模擬焊后熱處理次數(shù)對(duì)Q370R鋼板組織和性能的影響

歐陽鑫 胡昕明 王 儲(chǔ) 孫殿東 胡海洋 顏秉宇 王 爽

(鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

壓力容器用Q370R(原牌號(hào)為15MnNbR)鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、良好的焊接性能及抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能，其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于國外同性能級(jí)別材料，主要用于制造大型液化石油氣球罐。

安全性是壓力容器設(shè)備的重要指標(biāo)，要求鋼板焊縫不僅具有較高的強(qiáng)度，且具有優(yōu)良的韌塑性和焊接性。但焊接會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載性能存在潛在的威脅。因此，為滿足使用要求，需通過焊后熱處理以消除焊接殘余應(yīng)力，降低焊接接頭的硬度，改善力學(xué)性能[1- 2]。在壓力容器制造過程中，制造方需要對(duì)其進(jìn)行多次焊后熱處理，因此研究焊后熱處理次數(shù)對(duì)鋼板組織和力學(xué)性能的影響具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)可為壓力容器的制造、焊接工藝的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用鞍鋼斷面厚度為250 mm的連鑄坯，經(jīng)TMCP+正火處理后得到60 mm厚的Q370R鋼板，其化學(xué)成分見表1。

表1 Q370R鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在正火態(tài)鋼板相同位置切取4塊試板，其中3塊在SRJX- 8- 13高溫箱式電爐中分別進(jìn)行1次、2次、3次模擬焊后熱循環(huán)，具體熱處理工藝如表2所示，將正火態(tài)和經(jīng)1次、2次、3次模擬焊后熱循環(huán)的試樣分別編號(hào)為N、N+1PWHT、N+2PWHT、N+3PWHT。熱處理后利用拉伸試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試板進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)。金相試樣經(jīng)磨、拋后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕，然后利用蔡司SteREO Discovery.V20型體視顯微鏡觀察顯微組織。利用Zeiss Ultra 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM, scanning electron microscope)觀察拉伸斷口形貌。采用H- 800型透射電子顯微鏡(TEM,transmission electron microscope)觀察第二相粒子形貌，TEM試樣經(jīng)噴碳后，用體積分?jǐn)?shù)為10%的硝酸酒精溶液腐蝕脫膜。

表2 模擬焊后熱處理工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

如表3所示，隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，正火態(tài)Q370R鋼板1/4和1/2厚度處的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均下降，屈服強(qiáng)度降低了50 MPa，抗拉強(qiáng)度降低了60 MPa，斷后伸長率沒有明顯變化。經(jīng)3次模擬焊后熱處理的鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。

表3 正火態(tài)Q370R鋼板經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理后的力學(xué)性能

如表4所示，隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，鋼板1/4厚度處的沖擊吸收能量降低了約80 J，1/2厚度處的沖擊吸收能量降低了約70 J；不同熱處理狀態(tài)的鋼板1/4厚度處的沖擊性能均優(yōu)于1/2厚度處的。

表4 正火態(tài)Q370R鋼板經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理后的沖擊吸收能量

2.2 顯微組織

從表5可以看出：(1)Q370R鋼板晶粒細(xì)小均勻，帶狀組織較嚴(yán)重，且1/2厚度處的帶狀組織級(jí)別較1/4厚度處的高0.5級(jí)；(2)隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，帶狀組織級(jí)別降低，從正火態(tài)的3.5級(jí)逐漸降低到2級(jí)，晶粒度級(jí)別也逐漸降低，從正火態(tài)的8.5級(jí)逐漸降低到7.5級(jí)；(3)鋼板組織由鐵素體+珠光體組成，鋼板心部成分偏析較嚴(yán)重。

表5 正火態(tài)Q370R鋼板經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理后的組織和晶粒度

正火態(tài)及經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理鋼板的顯微組織如圖1所示。

圖1 正火態(tài)及經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理鋼板的顯微組織

從圖1可見，正火鋼板基體中鐵素體細(xì)小而均勻分布，位錯(cuò)密度很高，由于細(xì)晶強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化的雙重作用，鋼板強(qiáng)度和沖擊韌性均較好。隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，珠光體比例逐漸降低，經(jīng)3次模擬焊后熱處理，帶狀組織得到了一定程度的改善，但鐵素體數(shù)量增多，晶粒長大，由Hall- Petch公式σs=σ0+kd- 1/2可知，晶粒粗大會(huì)造成材料強(qiáng)度和韌性降低[3]。

正火鋼板經(jīng)過模擬焊后熱處理，帶狀組織從原始粗大且連續(xù)的組織逐漸變窄，再到斷開，最終轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體均勻分布的組織；隨著熱處理次數(shù)的增加，晶粒越粗大，珠光體形核部位越來越少，促使珠光體加速轉(zhuǎn)變，珠光體含量繼續(xù)減少；相對(duì)于鐵素體，珠光體是組織中的硬相，其比例的減小會(huì)降低材料的強(qiáng)度[4- 6]。

圖2為正火態(tài)和3次模焊態(tài)鋼板的拉伸斷口形貌。韌窩中心的孔洞是顯微孔洞與雜質(zhì)構(gòu)成的裂紋源，隨著拉伸的進(jìn)行，裂紋源不斷擴(kuò)張聚集形成韌窩裂紋。韌窩的形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)，材料在單向拉伸狀態(tài)下形成等軸韌窩，韌窩的大小和深淺取決于材料斷裂時(shí)微孔形核的數(shù)量和材料的塑性。圖2(a,b)中韌窩明顯，韌窩周圍的白色脊線為撕裂棱，大韌窩四周分布著很多小韌窩，故鋼板的斷裂方式是韌性斷裂。對(duì)比圖2(a)和圖2(b)可知，兩者拉伸斷口均出現(xiàn)了撕裂韌窩，且3次模焊態(tài)鋼板的韌窩數(shù)量明顯減少。這是由于較硬的黑色點(diǎn)狀碳化物少部分溶入基體，但大部分在晶界析出長大，從而導(dǎo)致韌窩的形核數(shù)量減少，鋼板強(qiáng)度降低。

圖2 正火態(tài)及3次模擬焊后熱處理鋼板的拉伸斷口形貌

正火態(tài)及3次模焊態(tài)鋼板的TEM形貌和能譜分析如圖3所示。

圖3 正火態(tài)(a,b)及3次模擬焊后熱處理(c,d)鋼板的TEM形貌(a,c)及EDX分析(b,d)

碳化物的形成與奧氏體成分不均勻有很大關(guān)系。低合金鋼在很寬的冷卻速度和轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)都可以形成碳化物，而TMCP的控冷工藝有助于碳化物的形成。因此Q370R等低碳多元合金鋼最容易形成碳化物，這是由于多元合金使得奧氏體的均勻化困難，組織中必定存在微區(qū)成分偏析，形成帶狀組織，這種情況有利于碳化物形成[7- 8]。

透射電鏡觀察可見，正火態(tài)鋼板滲碳體間均勻分布著少量尺寸0.05～0.10 μm的粒狀碳化物(NbC、TiC)，在結(jié)晶過程中阻礙了奧氏體晶粒長大，晶粒細(xì)化，晶界增多，從而使鋼板強(qiáng)度提高。

經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理的Q370R鋼板的顯微組織類型基本不變，但析出相的數(shù)量隨著模擬熱處理次數(shù)的增加而增加。經(jīng)3次焊后熱處理后，碳化物大量析出，主要以圓點(diǎn)和長條狀為主，尺寸增大到0.15～0.20 μm，少量碳化物沿亞晶界生成，碳化物快速析出、聚集和增大，使鋼板的低溫韌性惡化，韌脆轉(zhuǎn)變傾向性提高。同時(shí)，熱處理后，晶內(nèi)原有的大量亞晶界熔合長大，形成大尺寸晶粒，這也是材料強(qiáng)度和韌性降低的主要原因[9- 10]。

3 結(jié)論

(1)隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，鋼板厚度方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均下降，相比正火態(tài)，屈服強(qiáng)度降低了50 MPa，抗拉強(qiáng)度降低了60 MPa，斷后伸長率沒有明顯變化。

(2)隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，鋼板1/4厚度和1/2厚度處的沖擊吸收能量分別降低了80和70 J左右；不同熱處理狀態(tài)下鋼板1/4厚度處的沖擊性能均優(yōu)于1/2厚度處的。

(3)隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，鋼板帶狀組織有所改善，晶粒逐漸粗化，顯微組織沒有變化，均為鐵素體和珠光體；晶粒粗化和碳化物的析出、長大是影響鋼板性能的主要因素。