成形對材料力學(xué)性能的影響及恢復(fù)性能熱處理

王 軍 大連寶原核設(shè)備有限公司

翟長峰 武艷芳 魯果昌 蔣 鑫 叢 軼 苑 怡 大連中集重化裝備有限公司

成形對材料力學(xué)性能的影響及恢復(fù)性能熱處理

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對ASME和GB150關(guān)于成形的術(shù)語的定義和分類進(jìn)行了比較；分析了各類成形工藝對材料性能的影響；對于恢復(fù)材料性能和改善材料性能熱處理及所用試件進(jìn)行了討論。

冷成形 溫成形 熱成形 力學(xué)性能 恢復(fù)性能熱處理 試件

GB150.4-2011規(guī)定鋼板冷成形受壓元件，當(dāng)變形率超出規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)于成形后進(jìn)行相應(yīng)熱處理恢復(fù)材料的性能，若熱成形或溫成形改變了材料供貨熱處理狀態(tài)，應(yīng)重新進(jìn)行熱處理恢復(fù)材料供貨熱處理狀態(tài)。同時(shí)規(guī)定，改善或恢復(fù)材料性能的熱處理應(yīng)帶母材和焊接試件[1]。于是，某些設(shè)計(jì)單位按照該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求制造單位冷成形封頭和彎管帶母材試件進(jìn)行同爐熱處理。由于母材的板或管并未參與變形，如果說熱成形的母材試件能夠代表相變以上溫度的恢復(fù)性能或改善性能熱處理后產(chǎn)品的性能的話，未參與變形的冷成形母材試件(板或管)與成形產(chǎn)品同爐進(jìn)行消除應(yīng)力或再結(jié)晶退火熱處理能代表什么，誰也說不明白，它只不過是原材料的一次模擬熱處理,與產(chǎn)品并無關(guān)系。如果說GB/ T25198-2010要求所有冷成形的碳鋼、低合金鋼封頭必須熱處理有些過分的話,但畢竟沒要求帶恢復(fù)性能的母材試板[2]，而某些要求冷成形封頭或彎管帶母材試件進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理的規(guī)定著實(shí)讓人無法理解。

1 成形過程對壓力容器材料性能的影響

1.1 成形的分類和術(shù)語定義

● 1.1.1 ASME規(guī)范對成形的分類和術(shù)語定義

ASME規(guī)范并未對成形進(jìn)行明確分類。但在第Ⅱ卷SA20中將熱成形定義為“鋼板被加熱到發(fā)生晶粒細(xì)化所需的溫度后，使其產(chǎn)生永久變形的加工”[3]，顯然定義所指的是發(fā)生相變重結(jié)晶的溫度。ASME-Ⅷ-1中規(guī)定在120-480℃成形作為冷成形后需熱處理的條件之一[4],因此，可以認(rèn)為480℃以下屬冷成形。ASME中文版將“temperature required to produce grain refinement”譯為“再結(jié)晶溫度”。實(shí)際上，原文并無“再結(jié)晶溫度”的意思，在專業(yè)科技詞典中應(yīng)為“發(fā)生晶粒細(xì)化的溫度”。而通常所說的“再結(jié)晶溫度”是指相變溫度以下的再結(jié)晶退火溫度，一般為金屬或合金熔點(diǎn)的0.35～0.45（鋼材約為480℃以上)，英文專業(yè)詞典中為“recrystallization temperature”[5],從該規(guī)范第Ⅱ卷關(guān)于熱成形可以代替正火的規(guī)定可以看出，ASME規(guī)范定義的“熱成形”一般是指相變溫度以上奧氏體化溫度的成形，形變過程中同時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)（dynamic recovery)和再結(jié)晶(recrystallization),其后的冷卻使奧氏體發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶（相變重結(jié)晶)。而通常所說的“再結(jié)晶”是指金屬冷變形后的靜態(tài)回復(fù)（static recovery)和再結(jié)晶，二者的主要區(qū)別在于前者發(fā)生相變，后者不發(fā)生相變。

● 1.1.2 GB150.4對成形的分類和術(shù)語定義

GB150對熱成形的定義與ASME中文版相同，稱之為“在工件材料再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工”,將冷成形定義為“在工件材料再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形加工”。本來熱成形和冷成形的界限已經(jīng)明確，二者之間并無其他溫度范圍。但是，該標(biāo)準(zhǔn)又將“在工程實(shí)踐中”環(huán)境溫度下進(jìn)行的塑性變形加工稱為冷成形，將環(huán)境溫度與熱成形之間的塑性變形加工稱為“溫成形”，這個(gè)“溫成形”實(shí)際上就是ASME規(guī)范中的環(huán)境溫度至480℃以下的“冷成形”。這種自相矛盾的成形分類，正是導(dǎo)致該標(biāo)準(zhǔn)將120～480℃冷成形后熱處理被遺漏的原因[6]。

● 1.1.3 工程實(shí)踐中對成形的分類

實(shí)際上，如果一定要區(qū)分冷成形、溫成形和熱成形的話，應(yīng)該把不發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶的成形稱為冷成形，如鋼在480℃以下的成形；通常將在相變溫度以上的奧氏體化溫度的成形稱為熱成形；介于再結(jié)晶溫度與相變溫度之間的發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶的成形，應(yīng)稱為溫成形。工程實(shí)踐中，壓力容器用鋼的冷成形一般是指環(huán)境溫度的成形；溫成形一般是指500～680℃之間的成形，即根據(jù)材料的不同供貨狀態(tài)，在比下臨界溫度低40℃（75℉）或低于材料回火溫度以下的溫度范圍加熱成形，保證材料供貨狀態(tài)的性能不被破壞。

1.2 冷成形過程材料性能的變化

在冷成形過程中，隨著變形率的增加，碳鋼、低合金鋼的強(qiáng)度、硬度直線上升；在相當(dāng)大的變形率范圍內(nèi)（50%）鋼的伸長率和斷面收縮率幾乎不變；鋼的沖擊韌性在變形率10%以內(nèi)只有輕微下降，當(dāng)變形率超過10%后即迅速下降[6]。冷成形對奧氏體不銹鋼的有害影響主要是形變馬氏體的形成和強(qiáng)度、硬度增加使其耐蝕性變壞，導(dǎo)致腐蝕率超標(biāo)并增大了應(yīng)力腐蝕敏感性[7-8]。

1.3 溫成形的溫度范圍及對材料性能的影響

溫成形的主要目的一是為降低材料的變形抗力，提高設(shè)備對厚板的成形能力，二是避免材料冷作硬化，破壞材料供貨狀態(tài)的組織和性能。溫成形一般在500～680℃之間進(jìn)行，材料一邊發(fā)生形變和晶格畸變，一邊進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，成形溫度盡可能采用上限,利用回復(fù)再結(jié)晶保持材料的組織和性能，但又不能超過回火溫度(回火鋼)或材料的下臨界溫度(正火鋼)，避免組織改變和性能下降。正確的溫成形，不改變材料的組織和性能，成形后不必再進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理。對于不銹鋼，由于溫成形處于敏化溫度區(qū)，因此不宜采用，而應(yīng)采用冷成形或在固溶溫度范圍加熱成形。

從表3可以看出，合金鋅粉加入量按照貧鎘液鈷的30倍加入，鋅粉消耗量大，除鈷效率不到20%，鎘也并未置換出來，并未有效地解決系統(tǒng)鈷循環(huán)、富集的問題。

1.4 熱成形溫度的控制及對材料性能的影響

由于設(shè)備能力的限制，厚板采用熱成形是不可避免的。合理的熱成形制度可以代替正火或固溶處理，減少能源消耗，縮短制造周期。低碳低合金鋼可在900～1050℃之間選擇加熱溫度，并在上臨界溫度以上（大多在850℃以上）終止成形，以代替正火。對于非穩(wěn)定奧氏體不銹鋼可在固溶溫度下限以上加熱成形，在950℃以上終止成形后水冷；穩(wěn)定化不銹鋼可在穩(wěn)定化溫度以上加熱成形，在穩(wěn)定化溫度終止成形空冷或水冷，以保證其耐蝕性不被損害。

2 恢復(fù)性能熱處理及改善性能熱處理

2.1 恢復(fù)性能熱處理與改善性能熱處理的區(qū)別

恢復(fù)材料性能熱處理是指材料在產(chǎn)品制造過程中供貨狀態(tài)的組織和性能受到損壞，需按供貨時(shí)的熱處理規(guī)范重新熱處理予以恢復(fù)。改善或提高性能的熱處理是指材料的原有性能不能滿足產(chǎn)品使用需要，需用新的熱處理方法加以改善或提高。例如，某些鍛件正火狀態(tài)供貨，組織和性能雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但偏于下限，可用正火加熱后的快冷細(xì)化晶粒，或改變組織結(jié)構(gòu)提高材料性能；又如原始狀態(tài)的焊縫，通過焊后熱處理消除應(yīng)力、降低硬度、提高塑性和韌性就屬于改善性能的熱處理。改善或提高性能熱處理不屬于標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制規(guī)定，而是根據(jù)設(shè)計(jì)和使用者對產(chǎn)品服役條件的更高需要要求制造單位進(jìn)行。

2.2 成形后材料性能的恢復(fù)

● 2.2.1 冷成形材料的性能恢復(fù)

為了恢復(fù)冷變形材料的性能，可根據(jù)不同需要采用不同的熱處理規(guī)范。對壓力容器用低合金鋼，為去除冷變形應(yīng)力，可在550～650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火；為使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除形變強(qiáng)化和殘留應(yīng)力，可在600～700℃進(jìn)行再結(jié)晶退火。但是，當(dāng)冷變形率達(dá)6%～15%范圍時(shí)成形后的熱處理會(huì)造成晶粒長大，除非用于應(yīng)力腐蝕工況，不宜進(jìn)行再結(jié)晶退火處理[9]。

冷成形的奧氏體不銹鋼，特別是鎳當(dāng)量小于25%的奧氏體不銹鋼會(huì)形成形變誘導(dǎo)馬氏體，降低其耐蝕性。如在腐蝕工況服役，應(yīng)進(jìn)行固溶處理，消除形變馬氏體。通過對304L不銹鋼盤管冷彎成形和固溶處理后的金相組織檢驗(yàn)證實(shí)，盤管冷彎后變形處存在大量形變馬氏體，1100℃保溫10min電阻加熱固溶處理后，馬氏體消失，變?yōu)橥耆珚W氏體組織。對于通過應(yīng)變強(qiáng)化提高硬度和強(qiáng)度或應(yīng)用于耐磨的奧氏體不銹鋼，則不必進(jìn)行固溶處理，如螺栓和彈簧可進(jìn)行低溫穩(wěn)定尺寸熱處理（320～420℃)。

● 2.2.2 溫成形材料的性能恢復(fù)

溫成形以減小材料變形抗力，又不損害材料性能為原則。除非溫成形溫度超出回火溫度或下臨界溫度，改變了材料供貨狀態(tài)的組織和性能，熱成形后一般不需做恢復(fù)性能熱處理。這里的溫成形，不是環(huán)境溫度和再結(jié)晶溫度之間的“溫成形”，而是480℃以上，下臨界溫度以下溫度的溫成形。溫成形溫度過高會(huì)使材料強(qiáng)度變壞，必須重新進(jìn)行相變溫度以上的正火、正火+回火或淬火+回火以恢復(fù)供貨狀態(tài)材料的性能。不銹鋼材料或不銹鋼復(fù)合材料不宜進(jìn)行溫成形。

● 2.2.3 熱成形材料的性能恢復(fù)

在比正火溫度高不太多的范圍均勻加熱的碳鋼低合金鋼，成形終止溫度高于材料上臨界溫度（850℃以上），可以代替正火，非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼在固溶溫度下限以上加熱，在σ相析出溫度以上（950℃）結(jié)束成形并快冷可以代替固溶處理。成形加熱溫度過高，將使晶粒粗化，力學(xué)性能變壞；成形終止溫度低于相變溫度，可能得不到所期望的組織和性能。盡管在一定條件下，熱成形可以代替正火或固溶處理，但如果經(jīng)歷同樣熱過程和冷卻條件的試件性能不合格，也必須重新進(jìn)行相應(yīng)的熱處理恢復(fù)材料的性能。

3 恢復(fù)或改善材料性能試件規(guī)定的爭議

3.1 冷成形的母材試件的代表性

由于成形術(shù)語定義的矛盾和不確切，對恢復(fù)性能規(guī)定的不明確，造成某些試件規(guī)定的無代表性和不可操作性。例如GB150.4-2011要求冷成形后進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理，并要求帶母材試件。由于冷成形后大都是進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，母材試件（板或管）沒參與變形，根本不需恢復(fù)性能，最多是原材料的一次模擬熱處理；如果試件是和產(chǎn)品進(jìn)行同樣變性，在變形處又無法制取力學(xué)性能試樣，不具可操作性。只有當(dāng)成形后進(jìn)行相變溫度以上的熱處理恢復(fù)或提高材料性能時(shí)，試件和產(chǎn)品都發(fā)生相同的相變重結(jié)晶，母材試件才具有代表性。如HG/T20581-2011規(guī)定“冷變形量小于或等于2%不需處理；大于2%至小于或等于5%應(yīng)作消除應(yīng)力熱處理；大于5%應(yīng)作正火或回火熱處理”[10]，消除應(yīng)力熱處理一般不需帶試件，正火熱處理應(yīng)帶母材試件。如果消除應(yīng)力熱處理一定要帶試件的話，應(yīng)該帶同樣變形率的板材或管材成形試件，熱處理后檢查變形處金相組織和硬度，和供貨狀態(tài)的母材對比，以確認(rèn)產(chǎn)品成形后是否恢復(fù)了性能，對于不銹鋼試件則應(yīng)檢查試件重新固溶處理后變形處組織和硬度以判斷其應(yīng)力腐蝕敏感性，或取樣按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。

3.2 溫成形或熱成形的母材試件的代表性

溫成形或熱成形所帶的母材試件是用以證明在成形的加熱溫度，材料的組織和性能是否受到損害，以確定是否應(yīng)進(jìn)行恢復(fù)材料性能的熱處理。如果需要進(jìn)行恢復(fù)材料性能的熱處理，所帶試件還應(yīng)證明重新熱處理后（正火、調(diào)質(zhì)、固溶處理）材料的組織和性能已經(jīng)恢復(fù)或者比原材料供貨狀態(tài)更優(yōu)。

4 結(jié)束語

對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于成形的術(shù)語的定義進(jìn)行了分析，并對成形后熱處理及試件問題的規(guī)定進(jìn)行了討論，期盼標(biāo)準(zhǔn)制定者、執(zhí)行者（設(shè)計(jì)和制造）和監(jiān)檢者能統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，更利于產(chǎn)品制造和質(zhì)量的保證，確保服役設(shè)備的安全。

1 GB150.4－2011 壓力容器,第4部分:制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收

2 GB/T 25198－2010,壓力容器封頭

3 ASME Boiler and Pressure Vessel Code－2010 SectionⅡ,part A

4 ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2010 SectionⅧ,Division1

5 西安交通大學(xué)金相教研室.英漢金屬材料及熱處理詞匯.北京:科學(xué)出版社,19980.4

6 叢軼,趙予兵,王曉萌,等.壓力容器碳鋼與低合金鋼冷成形分頭熱處理.石油化工設(shè)備,2012,41(5):49－52

7 許淳淳,張新生,胡剛,等.不銹鋼冷加工形變誘發(fā)馬氏體相變及其腐蝕行為.材料保護(hù),2002,(3):15－17

8 顧雪東,關(guān)凱書,王志文,等.奧氏體不銹鋼冷加工與形變馬氏體及耐應(yīng)力腐蝕的關(guān)系.第六屆壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議壓力容器先進(jìn)技術(shù)精選集,2005:121－125

9 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊,第1卷(第4版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008,1:161－162.

10 HG/T20581－2011 鋼制化工容器材料選用規(guī)定

It compared the forming terms in ASME to the one in GB150, analyzed the materials properties effect for all kinds of forming process and discussed the heat treatment for recovery and improvement material performance and the test specimens.

Cold forming Warm forming Hot forming Mechanical property Heat treatment for restorability Test specimen

2013－11－01）