溫成形對熱軋Q345R鋼制封頭性能的影響

敬仕煜，何小明，王云林，尹 鋒，謝逍原，袁夢苓

(東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司 機械工業(yè)高溫高壓材料與焊接重點實驗室，四川自貢 643001)

0 引言

鍋爐和壓力容器封頭可采用熱成形、溫成形和冷成形三種工藝制造。其中，采用熱成形工藝最為普遍，近年來冷成形工藝也迅速發(fā)展[1]。熱成形適應(yīng)鋼種廣、成形美觀、缺欠少，但經(jīng)常需要進行恢復(fù)性能熱處理，工序復(fù)雜、成本高；冷成形效率高、成本低，材料變形抗力大，主要適用于薄板，但容易產(chǎn)生缺欠[2]。三種成形工藝中，溫成形應(yīng)用極少，相關(guān)研究還處于起步或散點性探索階段。文獻[3-4]基于有限元軟件模擬，溫壓成形的核電AP1000鋼制安全殼封頭瓣片幾何精度良好；文獻[5]研究了溫成形對12Cr2Mo1R鋼性能的影響，建議對溫成形厚壁封頭增加中間熱處理，以消除成形后的殘余應(yīng)力。

開發(fā)溫成形技術(shù)的主要意義是部分替代熱成形，并盡可能豁免專門的中間熱處理，降低封頭制造成本。以Q345R為代表的熱軋交貨態(tài)鋼板熱成形后，經(jīng)常發(fā)生性能偏低問題，這主要與高溫下鋼板原有的軋制強化作用消失，以及鋼板本身的強化元素配比較低有關(guān)[6-7]。作為工程對策，溫成形的加熱溫度遠低于熱成形，可望阻止熱軋鋼板性能降低，并使鋼板在服役壽命周期內(nèi)始終保持原有的軋制強化作用。但溫成形的成形溫度較低，金屬的流動性較差，鋼板不同部位產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和金屬流動狀態(tài)將更加復(fù)雜，導(dǎo)致封頭不同區(qū)域的力學(xué)性能發(fā)生變化。本文研究熱軋Q345R鋼板溫沖壓封頭的力學(xué)性能，探討和分析其強度變化原因，為制訂溫成形工藝提供技術(shù)支撐，并為其他鋼種的相關(guān)研究提供參考。

1 試驗方法

1.1 原材料鋼板

試驗采用δ16 mm和δ36 mm熱軋Q345R鋼板各一張，符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。與要求值相比，試驗鋼板的強度裕量較小。

表1 試驗鋼板的化學(xué)成分

表2 試驗鋼板的力學(xué)性能

1.2 封頭與試樣制備

(1)封頭制備。

圖1 A580-16封頭外觀和取樣示意

δ16 mm和δ36 mm鋼板溫沖壓成形標準橢圓形封頭各一個，內(nèi)徑基準尺寸Di=1 600 mm。δ16 mm鋼板加熱溫度580 ℃，保溫40 min，一次沖壓成形;δ36 mm鋼板加熱溫度600 ℃，保溫90 min，兩次沖壓成形，中間30 min補熱。成形后空冷、切邊、噴砂處理，編號分別為A580-16,B600-36，溫成形封頭成形良好，表面氧化輕微，外觀形貌分別如圖1，2所示。

圖2 B600-36封頭外觀和取樣示意

(2)試板和狀態(tài)。

如圖1，2所示，沿封頭直徑方向切割腰帶狀試板，從中部分為兩半，一半成形態(tài)，另一半按圖3進行退火熱處理，以模擬產(chǎn)品完工后的消除應(yīng)力熱處理。

圖3 退火熱處理參數(shù)

(3)試樣制備。

將兩種狀態(tài)試板分割成小試板，小試板依次對應(yīng)封頭中部R區(qū)、R和r過渡區(qū)、r區(qū)、邊緣直段區(qū)。A580-16封頭：成形態(tài)編號A1～A4，退火態(tài)編號A5～A8。B600-36封頭：成形態(tài)編號B1～B4，退火態(tài)編號B5～B8。每一成形態(tài)小試板各取3個拉伸試樣和1組沖擊試樣；每一退火態(tài)小試板各取2個拉伸試樣和1組沖擊試樣。拉伸試樣為?10 mm圓棒標準試樣，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm夏比V型標準試樣。

1.3 試驗方法和設(shè)備

拉伸試驗按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，試驗機型號C45.305。沖擊試驗按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，試驗溫度0 ℃，試驗機型號RKP450。

2 試驗結(jié)果

封頭尺寸滿足GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》要求，壁厚和內(nèi)直徑檢查結(jié)果見表3。壁厚減薄主要發(fā)生在中心R區(qū)域，r區(qū)域略有增厚，邊緣直段部位迅速增厚。壁厚變化反映了鋼板成形過程中的受力狀態(tài)，中心R區(qū)域(包括部分r區(qū)域)主要受到拉彎載荷，邊緣直段區(qū)域主要受到周向脹壓載荷，這些特征與下文所述的形變強化相對應(yīng)。

圖4,5示出580,600 ℃溫成形Q345R封頭各典型位置的力學(xué)性能，圖中水平虛線代表原材料鋼板數(shù)據(jù)(見表2)；圖中央對應(yīng)封頭中部R區(qū)，向兩側(cè)指向邊緣直段方向；圖左側(cè)為封頭成形態(tài)試驗結(jié)果(包含A1～A4，B1～B4試樣)；圖右側(cè)為封頭退火態(tài)試驗結(jié)果(包含A5～A8，B5～B8試樣)。

表3 溫成形封頭的尺寸檢查結(jié)果

(a)屈服強度、抗拉強度

(b)斷后伸長率

(c)0 ℃沖擊吸收能量

(a)屈服強度、抗拉強度

(b)斷后伸長率

(c)0 ℃沖擊吸收能量

3 分析與討論

3.1 溫成形封頭各典型位置的力學(xué)性能

由圖4(a)左側(cè)可知，與原材料鋼板相比，A580-16封頭(580 ℃成形態(tài))的屈服強度整體提高。沿封頭直徑方向的各典型位置，屈服強度的變化趨勢呈“碟”形，中心至r部位“碟底”平坦區(qū)域(A1～A3)，提高幅度大體相當，“碟邊”直段部位(A4)提高明顯。抗拉強度的變化趨勢與屈服強度基本一致，但提高幅度低于屈服強度。各位置強度變化表明，鋼板在成形過程中產(chǎn)生了形變強化，強度提高幅度與變形量大小正相關(guān)，符合冷作硬化規(guī)律。

圖4(a)右側(cè)為退火態(tài)封頭的強度變化。615 ℃退火熱處理后，封頭強度整體下降，成形強化越明顯的區(qū)域，相應(yīng)下降幅度也越大，封頭沿直徑方向的強度變化趨勢仍呈“碟”形。與原材料鋼板對比，退火態(tài)封頭的“碟底”區(qū)域的屈服強度更低一些，“碟邊”直段部位仍略高?？梢哉J為，經(jīng)615 ℃退火熱處理后，封頭成形獲得的強化幾乎全部消失。

由圖4(b)可知，成形態(tài)封頭變形量較大的邊緣直段區(qū)域，斷后伸長率明顯下降，退火后基本恢復(fù)。由圖4(c)可知，封頭的沖擊韌性有所降低，但富裕量仍很大，遠高于GB/T 713—2014中“0 ℃不低于41 J”的要求。

圖5與圖4基本相似，B600-36封頭600 ℃溫成形后，沿直徑方向的強度變化仍然呈“碟”形。但是，600 ℃成形產(chǎn)生的強化效果明顯減弱，“碟底”區(qū)域甚至未獲強化(屈服強度)，這與成形溫度較高、兩次沖壓保溫時間延長、總變形量被分攤等有關(guān)。615 ℃退火后，“碟底”區(qū)域強度下降，逼近GB/T 713—2014規(guī)定的合格線。從圖5(c)還可以看出，B600-36封頭退火前后的沖擊韌性均高于原材料鋼板，這是成形溫度較高導(dǎo)致材料塑性增加的結(jié)果。

試驗表明，溫成形主要影響熱軋Q345R鋼制封頭的強度，對塑性和韌性影響不大。沿封頭直徑方向，強度變化呈“碟”形(中間低、邊緣直段高)。應(yīng)格外關(guān)注“碟底”區(qū)域的強度降低問題，較低的成形溫度可能更加有利。

需要補充說明的是，降低成形溫度會導(dǎo)致封頭邊緣直段區(qū)域顯著強化，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。對10%冷變形鋼板進行了焊接試驗，未發(fā)現(xiàn)其對材料焊接性產(chǎn)生不良影響?？紤]Q345R具有極佳的焊接性能，對再熱裂紋不敏感，封頭溫成形后可不進行專門的中間熱處理。

3.2 封頭強度變化原因分析和探討

通過軋制實現(xiàn)材料強化、減少合金添加以降低成本，已成為中厚板制造行業(yè)的重要技術(shù)手段[8-11]。文獻[12]解釋了Q345R鋼的兩相區(qū)軋制(常見控軋技術(shù)之一)強化機理，認為軋制使尚未相變的奧氏體和已經(jīng)相變生成的鐵素體產(chǎn)生不同程度的變形，在軋后的冷卻過程中，前者相變形成多邊形鐵素體，后者成為含有亞結(jié)構(gòu)的鐵素體晶粒，這兩種組織都將提高鋼的強韌性。與正火態(tài)鋼板相比，軋制強化特別是與屈服強度密切關(guān)聯(lián)的鐵素體位錯亞結(jié)構(gòu)強化的穩(wěn)定性較差，再次加熱到某一臨界溫度時，將出現(xiàn)位錯湮滅和變形晶?；貜?fù)現(xiàn)象，表現(xiàn)為強度特別是屈服強度下降，這給鋼板的后期熱加工帶來了挑戰(zhàn)。

文獻[6]的研究表明，熱軋Q345R鋼板經(jīng)正火沖壓成形后，強度回歸至僅與化學(xué)成分相關(guān)的基礎(chǔ)強度值(等效于同樣成分的正火態(tài)鋼板的強度)附近，與經(jīng)驗公式的預(yù)測結(jié)果非常吻合。本文按同一經(jīng)驗公式，對表1實測成分進行計算，反推出試驗鋼板的基礎(chǔ)強度值。

溫成形封頭的強度可由下式表示：

S=S0+ΔS軋+ΔS成形+ΔS退火

(1)

U=U0+ΔU軋+ΔU成形+ΔU退火

(2)

式中,S,U為封頭退火后的屈服強度和抗拉強度，MPa；S0,U0為僅與化學(xué)成分相關(guān)的基礎(chǔ)屈服強度和抗拉強度，MPa；ΔS軋,ΔU軋為鋼板制造過程產(chǎn)生的軋制強化的強度變化量，MPa；ΔS成形,ΔU成形為封頭成形過程的形變強化的強度變化量，包含加熱對原材料鋼板強度產(chǎn)生的影響，MPa；ΔS退火,ΔU退火為封頭退火熱處理產(chǎn)生的軟化的強度變化量，MPa。

根據(jù)式(1)(2)，原材料鋼板的屈服強度、抗拉強度可表示為S0+ΔS軋,U0+ΔU軋；封頭成形后(退火前)的屈服強度、抗拉強度可表示為S0+ΔS軋+ΔS成形,U0+ΔU軋+ΔU成形。

將計算的基礎(chǔ)強度值、圖4,5中強度數(shù)據(jù)進行簡單處理，得到試驗的溫成形封頭在制造歷程中的強度變化,如表4所示。

表4 熱軋Q345R溫成形封頭的強度構(gòu)成

從表4并結(jié)合前文分析可以看出：(1)試驗鋼板的基礎(chǔ)強度(S0,U0)偏低，熱軋產(chǎn)生的強化彌補了不足;交貨態(tài)鋼板的強度(S0+ΔS軋，U0+ΔU軋)中，軋制強化(ΔS軋，ΔU軋)對于屈服強度的貢獻約20%，對于抗拉強度的貢獻約10%，這與文獻[6]研究結(jié)果大體一致;假如對鋼板重新正火(空冷)，強度可能降低至GB/T 713—2014要求的合格線之下；(2)溫成形過程中，鋼板原有軋制強化因受熱而消耗，形變又會產(chǎn)生新的強化，二者協(xié)同作用；A580-16強化較為明顯，而B600-36幾乎未強化，成形溫度是控制強度變化的關(guān)鍵；(3)退火后，A580-16的強度下降值(ΔS退火,ΔU退火)略大于成形強化值(ΔS成形,ΔU成形)，而B600-36則大致相抵，表明退火熱處理過程中，成形強化會優(yōu)先消失,這應(yīng)是退火溫度介于成形溫度和鋼板終軋溫度之間的緣故，較高溫度產(chǎn)生的軋制強化容易留存，而較低溫度獲得的成形強化會優(yōu)先消耗。

4 結(jié)論

(1)熱軋Q345R鋼板溫成形后，沿封頭直徑方向的強度變化呈“碟”形(中間區(qū)域低、邊緣直段區(qū)域高)。退火熱處理后，封頭各典型位置的強度整體下降，成形強化明顯的區(qū)域的強度下降相應(yīng)更多，分布呈淺“碟”形。

(2)Q345R溫成形封頭的強度是鋼板基礎(chǔ)強度、軋制強化、成形強化和退火弱化共同作用的結(jié)果。