金属材料的基础知识-钢热处理的目的及办法

(一)钢热处理的目的

压力容器、管线在制造过程将带来以下问题:由于过量的冷卷、冷矫形等冷加工所引起的冷作硬化;由于焊接引起的焊缝区组织和性能的变化;因焊接产生残余应力以及因此而导致应力腐蚀裂纹的产生和发展。因此，在加工完成的最终产品中将留下残余弹性应变场，并承受相应的弹性残余应力。残余应力的存在，将影响设备、管线的使用性能。为了达到消除焊接区峰值应变，使内应变均衡分布这一目的，可以采用多种方法，如:机械振动法、焊后加热法等。由于有许多潜在的问题主要来自焊缝区的冶金损伤，所以，采用机械振动方法以降低内应力的手段已不足以预防日后运行过程中可能出现的诸多问题。另外，金属的氢脆现象已比较为人们所关注。氢进入金属后，机械性能会发生明显的变坏，强度和塑性都有所降低，溶解金属晶格中的氢，使钢在缓慢变形时发生脆性破坏。金属中的氢可以是在材料生产工艺过程中吸收的，如焊接时液态金属吸收的氢保留在焊缝中，也可能是材料在氢环境下使用而吸收的氢。对于焊缝中吸收的氢，比较有效的办法就是采取焊后热处理，它既可达到松弛和缓和残余应力，改善因焊接而被硬化和脆化的焊接影响区，提高焊缝金属的延性和断裂韧性，也可使焊接区及其附近的氢等有害气体扩散逸出。焊接的压力容器和管线是否需要焊后热处理，应从容器的用途、尺寸(特别是壁板厚度)，所用材料的性能及工作条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理:

(1)使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂的厚壁压力容器，承受大的冲击载荷和交变载荷的压力容器;

(2)厚度超过一定限度的焊制压力容器及含有铬钼等元素、焊后易出现裂纹的管材焊制的压力管线;

(3)对尺寸要求较高的压力容器;

(4)由淬硬倾向大的钢材制造的压力容器;

(5)有应力腐蚀开裂危险的压力容器;

(6)其它有专门规程、规范或图样予以规定的压力容器;

(二)钢热处理的方法

热处理的方法有两类，一类为改善机械性能的热处理;另一类为焊后热处理(PWHT)。广义地说，焊后热处理就是工件焊完之后对焊接区域或焊接构件进行的热处理，其内容包括消除应力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、回火低温消除应力、析出热处理等。狭义地说，焊后热处理指消除应力退火，即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，从而对焊接区及有关部位在金属相变温度点以下均匀而又充分地加热，然后又均匀冷却的过程。

退火:

退火又可分完全退火(重结晶退火)、去应力退火和再结晶退火。退火工艺是把钢加热到临界点或再结晶温度以上，保温一定时间后缓冷，使组织接近平衡状态。完全退火主要用于亚共析钢和热轧型材，目的是细化晶粒、消除内应力和改善钢的性能;去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件和冷拉件等的残余应力;再结晶退火则主要用于消除变形硬化和残余应力，以降低硬度，提高塑性。

正火:

正火是将钢加热到临界点以上30℃–50℃，保温后在空气中冷却，得到珠光体型的组织的热处理工艺。正火主要用于碳钢和低合金钢，以提高其机械性能，细化晶粒，改善组织。

淬火:

淬火是将钢加热到AC3或是临界点以上30℃-50℃，保温后以大于临界冷却速度快速冷却的热处理工艺，淬火一般是为了得到马氏体组织，使钢得到强化。

回火:

回火是将淬火后为了消除残余应力及获得所需要的组织和性能的淬火钢重新加热到临界点以下某一温度，保温后进行冷却的热处理工艺，按回火温度不同，可分为低温回火、中温回火和高温回火。调质:通常将淬火加高温回火的热处理工艺称为调质。调质后获得回火索氏体组织，可使钢件得到强度与韧性相配合的良好的综合机械性能。

固溶处理:

是将合金加热至高温单相区，并经过充分的保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和的固溶体的工艺，其目的是为了改善金属的塑性和韧性，并为进一步进行的沉淀硬化处理准备条件。