正火溫度對(duì)SA-516Gr.70 鋼板性能和組織的影響

魏勇，劉祥鋒，馬俊男

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

SA-516 Gr.70 是ASME 規(guī)范中的中、低溫壓力容器用碳鋼，因其良好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于化工、鍋爐、核電等領(lǐng)域。 ASME 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定厚度≤40 mm 的SA-516 Gr.70 鋼板通常采用軋制狀態(tài)供貨，也可按正火態(tài)交貨，而厚度＞40 mm 的鋼板則必須采用正火態(tài)交貨。 正火熱處理可以細(xì)化晶粒，均勻化組織，從而改善鋼板的強(qiáng)韌性，使鋼板具有更加穩(wěn)定的使用性能。 但正火溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大，性能惡化，而正火溫度過(guò)低，則無(wú)法取得需要的熱處理效果[1]。 因此，正火工藝的制定對(duì)保證鋼板性能穩(wěn)定至關(guān)重要。 通過(guò)研究不同正火溫度對(duì)SA-516 Gr.70 鋼板性能和組織的影響規(guī)律，為該鋼種在工業(yè)化生產(chǎn)中合理正火工藝的制定提供理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料采用開軋溫度為1 150 ℃、 終軋溫度為876 ℃鞍鋼生產(chǎn)的50 mm 厚SA-516 Gr.70鋼板，其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Test Steels （Mass Fraction）%

從軋態(tài)鋼板取樣進(jìn)行不同溫度正火熱處理，正火溫度分別為880、900、920 和940 ℃，保溫時(shí)間均為30 min。 正火熱處理后，在鋼板厚度1/4 處取橫向試樣，并按GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和沖擊試樣，分別在ZWICK-600 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和JBC-2602 全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。 用DSX100 光學(xué)顯微鏡觀察分析試樣顯微組織。用FEI TECNAI J2 20 透射電鏡觀察試樣的精細(xì)組織結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正火溫度對(duì)SA-516Gr.70 鋼板力學(xué)性能影響

軋態(tài)及不同正火溫度下的鋼板力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SA-516Gr.70 鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical Properties of SA-516Gr.70 Steel Plates

由表2 可知，在保溫時(shí)間為30 min 的條件下，隨著正火溫度從880 ℃升高到940 ℃，鋼板的強(qiáng)度逐漸下降，斷后伸長(zhǎng)率較軋態(tài)有了較大提升。鋼板沖擊韌性在正火后得到較大改善，并隨著正火溫度的升高，-20 ℃沖擊吸收能量先增大后減小，在正火溫度為920 ℃時(shí)達(dá)到最佳。

鋼板經(jīng)正火熱處理，晶粒重新奧氏體化，晶粒內(nèi)部形變位錯(cuò)密度逐漸降低，組織應(yīng)力減小，熱處理后空冷過(guò)程中，奧氏體晶粒發(fā)生鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變，細(xì)小的Nb、V 的碳氮化物沿晶界或晶內(nèi)析出。正火可以促進(jìn)晶粒細(xì)化和均勻化，但由于晶粒細(xì)化和碳氮化物析出產(chǎn)生的強(qiáng)化作用不能完全彌補(bǔ)損失的位錯(cuò)強(qiáng)化，因而造成鋼板強(qiáng)度下降。由于晶粒均勻化作用，鋼板的塑韌性得到改善，低溫沖擊韌性和斷后伸長(zhǎng)率增大。 但正火溫度提高到940 ℃時(shí)，晶粒發(fā)生不同程度長(zhǎng)大粗化，晶粒細(xì)化帶來(lái)的韌性改善作用減弱，鋼板強(qiáng)韌性降低，并出現(xiàn)沖擊離散現(xiàn)象[2-3]。

2.2 正火溫度對(duì)SA-516Gr.70 鋼板組織影響

（1）對(duì)軋態(tài)及不同正火溫度下鋼板厚度1/4 處金相組織觀察，試驗(yàn)鋼不同狀態(tài)下顯微組織見(jiàn)圖1。鋼板軋態(tài)和正火態(tài)的組織均為鐵素體和珠光體。 其中軋態(tài)鋼板的晶粒大小不均勻，平均晶粒度為7 級(jí)，并具有明顯的條帶狀特征。帶狀組織的形成與成分偏析密切相關(guān)，鋼液凝固時(shí)形成化學(xué)成分不均勻分布的枝晶組織，在軋制時(shí)沿變形方向被拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶和富化帶，彼此交替堆疊。 在緩冷條件下，先在碳和合金元素的貧化帶析出先共析鐵素體，將多余的碳排入兩側(cè)的富化帶，最終形成鐵素體帶；而碳及合金元素的富化帶在其后形成珠光體帶，最終形成以鐵素體和珠光體交替排列的帶狀組織[4-5]。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，性能不穩(wěn)定。

圖1 試驗(yàn)鋼不同狀態(tài)下的顯微組織Fig. 1 Microstructures in Test Steels in Different States

（2）軋態(tài)及不同正火溫度下TEM 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。 經(jīng)880 ℃正火熱處理，鋼板軋態(tài)組織重新奧氏體化后，鐵素體開始向等軸晶轉(zhuǎn)變，珠光體和鐵素體條帶逐漸擴(kuò)展，但邊界依然清晰，晶粒內(nèi)部形變位錯(cuò)密度較軋態(tài)有所降低。當(dāng)正火溫度為900 ℃時(shí)，合金成分進(jìn)一步擴(kuò)散均勻，大部分晶粒完成結(jié)晶，晶粒大小均勻性得到改善，而且?guī)罱M織逐漸消除。 當(dāng)正火溫度為920 ℃時(shí)，珠光體和鐵素體條帶形態(tài)已基本消失，組織充分均勻化，平均晶粒度達(dá)到9 級(jí)，晶粒內(nèi)部形變位錯(cuò)大量消失。 當(dāng)正火溫度為940 ℃時(shí)，帶狀組織消失，晶粒內(nèi)部形變位錯(cuò)處于較低水平，晶粒開始出現(xiàn)不同程度粗化，平均晶粒度變?yōu)? 級(jí)，盡管強(qiáng)韌性依然較好，但強(qiáng)度進(jìn)一步降低，同時(shí)沖擊吸收能量較920 ℃正火時(shí)有所降低，并呈現(xiàn)離散特征[6-7]。

圖2 試驗(yàn)鋼不同狀態(tài)下的TEM 圖像Fig. 2 TEM Images of Test Steels in Different States

3 結(jié)論

（1）正火熱處理可以有效改善SA-516Gr.70鋼板的綜合力學(xué)性能，并對(duì)晶粒細(xì)化，組織均勻化，以及消除帶狀組織起到明顯的作用。

（2）保溫時(shí)間為30 min 時(shí)，隨正火溫度從880 ℃升高到940 ℃，鋼板強(qiáng)度不斷下降，斷后伸長(zhǎng)率得到提升，沖擊韌性有較大改善，-20 ℃沖擊吸收能量先增大后減小；正火溫度達(dá)到940 ℃時(shí)，晶粒開始出現(xiàn)不同程度粗化，從而損壞了鋼板沖擊韌性和均勻性。

（3）鋼板最佳正火工藝為正火溫度920 ℃，保溫時(shí)間30 min。