模擬焊后熱處理對316H鋼組織和性能的影響

胡昕明,張海明,隋松言,邢夢楠,歐陽鑫,龐宗旭

(1.鞍鋼股份有限公司，遼寧鞍山 114009;2.鞍鋼綠色資源科技有限公司，遼寧鞍山 114021)

0 引言

316H奧氏體耐熱鋼以其優(yōu)異的耐高溫性能和耐蝕性能被廣泛應(yīng)用于石油化工、核電能源等領(lǐng)域的承壓設(shè)備制造[1-2]。在這些承壓設(shè)備制造過程中，焊后熱處理(PWHT)是一道重要的工序，其主要目的是松弛焊接殘余應(yīng)力、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸、改善母材和焊接接頭的性能等[3-10]。因此，對于316H奧氏體耐熱鋼板，需要同時保證供貨態(tài)(即固溶態(tài))和模擬焊后熱處理態(tài)(SPWHT)力學(xué)性能滿足設(shè)備制造要求。以往關(guān)于模擬焊后熱處理對于材料組織及性能的影響研究主要集中在碳鋼方面，而對于奧氏體耐熱鋼則鮮有研究。本文以316H奧氏體耐熱鋼為研究對象，開展316H鋼的SPWHT態(tài)組織及性能的變化規(guī)律研究，為奧氏體耐熱鋼在實際制造過程中的焊后熱處理工藝提供試驗和理論支撐。

1 材料與方法

試驗用316H鋼的化學(xué)成分見表1。首先采用SNIJSTAAL熱處理爐對厚度 26 mm的316H鋼進行固溶處理，固溶溫度1 060 ℃，保溫時間30 min；隨后繼續(xù)進行模擬焊后熱處理，熱處理溫度分別為850，900，950，1 000 ℃，熱處理時間均為240 min。在固溶及模擬焊后熱處理態(tài)試板上取樣，加工直徑?10 mm的標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣和10 mm×10 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口試樣，分別在ZWICK600電子拉伸材料試驗機和ZBC2602全自動沖擊試驗機上進行常溫、短時高溫拉伸和沖擊試驗。利用Axio Observer7光學(xué)顯微鏡(OM)、SUPRA55場發(fā)射掃描電鏡(SEM)和Tecnai G2 20透射電子顯微鏡(TEM)觀察試樣顯微組織、位錯及析出相形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬焊后熱處理對316H鋼性能的影響

316H鋼固溶態(tài)和模擬焊后熱處理態(tài)的常溫力學(xué)性能結(jié)果見表2，其短時高溫力學(xué)性能見表3。由表2可知，對于固溶態(tài)316H鋼，經(jīng)過SPWHT，其強度和沖擊吸收能量下降、塑性和硬度沒有變化。此外，隨著SPWHT溫度的升高，強度呈現(xiàn)下降趨勢，而常溫沖擊吸收能量則顯著上升。

表2 316H鋼力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 316H steel

表3 316H鋼短時高溫力學(xué)性能Tab.3 Short-time high temperature mechanical properties of 316H steel

由表3可以看出，在350～650 ℃區(qū)間，隨著試驗溫度的升高，材料固溶態(tài)和SPWHT態(tài)的強度逐漸下降，特別650 ℃時材料的抗拉強度出現(xiàn)較為顯著的下降，表明在此溫度材料強度開始出現(xiàn)大幅軟化；此外，在同一試驗溫度下，隨著SPWHT溫度的升高，材料強度逐漸下降。

2.2 固溶處理對316H鋼組織的影響

固溶態(tài)316H鋼的顯微組織如圖1所示。可以看出，材料的金相組織為典型的等軸狀奧氏體，同時在部分奧氏體晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了孿晶。這些孿晶起始于晶粒的晶界，一部分孿晶貫穿整個晶粒形成共格孿晶；另一部分則終止于晶粒內(nèi)部或亞晶界處，形成非共格孿晶(見圖1(a))。另外通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，晶界處平滑且完整，表明此時晶界上沒有析出相存在(見圖1(b))。

圖2示出固溶態(tài)316H鋼的TEM圖像。通過觀察發(fā)現(xiàn)，固溶態(tài)試樣的晶粒內(nèi)部存在一定程度的位錯和孿晶(見圖2(a))。這是因為在材料變形初期，變形量相對較小，此時材料的變形方式為位錯滑移，這使得在晶粒內(nèi)部存儲了大量位錯。隨著變形程度的累計，高密度位錯成為繼續(xù)變形的阻力，此時材料的變形方式由位錯滑移變?yōu)閷\生變形，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了孿晶片層[11]。這些形變孿晶的出現(xiàn)阻礙了位錯滑移，造成位錯塞積，隨著位錯塞積程度的提高，位錯密度增大，材料強度提高。同時，這些位錯還增加了晶粒內(nèi)部的亞晶界，實現(xiàn)了晶粒細化[12-15]。此外，固溶態(tài)試樣的晶界寬度較窄且平滑、干凈(見圖2(b))，未觀察到尺寸較大的M23C6型析出相，這也與上面的SEM觀察結(jié)果相一致。

(a)OM組織 (b)SEM組織

2.3 模擬焊后熱處理對316H鋼組織的影響

固溶態(tài)試樣的SPWHT微觀組織的SEM圖像如圖3所示。當(dāng)SPWHT溫度為850 ℃時，晶界上出現(xiàn)大量的析出相，這些析出相對原始晶界產(chǎn)生了類似于“切割”效果[16-17]，使得晶界出現(xiàn)了大量的斷續(xù)狀(見圖3(a))，同時由于析出相對晶界的“釘扎”作用，此時晶粒未發(fā)生明顯長大。通過對這些析出相進行能譜分析，確定為Cr23C6(見圖3(e))。當(dāng)SPWHT溫度為900 ℃時，晶界上析出相數(shù)量略少于850 ℃時晶界析出相數(shù)量，此時晶界也出現(xiàn)大量的斷續(xù)狀，晶粒尺寸沒有明顯變化(見圖3(b))；當(dāng)SPWHT溫度為950 ℃時，晶界上的Cr23C6數(shù)量明顯減少，這表明部分Cr23C6發(fā)生了一定程度的溶解，溶解減弱了晶界的“釘扎”效果，但晶粒尺寸卻未發(fā)生明顯長大(見圖3(c))；當(dāng)SPWHT溫度達到1 000 ℃時，晶界斷續(xù)情況已經(jīng)徹底消失，表明此時晶界上已不存在析出相，這些在升溫過程中形成的析出相在保溫過程中已經(jīng)全部溶解，失去析出相“釘扎”晶界在高溫?zé)崽幚硖峁┑哪芰框?qū)動下，其晶粒發(fā)生顯著長大(見圖3(d))，晶粒尺寸的變化是造成SPWHT后材料常溫及高溫強度降低的原因之一。

圖3 模擬焊后熱處理態(tài)316H鋼的SEM圖像Fig.3 SEM images of 316H in SPWHT state

固溶態(tài)試樣SPWHT晶粒內(nèi)部TEM圖像見圖4。試樣經(jīng)過高溫及長時間的SPWHT，晶粒內(nèi)部高位錯密度部分(例如孿晶片層間)由于發(fā)生湮滅，導(dǎo)致位錯數(shù)量減少(見圖4(a))，特別是隨著SPWHT溫度越高，位錯數(shù)量減少的越明顯(見圖4(b))，而位錯的減少造成材料強度下降，這也解釋了SPWHT溫度越高，材料強度越低的原因。

圖5示出SPWHT試樣的晶界附近TEM圖像。

(a)850 ℃ (b)1 000 ℃

圖5 模擬焊后熱處理態(tài)316H鋼析出相的TEM圖像Fig.5 TEM images of precipitates in 316H in SPWHT state

固溶態(tài)試樣經(jīng)過SPWHT后，其晶界上形成了一定數(shù)量的析出相，這些析出相隨著SPWHT溫度的不同其形貌也存在明顯差異，通過能譜分析顯示為Cr23C6(見圖5(e))。當(dāng)SPWHT 溫度為850 ℃時，晶界位置上的析出相呈現(xiàn)為長條狀，晶界上的析出相加劇了晶界對位錯運動的阻礙，造成大量位錯塞積在晶界附近(見圖5(a))；當(dāng)SPWHT溫度為900 ℃時，晶界位置上的析出相呈現(xiàn)短棒狀且為不連續(xù)分布，晶界附近未發(fā)生明顯的位錯塞積(見圖5(b))；當(dāng)SPWHT溫度為950 ℃時，晶界位置上的析出相呈現(xiàn)為顆粒狀(見圖5(c))，析出相數(shù)量的減少降低了釘扎晶界的效果并阻止位錯運動，材料強度下降而常溫韌性上升；當(dāng)SPWHT溫度達到1 000 ℃時，晶界位置上未發(fā)現(xiàn)任何析出相，這是因為此時溫度超過了Cr23C6的溶解溫度988 ℃，Cr23C6不再析出或全部溶解(見圖5(d))，同時在晶界附近未觀察到位錯，由于此時沒有析出相釘扎晶界，晶粒開始發(fā)生長大，材料強度繼續(xù)降低。而常溫韌性雖然得到進一步改善，但由于晶粒長大的緣故，此處材料的常溫沖擊吸收能量仍然低于固溶態(tài)常溫沖擊吸收能量。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過850～1 000 ℃模擬焊后熱處理，316H鋼的常溫、高溫強度和韌性與固溶態(tài)相比均有不同程度的下降；隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，316H鋼的室溫、高溫短時強度逐漸降低，而室溫沖擊吸收能量則逐漸升高。

(2)經(jīng)過850～1 000 ℃模擬焊后熱處理，316H鋼晶粒內(nèi)的部分位錯消失，位錯密度下降是造成試驗鋼常溫及高溫強度下降的主要原因。

(3)固溶態(tài)316H鋼經(jīng)過850～1 000 ℃模擬焊后熱處理，晶界析出相Cr23C6數(shù)量和形狀發(fā)生明顯變化。隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，Cr23C6數(shù)量逐漸減少，形狀也從長條狀過渡至短棒狀乃至顆粒狀，在1 000 ℃時不再析出并溶解，這是造成試驗鋼室溫沖擊韌性改善的主要原因。同時隨著析出相數(shù)量減少甚至消失，其釘扎晶界和阻止位錯運動效果降低，晶粒開始長大，這是造成試驗鋼常溫及高溫強度下降的次要原因。