模擬焊后消應力熱處理樣坯尺寸對厚板力學性能的影響

岑曉燕,鐘武波

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部,上海 200941)

隨著中國國內設備加工企業設備制造能力的迅速提升,石油化工設備、鍋爐、容器國產化進程加快,需要大量鍋爐、容器和結構用中高等級厚板,而用戶采購的中高等級厚板均需要滿足在一定溫度下保溫一段時間后,鋼板力學性能仍能滿足標準或協議要求,這主要是考慮設備加工制造過程中,焊接或加工變形后需要通過熱處理來均勻化組織,消除應力,保證設備使用安全。國標GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》產品標準對進行模擬焊后消應力熱處理樣坯的建議為3T·3T·T(T為鋼板厚度),美國的ASTM A20/A20M—2017 Standard Specification for General Requirements for Steel Plates for Pressure Vessels對樣坯尺寸沒有此要求。對于中厚板,取尺寸為3T·3T·T模擬焊后消應力熱處理樣坯,由于樣坯尺寸較大,尤其是沿鋼板軋制方向取樣,會顯著降低鋼廠和鋼板用戶的成材率,增加取樣成本。由于國標對于樣坯大小的建議從根本上是要求樣坯模擬消應力熱處理后的力學性能能夠代表整張大板,且ASTM A20/A20M標準未提出3T·3T·T的樣坯尺寸要求,因此有必要研究,找到最佳的模擬消應力熱處理的樣坯尺寸。

1 試驗材料及樣坯尺寸選擇

選取厚板生產的三種交貨狀態鋼板作為試驗材料。鑒于GB 713—2014產品標準規定,當試樣坯料從鋼板上切取且單獨進行熱處理時,所取樣坯尺寸(寬度×長度×厚度)應不小于3T·3T·T(T為鋼板厚度)。據此本課題設計了三種不同尺寸的樣坯進行熱處理試驗,最大尺寸為標準規定的3T·3T·T或更大,依次遞減,具體見表1。

2 模擬熱處理工藝

根據表1中的樣坯進行模擬熱處理工藝設計,具體見表2。試驗在帶微機控制升溫速度的某進口品牌空氣循環爐上進行。

3 試驗

本項目選取了40～130 mm厚的鋼板進行模擬焊后消應力熱處理試驗,厚度范圍覆蓋了國內外厚板廠的主要規格,熱處理后對鋼板的相關性能進行室溫拉伸和夏比沖擊試驗。

3.1 取樣

鋼板厚度1/4位置,取直徑為10 mm、標距為50 mm的橫向圓棒試樣和10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口橫向沖擊試樣。依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,分別采用進口某品牌的全自動拉伸試驗機進行拉伸試驗和夏比沖擊試驗機進行試驗。

從每個牌號的最大尺寸板坯(試樣號為1)上各取6個拉伸,另外兩個尺寸的板坯(試樣號為2、3)各取3個拉伸。試樣號為11……51,每個溫度取3組沖擊試樣;試樣號為12、13……52、53的試樣,每個溫度取2組沖擊試樣;試樣號為61……111的試樣,取6組沖擊試樣;試樣號為62、63……112、113的試樣,各取4組沖擊試樣。

3.2 試驗結果

表3為熱處理之后鋼板的拉伸性能,表4為沖擊性能。

表3列出了各個鋼種牌號不同樣坯尺寸經模擬熱處理后測得的拉伸性能,對其中的Rp0.2、Rm和斷裂延伸率A都做了統計。由表3可以看出,Rp0.2、Rm的極差不超過20 MPa,A的極差不超過3%。

表4列出了各個鋼種不同樣坯尺寸熱處理后測得的沖擊性能,對沖擊功均值的極差做了分析,由表4可看出,沖擊功極差不超過均值的10%。

表3 熱處理后鋼板拉伸性能

表4 熱處理后鋼板沖擊性能

3.3 討論

分析表3和表4的數據,可以歸納出以下幾點:

(1) 隨著熱處理板坯規格逐漸減小,其對應的拉伸和沖擊數據并未有明顯的變化趨勢。

(2) 拉伸數據中Rp0.2的極差最小為1.8 MPa,最大為15.5 MPa;抗拉強度Rm的極差最小為0.7 MPa,最大為9.3 MPa;斷裂延伸率A的極差最小為0.25%,最大為1.90%。

(3) 沖擊數據中的均值極差最小為1.0 J,最大為23.4 J,均不超過沖擊吸收能量均值的10%。

(4) 相同厚度規格的板坯,由于模擬熱加工工藝中熱處理溫度的不同,拉伸性能略有不同,強度相差20 MPa左右,而沖擊性能相差不大。

4 結論

從上述幾個現象可以看出,不同尺寸的模擬熱處理板坯,其拉伸強度性能的極差均在20 MPa之內,而沖擊性能的極差不超過均值的10%,并且同鋼級不同板坯尺寸的力學性能未發現趨勢性增大或減小的現象。因此可見本文所研究的鋼種牌號,其模擬焊后消應力熱處理之后的性能,并不會隨熱處理樣坯尺寸的減小而發生力學性能上的變化。對于厚度50 mm以上并且淬透性較好的鋼板,樣坯尺寸可以考慮用小試樣代替標準規定的3T·3T·T的尺寸要求,而根據文中研究用到的最小尺寸,生產中可選用T·3T·T規格的熱處理樣坯進行試驗;而對于淬透性較差的鋼種應慎用。

感謝寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部徐惟誠首席工程師給予的大力幫助！