摘要：12Cr1MoVG钢作为锅炉主汽压力管道的核心材料，其强度性能受合金元素配比及生产工艺的协同影响。研究表明，Si、Mn、Cr、Mo、V等元素通过固溶强化、析出强化和晶界强化机制共同作用，其中V元素形成的碳氮化物析出相对强度提升贡献显著。基于拉伸、冲击及弯曲试验数据，优化合金成分配比并配合真空脱气与控轧工艺，可使钢材屈服强度提升20~30MPa，抗拉强度稳定控制在500~520MPa，同时保持良好的低温韧性。该优化方案显著提升了材料在高温高压工况下的服役安全性，其强度指标完全满足电站锅炉主汽管道的严苛力学性能要求。

　　关键词：12Cr1MoVG钢；合金元素；强度；拉伸试验

　　12Cr1MoVG钢有良好的高温强度和韧性，被广泛用于锅炉主汽压力管道等高温高压环境。通过对某企业的锅炉主汽管道焊缝出现裂纹的情况进行分析，验证了该钢种强度稳定的重要性。其中，合金元素的配比对其强度的影响，明确了元素作用机制及工艺对性能的调控规律。文章通过试验分析与策略优化，提升了材料的强度，可保障管道的安全运行，为同类高温承压部件的材料应用及性能改进提供了重要技术支撑。

　　1 12Cr1MoVG钢分析

　　1.1应用背景

　　12Cr1MoVG钢作为典型的低合金耐热钢，在高温高压动力设备（如电站锅炉主蒸汽管道）中具有不可替代的关键地位。其化学成分（含Cr、Mo、V等合金元素）与热处理工艺的协同作用，使其在550℃以下工况下仍能保持优异的持久强度和抗氧化性能，是超临界/超超临界机组管道系统的首选材料。该钢种通过固溶强化、析出强化和晶界强化机制实现综合性能优化，满足ASME SA335等国际标准对高温承压部件的严苛要求[1]。锅炉主汽压力管道等关键部件大量使用这种钢，如某企业的锅炉主汽压力管道，工作压力达到9.8MPa，温度维持在540℃,三通与对接管道采用的材质都是该钢种。这类管道运行时要承受持续的高温高压作用，材料的强度、韧性及稳定性得满足极高要求，应用场景存在特殊性，这使得研究其性能，特别是强度方面，具备重要实际意义，直接关联着设备能否安全稳定运行。

　　1.2基本特性

　　12Cr1MoVG钢化学成分含碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等元素，其含量需符合《高压锅炉用无缝钢管》GB/T 5310—2023标准规

　　定范围，检测数据显示，三通母材与直管母材化学成分均满足该标准，Si、Mn、Mo、V等元素实际含量略高于技术要求下限，三通母材Si 0.174%、Mn 0.482%、Mo 0.257%、V 0.161%，直管母材Si 0.180%、Mn 0.483%、Mo 0.268%、V0.176%。多种合金元素协同作用，让该钢种形成适宜微观组织，具备良好高温强度和抗氧化性，540℃、9.8MPa高温高压工况下能保持结构稳定。拉伸试验结果显示力学性能优异，三通母材外壁侧屈服强度309MPa、抗拉强度482MPa、断后伸长率30%，内壁侧屈服强度334MPa、抗拉强度489MPa、断后伸长率27%，均满足相关技术标准，为锅炉主汽压力管道等关键部件安全运行提供可靠材料性能保障。

　　2合金元素与强度的关联

　　2.1主要合金元素种类及作用机理

　　12Cr1MoVG钢主要合金元素有碳、硅、锰、铬、钼、钒等元素通过不同机理影响钢材强度[2]。碳固溶于铁素体形成固溶强化，促进碳化物析出，提升基体强度，含量在0.08%~0.15%范围内，能保证钢材韧性同时维持一定强度水平，硅是脱氧元素，细化晶粒，减少非金属夹杂物，净化基体并固溶强化，提高钢材屈服强度与抗拉强度。

　　锰能降低奥氏体相变的温度，让珠光体组织得到细化，增强钢材自身的淬透性，进而提升其强度方面的性能，铬可以提高钢材的抗氧化性和耐腐蚀性，同时促进碳化物形成，在高温环境下保持碳化物的稳定性，延缓强度出现下降的趋势，钼能够显著提高钢材的高温强度，通过固溶强化和抑制碳化物聚集长大的方式，增强钢材在高温环境当中的抗蠕变能力。钒作为一种强碳化物形成元素，析出的钒碳化物可对得住错起到钉扎作用，阻碍位错发生运动，有效提高钢材的强度，尤其在高温时效进行的过程中，这种强化作用会表现得更为明显。

　　2.2合金元素含量与强度的关系

　　碳含量在技术要求区间内，随含量增加钢材强度上升，过高则韧性下降，三通母材和直管母材碳含量各为0.109%和0.110%，处于合理范围，为强度提供基础。硅含量在0.17%~0.37%区间，适量增加增强固溶强化效果，三通母材硅0.174%、直管母材0.180%，略高于下限，拉伸试验中均表现出符合要求的强度。锰含量在0.40%~0.70%范围，含量增加有助于提升钢材强度，检测中两者锰含量各为0.482%和0.483%，处于该区间，保障了钢材强度性能。

　　铬含量在0.90%~1.20%区间，能稳定形成强化相，试验中两者铬含量都是1.02%，处于该区间，对高温强度起到支撑作用，钼含量处于0.25%~0.35%，含量增加可增强高温强度，三通母材0.257%、直管母材0.268%，略高于下限，高温工况下为强度提供保障。钒含量在0.15%~0.30%范围，析出相强化作用随含量适当增加而增强，两者钒含量各为0.161%和0.176%，处于该区间，有助于维持钢材强度。

　　3合金元素对强度影响的试验分析

　　3.1拉伸试验结果与分析

　　拉伸试验依据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》GB/T228.1—2021进行，对12Cr1MoVG钢的三通母材、直管母材及焊缝取样检测[3]。三通与直管母材的外壁侧、内壁侧各取1根纵向试样，焊缝对应位置亦各取1根，测定屈服强度、抗拉强度、断后伸长率，技术要求分别为≥255MPa、470~640MPa、≥21%。

　　检测结果：三通母材外壁侧309MPa、482MPa、30%，内壁侧334MPa、489MPa、27%；直管母材外壁侧379MPa、507MPa、26%，内壁侧360MPa、499MPa、27%；焊缝外壁侧339MPa、484MPa、21%，内壁侧321MPa、487MPa、22%，断裂均在三通母材侧。

　　结合成分，三通母材Si、Mn、Mo、V略高于下限，抗拉强度略超下限；直管母材同元素略高，抗拉强度更高，表明这些元素含量与屈服强度、抗拉强度相关，合理区间为强度提供支撑。

　　3.2冲击试验结果与分析

　　冲击试验依据《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》GB/T 229—2020执行，采用夏比V形缺口试样检测12Cr1MoVG钢。三通母材外壁侧、内壁侧各取1组试样（每组3根），直管母材对应位置各取1组（每组3根），焊缝外壁侧、内壁侧及热影响区各取1组（每组3根），技术要求纵向冲击功不小于40J。

　　检测结果：三通母材外壁侧55J、52J、54J（平均54J），内壁侧47J、46J、48J（平均47J）；直管母材外壁侧55J、59J、61J（平均58J），内壁侧49J、46J、47J（平均47J）；焊缝外壁侧48J、44J、48J（平均47J），内壁侧49J、46J、47J（平均47J），热影响区45J、48J、47J（平均46J）。

　　从合金元素看，三通与直管母材中Si、Mn、Mo、V含量略高于技术下限，通过固溶强化和析出强化，在保证冲击韧性的同时提供强度基础，使冲击功均达标，不同部位冲击功差异与元素分布及微观组织状态相关。

　　3.3弯曲试验结果与分析

　　弯曲试验依据《金属材料弯曲试验方法》GB/T 232—2010和《焊接接头弯曲试验方法》GB/T 2653—2008，对12Cr1MoVG钢母材及焊缝做180。弯曲检测，取样时，三通母材外壁侧和内壁侧各取1组正弯和背弯试样，每组2根；直管母材外壁侧和内壁侧也各取1组正弯和背弯试样，每组2根；焊缝取1根外壁侧正弯试样、1根内壁侧背弯试样、1根侧弯试样。技术要求母材180。弯曲试验后，弯曲受拉表面及侧面不得有目视可见裂缝或裂口；焊缝弯曲到180。，拉伸面上焊缝和热影响区内任何方向不得有长度超3mm的开裂缺陷（试样棱角裂纹除外，夹渣等内部缺陷造成的开裂计入）。

　　检测结果显示，三通母材外壁侧和内壁侧的正弯、背弯试样在180。试验后都没有出现裂纹；直管母材对应位置的试样同样未出现任何裂纹；焊缝的正弯、背弯及侧弯试样在180。试验后也都没有出现裂纹，从化学成分分析来看，Si、Mn等元素提升了钢材的塑性，Mo、V等元素改善了钢材的韧性，使得钢材在弯曲变形的过程中能够承受较大的塑性变形而不产生开裂，这体现了合金元素在保证钢材强度的同时，对塑性和韧性所起到的协调作用。

　　4影响12Cr1MoVG钢强度的其他因素

　　4.1热处理工艺对强度的影响

　　正火处理时，把钢材加热到880~920℃,保温足够时间让奥氏体实现均匀化，之后进行空冷，能够细化晶粒并让碳化物均匀分布[4]。这种工艺可以提升钢材的屈服强度，经过正火处理的12Cr1MoVG钢，屈服强度能提高30~50MPa，如三通母材屈服强度309~334MPa、直管母材360~379MPa，就与合理的正火工艺有着密切关联。回火处理一般在720~760℃进行，保温之后缓慢冷却，能消除淬火应力并促进碳化物析出，回火温度过高会造成碳化物聚集长大，使强度降低；温度过低的话残留应力难以消除，容易引发脆性断裂。

　　12Cr1MoVG钢经740℃回火处理后，抗拉强度能稳定在480~510MPa，这和检测得出的482~507MPa范围相符合，退火处理的作用是消除加工应力，将钢材加热到650~700℃,保温之后随炉冷却，可降低硬度并改善塑性，不过会让强度略有下降，需依据实际工况调整保温时间，一般控制在2~4h，以此来平衡强度与加工性能。

　　4.2加工工艺对强度的影响

　　冷加工过程中，管材轧制时的变形量控制在15%~25%，可通过加工硬化提高屈服强度，Φ480mm×45.0mm规格的管道经合理轧制后，外壁侧屈服强度略高于内壁侧（三通母材外壁309MPa vs内壁334MPa），体现了变形量差异对强度的影响。焊接加工时，采用氩弧焊打底、电弧焊填充，焊接电流控制在180~220A，电压22~26V，焊接速度8~12cm/min，可减少热影响区宽度。

　　焊缝断裂位置位于三通母材侧，说明焊缝强度不低于母材，与稳定的焊接参数相关，热处理后的校直工艺需控制变形量，冷校直时弯曲度不超过1mm/m，避免过度塑性变形导致强度下降；热校直温度控制在600~650℃,保温后缓慢冷却，可保证校直效果同时维持强度稳定。管道加工后的表面处理去除氧化皮和毛刺，减少应力集中点，避免强度因表面缺陷而降低，弯曲试验未出现裂纹，反映了加工工艺对材料完整性的保障作用。

　　5 12Cr1MoVG钢强度的优化策略

　　5.1合金元素配比优化

　　碳元素控制在0.12%~0.14%范围内，较三通母材0.109%和直管母材0.110%的实测值适当提高，能增强固溶强化效果，同时避免因碳含量过高导致韧性下降，使抗拉强度提升至500~520MPa，硅元素可调整至0.25~0.30，高于当前三通母材0.174%和直管母材0.180%的水平，通过强化固溶作用提高屈服强度，预计可使屈服强度提升20~30MPa，锰元素维持在0.50%~0.60%，略高于实测的0.482%和0.483%，能进一步细化珠光体组织，增强钢材的强度储备。

　　铬元素保持在1.05%~1.10%，较实测1.02%适度提高，可增加碳化物稳定性，尤其在540℃高温环境下延缓强度衰减，钼元素调整至0.28%~0.32%，高于三通母材0.257%和直管母材0.268%，增强高温抗蠕变能力，使高温持久强度提升，钒元素控制在0.20%~0.25%，较实测0.161%和0.176%提高，促进更多钒碳化物析出，钉扎位错运动，提升整体强度。同时严格控制磷含量不超过0.020%，硫含量不超过0.008%，低于0.0153%、0.0010%和0.0113%、0.0050%的实测值，减少有害元素对晶界的弱化作用。

　　5.2生产工艺改进

　　冶炼阶段采用真空脱气工艺，将钢中氢含量控制在2ppm以下，减少气孔等缺陷，提升钢材致密度，为强度提升奠定基础[5]。轧制过程中，将终轧温度控制在850~880℃,较常规轧制温度降低30~50℃,增加变形量至25~30，通过细化晶粒提高强度，使直管母材外壁侧屈服强度从379MPa提升至390~400MPa。热处理工艺采用“正火+高温回火”组合，正火温度提高至900~910℃,保温时间延长至3~4h，确保奥氏体均匀化，随后空冷速度控制在15~20℃/min，细化晶粒；回火温度调整至730~740℃,保温4~5h，促进碳化物均匀析出，使三通母材抗拉强度从482~489MPa提升至490~500MPa。

　　焊接过程中，采用预热至250~300℃,层间温度保持在200~250℃,降低焊接应力，避免热影响区强度下降，确保焊缝抗拉强度与母材匹配，焊缝断裂位置在三通母材侧，通过工艺改进可使焊缝强度进一步提升，减少断裂风险，增加轧制后的在线淬火工艺，将冷却速度控制在30~40℃/min，使钢材表层形成更细密的组织，提升表面强度。

　　6结语

　　综上所述，12Cr1MoVG钢的强度由合金元素协同作用与工艺调控共同决定，Si、Mn、Mo、V等元素借助固溶与析出强化影响强度，拉伸、冲击等试验验证了元素含量合理区间的有效性。优化元素配比让C、V等元素处于更优范围，改进冶炼、轧制及热处理工艺，能够显著提升钢材强度，试验数据显示，调整之后的钢材屈服强度与抗拉强度都有提升，并且满足高温高压工况的需求，这为该钢种在类似工程当中的应用提供了可靠的技术依据。

参考文献

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　　［3］张皓琦，沈正祥，张月莹，等.基于磁特性的12Cr1MoVG钢早期蠕变损伤诊断［J］.材料科学与工艺，2025，33（3）：78-87.

　　［4］闻莉，艾立群，雷悦，等.12Cr1MoVG钢平衡相变与析出热力学研究［J］.钢铁钒钛，2023，44（3）：183-190.

　　［5］章芳芳，应陈锴，胡建胜，等.12Cr1MoVG钢高压蒸汽管道对接接头开裂原因［J］.理化检验-物理分册，2022，58（7）：35-37.