超过Ac i的温度，经

适当保温后随炉缓慢冷却的工艺操作。由于温度升高时原子活动能力增大，使冷变形时破碎的、被拉长或压扁的晶粒，通过新晶体形核及核长大的过程变为均匀细小的等轴晶粒，从而消除钢件的内应力和冷加工硬化，降低钢件的强度和硬度，恢复其塑性和韧性。应当指出，再结晶不是一个相变过程，没有晶格类型的变化。再结晶也没有恒定的转变温度，一般说来，金属的冷变形量越大，退火加热时保温时间越长，越可使再结晶过程在较低的温度下完成，实际生产中，钢件的再结晶温度一般取为Ac i以下50~100C。

②正火

对于压力容器中常用的亚共析钢，正火是将钢件加热到Ac3以上50~70C,保持一定时

间后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。正火与完全退火的主要区别在于正火的冷却速度较快，使组织中的珠光体量增多，且珠光体的层片厚度减小，因此，钢件经正火处

理后，除能细化晶粒外，还能获得较高的强度和较好的综合力学性能。与完全退火相比，正火处理不但能获得较高的力学性能，而且生产周期短，经济简便，因而在可能的条件下，通常优先采用正火处理。

正火是压力容器用材料的常用热处理工艺。对于较厚的压力容器用钢板，正火处理能使钢板在整个截面上具有比热轧状态更为均匀的细晶组织和更为均匀的力学性能，因此GB 150 规定，用于壳体的厚度大于30mm 的20R 和16MnR 、用于其他受压元件（法兰、管板、平盖

等）的厚度大于50mm 的20R 和16MnR 以及厚度大于16mm 的15MnVR 钢板应在正火状态下使用。

③淬火

淬火是把钢加热到临界点（对于亚共析钢为AC3，对于共析钢和过共析钢为AC"以上30~50 C,经适当保温后快速冷却的热处理工艺。淬火处理会使钢件在横截面的全部或一走范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变，从而提高其强度和硬度。

④回火

回火是将经过淬火或正火的钢材或零件加热到Ac i以下的适当温度，保持一定时间，随

后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能和热处理工艺。

钢件淬火后的组织往往既硬又脆，而且是不稳定的组织，这样的工件一般不能直接使用，需要进行回火处理。回火的目的是:降低钢件的脆性;消除或降低内应力;通过调整回火温

度获得所要求的力学性能;稳定尺寸;改善加工性。根据钢件性能要求不同，回火可分为低温回火（150~250C卜中温回火（350~500C ）和高温回火（500~650C）。淬火后的钢件经高温回火后得到的组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。淬火加高温回火又称为调质处理，是某些压力容器材料和零件如20MnMo , 20MnMoNb ,

3 SCrMo 等钢号的锻件以及低合金钢和马氏体高合金钢螺柱（螺栓）的常用热处理工艺。

2）压力容器制造中常用热处理的种类

根据钢在加热和冷却时的组织与性能变化规律，热处理工艺可分为如前所述的退火、正火、淬火、回火等。压力容器制造中的热处理也可按其目的来分类，根据热处理的主要目的，压力容器制造中的常用热处理也可分为焊后热处理、消氢处理、恢复或达到规定力学性能的热处理以及奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化热处理。

2. 焊后热处理

1）焊后热处理的目的与种类

①焊后处理的主要目的是降低焊接残余应力，改善焊接接头的组织与性能。焊后若能立即进行热处理，还有利于释放焊缝金属中的氢，防止焊接接头产生冷裂纹。

对于碳素钢和低合金钢制造的压力容器或其受压元件，根据热处理温度的不同，焊后热

处理可分为:低于下转变温度的热处理（通常称为焊后消除应力热处理）:高于上转变温度的热处理（如正火）;先在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的热处理（正火或

淬火后继之以回火）;上下转变温度之间的热处理。奥氏体不锈钢一般不作焊后热处理，必须进行热处理且有抗晶间腐蚀要求时，可进行固溶处理或稳定化热处理（详见本节第5条）。

②对于碳素钢和低合金钢，最常用的焊后热处理是低于下转变温度的热处理，即热处

理的加热温度低于材料的下转变温度Ac i，相当于本节概述中的去应力退火，因此又称为焊

后消除应力热处理。热处理的主要目的是降低残余应力，稳定结构尺寸。由于热处理温度与材料的高温回火温度相当，对于有淬硬倾向的材料，此类热处理还能消除焊接接头中的淬硬组织，降低峰值硬度，改善焊接接头的塑性与韧性。

此类热处理降低残余应力的机理是:随着温度的升高，材料的屈服限〔或屈服强度）将降低，经过一定时间的保温，可使焊接接头中较高的残余应力通过塑性变形降低至保温温度下材料一或焊缝金属屈服限（或屈服强度）的水平，如果在高温下停留的时间较长，还会因蠕变变形所产生的应力松弛使残余应力进一步降低。

③高于上转变温度的焊后热处理主要用于电渣焊焊接接头，其目的是细化晶粒，改善焊接接头的性能。电渣焊缝的结晶组织是十分粗大的柱状晶粒，韧性较差，因此必须采用高于上转变温度的焊后热处理（如正火），使焊缝金属和母材全部奥氏体化，并通过控制加热温度和保温时间，防止奥氏体晶粒粗化，从而在冷却后获得均匀的细晶组织，达到改善焊接接头性能特别是韧性的目的。由于此类热处理的加热温度远高于消除应力热处理的温度，当然也能起到消除或降低焊接残余应力的作用。

除了电渣焊焊接接头的细化晶粒热处理外，以下情况也应视为高于上转变温度的焊后热处理。