提高16MnR钢板抗拉强度的探讨

北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第1页共12页提高16MnR钢板抗拉强度的探讨摘要：对16MnR钢板强度偏低的原因进行了探讨，并提出了相应的改进措施。钢中MnS夹杂和少量的马氏体、贝氏体组织是导致钢板伸长率和冲击性能不合格的主要原因，消除钢板性能不合格的主要措施是降低钢中的夹杂物和调整轧制和冷却工艺。关键词：钢板；强度；成分1前言16MnR钢板是生产压力容器的主要材料，广泛应用于压力气罐、气瓶、反应器、换热器等设备的制造，是一种有较高技术含量的高附加值产品，为生产企业创造了较高的效益，其性能是否可靠直接关系到使用者的安全。16MnR钢是GB6654标准中的压力容器用钢，该钢属于低合金钢，主要用于制造各类中低压压力容器，其使用条件复杂，有的盛装易燃、易爆物品，有的盛装有毒物品，这些易燃易爆，有毒物品一旦泄漏，将会造成严重的环境污染并危害人身安，因此容器的质量好坏是保证人身安全，防止环境污染的关键所在。所以，16MnR作为压力容器用钢应具备以下要求：第一要具有足够的强度。按现行压力容器设计标准，受压部件的强度计算是以弹性失效为计算准则，以理想化的薄壳理论为依据，虽然已经考虑了安全系数，但在开孔和几何形状不连续处的局部应力巳接近或达到材料的屈服强度，因此16MnR钢必须具备足够的强度，特别是在经过热加工和多次热处理后要求钢材仍应保证强度性能下低于标准规定的下限值，第二要具有良好的塑性和韧性。压力容器用钢具有足够的塑性和韧性储备北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第2页共12页是压力容器抗脆断的必要条件之一，也是压力容器各种部件，封头，筒体，卷制，热压成形制造工艺的需要。第三要具有优良的焊接性。压力容器用钢具有优良的焊接性能是保证产品焊接质量的首要条件。第四要具有高的耐蚀性。压力容器用钢具有足够的耐蚀性以确保压力容器的长期安全运行。目前很多公司生产的16MnR钢板的性能虽然大部分能满足用户的要求，但质量还不太稳定，其关键的性能指标，尤其是强度指标合格率还较低，在一定程度上制约了公司容器板的销售和新品种的开发。本文通过对某公司生产的16MnR钢板的性能统计和现场调查，分析了影响性能的主要原因，并就此问题提出了相应的解决措施。目录1、1碳、锰含量的调整1、2硫含量的控制1、3带状组织1、4轧制温度对冷弯性能的影响2影响16MnR强度的原因2．1原料的影响2．2控制轧制和控制冷却2．2．1控制轧制2．2．2控制冷却3改进措施北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第3页共12页一、16MnR钢板性能现状16MnR钢的主要强化元素是C、Mn，C、Mn含量与16MnR钢的冷弯合格率关系见表1。由表1可看出．碳当量增加，冷弯合格率下降，所以对于16MnR不应靠提高碳当量来达到强化目的，而应以合金强化，同时降低碳当量。表1碳、锰含量与16MnR冷弯合格率的关系元素含量/％总批数/批冷弯合格批数/批冷弯合格率/％C含量≤0.12771000.13～0.15814758.00.16～0.19351645.7Mn含量1.20～1.35181372.21.36～1.49322371.91.5～1.78675.0Mn对16MnR冷弯性能影响不大。因此，对于16MnR可适当提高Mn含量，但Mn含量超过一定范围，会对冲击韧性产生严重影响。采用碳当量来综合衡量C、Mn对冷弯合格率的影响，见表2。由表2可见，碳当量控制为0．36％～0．42％综合效果较好，实际冶炼时可以考虑C控制为0.13％～0.16％，Mn控制为1.35％～1.55％。表2碳当量与冷弯合格率的关系北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第4页共12页碳当量Ceq≤0.360.37～0.42＞0.42总批数/批307419冷弯合格批数/批21499冷弯合格率/％70.066.247.41.2硫含量的控制16MnR中的S和Mn较易形成含有少量硫化铁等夹杂的硫化锰固溶体，MnS是一种非常容易变形的夹杂物，其变形指数接近于1。在轧制过程中MnS发生变形，并延伸成条带状，使钢材的横向塑性大幅度下降。随着夹杂物级别的增加，冷弯合格率明显下降，且塑性夹杂影响明显。对试样冷弯后在裂纹部位进行了剖切取样，通过在高倍显微镜下观察，看出塑性夹杂以灰色的MnS为主，并有一定的长度与数量；而条带状的深灰色塑性夹杂(硅酸盐夹杂)较少。MnS夹杂破坏了16MnR的连续性，当板材受到外加载荷时，夹杂物引起应力集中，导致钢板提前产生裂纹。在冷弯时，因试样上部受拉应力，拉应力方向与轧向垂直，而轧向硫化物细长，故产生的显微孔洞比较大，因此在受到与其垂直的拉应力时，易使显微孔洞相连而层状向内发展，从而导致冷弯裂纹或裂断。高倍显微镜观察，评级为1级的塑性夹杂(硫化物)短小而分散，且数量少，冷弯时不易产生裂纹。故要提高16MnR冷弯性能，必须降低钢中硫含量。表3为硫含量与冷弯合格率之间的关系。由表3可看出，S≤0.015时冷弯合格率较高。表3硫含量与冷弯的关系北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第5页共12页硫含量/％≤0.0150.016～0.020＞0.020总批数/批454038冷弯合格批数/批352520合格率/％88.062.552.61.3带状组织带状组织对冷弯合格率的影响在高温奥氏体状态下，16MnR钢中C的分布比较均匀，而富含Mn等溶质的元素仍处于枝晶间，Mn可以扩大奥氏体相区，使A3线降低，16MnR钢在热变形后，从奥氏体相区冷却时，铁素体将首先在A3温度较高的枝干部位产生，随着铁素体品核长大，碳不断在向富含碳锰等溶质、A3温度较低的枝间扩散，最后使富含碳锰等杂质的奥氏体转变为珠光体，从而使16MnR轧后呈带状组织，带状组织使16MnR横向塑性明显变坏。在钢中加入的微量的Nb不仅可以提高钢的屈服强度，而且可以降低C的含量(在屈服强度不降的情况下)，这样带状组织的级别可以减小，同时也细化了晶粒。带状组织与16MnR冷弯性能合格率的关系见表4。由表4可以看出随带状组织级别提高，冷弯性能合格率下降。表4带状组织与冷弯关系项目带状组织级别≤11.52≥2.5总批数/批60193212冷弯合格批数/批4210144北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第6页共12页冷弯合格率/％70.052.643.833.3带状组织存在显微碳锰偏析，解决或减轻带状组织最根本的方法是减轻一次带状的偏析程度。为减轻16MnR钢铸坯组织偏析，应尽可能降低硫、磷含量，并设法促使连铸坯中心凝固等轴晶化。体现到工艺操作上就是尽可能采用低温浇注、低速浇注和强化电磁搅拌。从机械上考虑就是设法防止铸坯坯壳鼓肚。减轻带状组织的另一个方法是抑制或减轻一次带状组织对二次带状组织的影响。在无轧后热处理的情况下。可加快钢板轧后冷却速度，以抑制碳在一次带状组织基础上的长距离扩散，或者适当提高连铸坯加热温度，使奥氏体晶粒尺寸超过一次带状组织的条带度。1.4轧制温度对冷弯性能的影响低的轧制温度，特别是较低的终轧温度，可以导致轧制产品有明显的结晶学织构，这种织构强烈影响钢板的力学性能，而终轧温度对冷弯性能的影响，主要是通过改善非金属夹杂分布来影响宽冷弯性能的。低温轧制会使钢的带状组织严重，同时MnS在温度降低时比钢更具有可塑性，易延伸成条带状，对冷弯性能不利。MnS在800～900℃左右随着轧制温度的降低，塑性逐渐变好。在16MnR的生产中，同一坯料采用了不同的终轧温度，并统计了其冷弯合格率，如表5所示。表5终轧温度对冷弯性能的影响终轧温度/℃取样批数带状组织级别/级冷弯合格率/％晶粒度740～78018≥2.524.89.5北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第7页共12页780～80024≥1.543.49.0～9.5800～820261～263.39.0820～840251～1.570.28.5～9.0840～87020≤174.68.0～8.5从表5可以看出，随着终轧温度的提高。16MnR钢带状组织级别降低，冷弯性能明显改善，但终轧温度升高，晶粒变粗。对力学性能不利。总结生产经验，认为终轧温度为800～840℃时可二者兼顾，16MnR钢综合力学性能较好。通过对某公司2006年1～9月生产的896批16MnR钢板的统计，得到了各项性能指标的数值范围，通过与国家标准的比较得到了如下结果(见表6)。表62006年1—9月生产的16MnR性能指标分类延伸率/％冲击功/J抗拉强度/MPa国家标准≥21≥31490～640平均值2759535数值波动范围24～3240～70455～600结论较好，有一定富余量较好，有一定富余量指标偏低，波动在标准的中下限通过以上分析，可见容器板的塑性、韧性均较好，且有一定富余量，只有强度指标较低，研究具体不合格批次的强度数值发现，不合格批次的强度指标都略低于标准下限，与标准下限最大差为35MPa，平均差为12MPa。本文把如何提高16MnR钢板的抗拉强度作为研究对象。二、影响16MnR强度的原因北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第8页共12页2．1原料的影响通过分析得出，坯料的化学成分对16MnR的强度指标有一定影响。表7合格批次与不合批次成分均值对比％CeqCSiMnPS68批不合格批次的平均含量0.370.140.321.360.0180.0171～9月合格批次的平均含量0.400.160.331.420.0200.015为了更加深入分析成分的影响，又将不合格钢板的板坯成分与合格板坯的成分对比(见表7)可见，碳低了O.02％，锰低了O.06％，碳当量低了O.03％。进一步进行数理分析发现，碳当量O.40％的批次，抗拉强度合格率达99．53％；而碳当量0.40％的批次，抗拉强度合格率仅为92.59％。碳当量O.40％，平均抗拉强度为555MPa；碳当量0.40％，平均抗拉强度为530MPa，相差25MPa。16MnR钢板中含有的主要元素有碳、锰、硅、硫、磷，其中碳、锰元素对组织、性能的影响较大，一般随着碳含量增加，钢材的强度提高；锰作为有益元素，既可以降低有害元素硫的不利影响，减少热脆性，同时在钢中又起到强化铁素体和细化晶粒的作用，可提高钢的强度。基于上述理论分析，综合分析原料成分，不合格批次与合格批次的成分对比均为碳、锰的含量对抗拉强度值的影响是较大的，增加碳、锰含量可提高强度。2．2控制轧制和控制冷却北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第9页共12页2．2．1控制轧制控制轧制主要是通过控制加热制度、轧制制度等工艺参数，控制奥氏体晶粒大小和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。经过控制轧制，可细化奥氏体晶粒或增多变形奥氏体晶粒内部的滑移带，即增加有效晶界面积，为相变时铁素体形核提供更多、更分散的形核位置，得到细小分散的铁素体和珠光体，从而达到提高钢的强度，改善其韧性的目的。目前在16MnR钢板的实际生产中采用的控制轧制方法就是在奥氏体区域尽量降低轧制温度，同时增大压下量。为了控制终轧温度，一般都在轧到40～50mm厚度时进行一段时间的待温，使其终轧温度降至Ar3左右(大约860℃)再进行轧制。采用以上方法虽然使钢板性能有所改善，但其强度指标仍较低。为了进一步提高其强度，进行了大量现场试验和研究，通过对铁碳合金相图的研究，发现如果将终轧温度进一步降低到以下(大约800℃)，则轧制进入了奥氏体和铁素体的两相区(见图1)。图1局部铁碳相图在两相区温度范围轧制到一定道次，达到一定的变形量，则会使剩余的未北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第10页共12页再结晶奥氏体晶粒由于变形而继续沿轧制方向被拉长，并且在晶粒内形成新的变形带和新的位错，在这些部位形成新的铁素体晶粒。而先析出的铁素体晶粒又承受塑性变形，在铁素体晶粒内部形成大量位错，并经回复形成亚结构。这些亚结构使钢的强度提高、脆性转变温度降低。基于这一理论，在生产中适当降低了终轧温度，由原来的860℃降至800℃以下进行轧制，产品的强度均有所提高，试验了100批，仅2批不合格，合格率为98％。可见终轧温度对强度的影响较大，降低终轧