模擬焊后熱處理次數(shù)對(duì)Q345R鋼板力學(xué)性能的影響

張健 ，歐陽(yáng)鑫 ，胡昕明 ，王儲(chǔ) ，孫殿東 ，王爽 ，李廣龍

（1.鞍山鋼鐵集團(tuán)系統(tǒng)創(chuàng)新部，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

為了改善焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的力學(xué)性能，消除焊接殘余應(yīng)力，避免在成型時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂等有害影響，壓力容器在焊接過(guò)程完成后，一般都需要進(jìn)行焊后熱處理。焊接區(qū)域經(jīng)過(guò)不同次數(shù)焊后熱處理，其組織性能將有所不同，具體的影響規(guī)律，此前未有相關(guān)文獻(xiàn)記載。通過(guò)利用Q345R鋼板進(jìn)行多次模擬焊后熱處理（英文簡(jiǎn)稱(chēng)PWHT）后，檢驗(yàn)其力學(xué)性能，探究多次熱處理后鋼板力學(xué)性能能否滿足 《GB/T-713鍋爐和壓力容器用鋼板》要求，并分析熱處理對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響的原因，為壓力容器的制造、焊接工藝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，如成型焊接工藝的最多實(shí)施次數(shù)等提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用鞍鋼TMCP+正火工藝生產(chǎn)的厚度（T）為60 mm的Q345R鋼板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 Q345R鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Q345R Steel Plates（Mass Fraction） %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在正火態(tài)鋼板寬度1/4處并行連續(xù)取四塊試板，其中一塊不進(jìn)行模擬焊后熱處理，其余三塊分別進(jìn)行1次、2次、3次相同工藝的模擬焊后熱處理，具體熱處理工藝如表2所示。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)，利用金相顯微鏡、掃描電鏡對(duì)鋼板的微觀組織進(jìn)行觀察。

表2 模擬焊后熱處理工藝Table 2 Simulation of PWHT Process

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同模擬焊后次數(shù)對(duì)鋼板拉伸性能的影響

鋼板正火態(tài)及經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理后的拉伸性能對(duì)比見(jiàn)表3。由表3看出，隨著模擬焊后次數(shù)增加，鋼板厚度1/4處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)抗拉強(qiáng)度降低34 MPa，屈服強(qiáng)度降低28 MPa；鋼板厚度1/2處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)抗拉強(qiáng)度降低44 MPa，屈服強(qiáng)度降低28 MPa,斷后延伸率沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。第三次模擬焊后熱處理后，厚度1/2處屈服和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)均低于GB/T-713國(guó)標(biāo)要求。

表3 鋼板正火態(tài)及經(jīng)不同次數(shù)模擬焊后熱處理后的拉伸性能對(duì)比Table 3 Tensile Properties after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

2.2 不同模擬焊后次數(shù)對(duì)鋼板沖擊性能的影響

正火態(tài)及經(jīng)不同模擬焊后熱處理試樣的沖擊性能對(duì)比圖見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，厚度1/4處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)鋼板的0°C沖擊性能降低80 J，-20 °C 沖擊性能降低 90 J，-40 °C 沖擊性能降低30 J；厚度1/2處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)鋼板的0°C沖擊性能降低60 J，-20°C沖擊性能降低20 J，-40°C沖擊性能降低10 J，不同熱處理狀態(tài)的沖擊性能厚度1/4均優(yōu)于1/2處。

圖1 正火態(tài)及經(jīng)不同模擬焊后熱處理試樣的沖擊性能對(duì)比圖Fig.1 Impact Properties Comparison Diagram after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

3 分析與討論

3.1 金相分析

對(duì)正火態(tài)及和系列模擬焊后熱處理后的試板取樣進(jìn)行金相分析，分析結(jié)果分別見(jiàn)表4和圖2。從金相分析結(jié)果可以看出：

圖2 正火態(tài)及經(jīng)不同模擬焊后熱處理試樣的金相組織Fig.2 Metallurgical Structures of Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

表4 正火態(tài)及經(jīng)不同模擬焊后熱處理后的試樣金相分析Table 4 Metallographic Analysis on Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

（1）鋼板晶粒較細(xì)小均勻，但帶狀組織較嚴(yán)重，且厚度1/2處較厚度1/4處的帶狀組織高0.5級(jí);

（2）鋼板隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加帶狀組織等級(jí)得到改善，厚度1/4處由正火態(tài)的3級(jí)逐漸降低到2級(jí)，厚度1/2處由正火態(tài)的3.5級(jí)逐漸降低到2.5級(jí);

（3）鋼板隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加晶粒度等級(jí)逐漸粗化，厚度1/4處由正火態(tài)的8.5級(jí)逐漸降低到7.5級(jí),厚度1/2處由正火態(tài)的8級(jí)逐漸降低到7.5級(jí);

（4）金相組織由鐵素體+珠光體組成，鋼板厚度1/2處成分偏析較嚴(yán)重。

隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，顯微組織中珠光體的比例逐漸降低，當(dāng)熱處理次數(shù)為3次時(shí)，帶狀組織得到了明顯的改善，組織均勻性也大大提升，鋼中鐵素體的數(shù)量逐漸增多，晶粒逐漸長(zhǎng)大。 根據(jù) Hall-Petch 公式σ=σ+kd可知，晶粒的粗大會(huì)造成材料強(qiáng)度和韌性降低。

鋼板經(jīng)過(guò)模擬焊后熱處理后，顯微組織中的帶狀組織由原始的粗大且連續(xù)的組織，逐漸變窄，再到斷開(kāi)，最終轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體均勻分布的組織，但帶狀組織的消解不足以抵消晶粒粗化對(duì)性能的不良影響，所以沖擊性能沒(méi)有得到改善，甚至惡化；同時(shí)，隨著熱處理次數(shù)的增加，珠光體的含量繼續(xù)減少，相對(duì)于鐵素體，珠光體是組織中的硬項(xiàng)，其在微觀組織中所占比例的減小會(huì)降低材料的強(qiáng)度，這恰恰認(rèn)證了本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性。

3.2 掃描電鏡組織分析

圖3 為正火態(tài)及模擬焊后熱處理試樣拉伸斷口掃描圖，韌窩中心的孔洞是由雜質(zhì)元素偏析引起的，容易成為誘發(fā)裂紋開(kāi)裂的裂紋源，隨著拉伸的進(jìn)行，裂紋源不斷擴(kuò)張聚集形成韌窩裂紋。韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)，材料處于單向軸拉伸狀態(tài)時(shí)，形成等軸的韌窩，而韌窩的大小和深淺又取決于材料斷裂時(shí)微孔形核的數(shù)量和材料本身的塑性。

圖3 正火態(tài)及模擬焊后熱處理試樣拉伸斷口掃描圖Fig.3 Tensile SEM Images of Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

從圖3中可以明顯看到一個(gè)又一個(gè)的韌窩，韌窩周?chē)陌咨咕€稱(chēng)為撕裂棱并且大的韌窩四周分散著很多的小韌窩，故此材料的斷裂方式是韌性斷裂。由圖 3（a）和圖 3（b）的對(duì)比可以看出，兩者的拉伸斷口均出現(xiàn)撕裂狀韌窩形貌，且試板經(jīng)過(guò)3次模擬焊后熱處理，韌窩數(shù)量明顯減少，這是由于基體上的較硬的黑色點(diǎn)狀碳化物少部分溶入了基體，大部分在晶界處析出長(zhǎng)大，減少了韌窩的形核數(shù)量，所以熱處理后拉伸強(qiáng)度逐漸降低。

4 結(jié)論

（1）隨著模擬焊后次數(shù)的增加，鋼板厚度1/4處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)抗拉強(qiáng)度降低34 MPa，屈服強(qiáng)度降低28 MPa，鋼板厚度1/2處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)抗拉強(qiáng)度降低44 MPa，屈服強(qiáng)度降低28 MPa。其中，第三次模擬焊后熱處理后，屈服和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)均低于GB/T-713國(guó)標(biāo)要求。

（2）隨著模擬焊后次數(shù)的增加，厚度1/4處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)鋼板的0°C沖擊性能降低80 J，-20 °C 沖擊性能降低 90 J，-40 °C 沖擊性能降低30 J；厚度1/2處，3次模焊態(tài)較正火態(tài)鋼板的0°C沖擊性能降低60 J，-20°C沖擊性能降低20 J，-40°C沖擊性能降低10 J。

（3）隨著模擬焊后熱處理次數(shù)的增加，鋼板帶狀組織有所緩解，晶粒度等級(jí)逐漸粗化，金相組織類(lèi)型沒(méi)有變化，均為鐵素體+珠光體，鋼板厚度1/2處帶狀組織較為嚴(yán)重，晶粒更加粗大。

（4）鋼板力學(xué)性能經(jīng)過(guò)三次模擬焊后熱處理后，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，故建議壓力容器設(shè)備制造時(shí)，成型焊接完成后，如需補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工序至多允許進(jìn)行一次。