坯料尺寸對模擬熱處理鋼板組織性能的影響

李 千，吳宏凱，孫 勇

SA-516Gr.70 鋼板廣泛應(yīng)用于耐低溫壓力容器中，為降低制造成本，提高產(chǎn)品性能，石化設(shè)備的殼體和管板常使用基材為SA-516Gr.70 的不銹鋼爆炸復(fù)合板，兼具不銹鋼的耐磨、耐蝕、耐氧化、使用壽命長和碳鋼的高強(qiáng)韌性、耐沖擊、可拉伸的機(jī)械性能特點(diǎn)[1]。

壓力容器在加工過程中或加工完成后一般都需要進(jìn)行焊后熱處理，有研究表明設(shè)備制造過程中的焊后熱處理會對復(fù)合材料的機(jī)械性能產(chǎn)生一定的影響[2、3]，如果檢驗(yàn)坯料選擇不當(dāng)將會影響檢驗(yàn)結(jié)果。對此，本文探究不同坯料尺寸對模擬焊后熱處理（SPWHT） 后爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板組織性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料取自爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板，厚度169 mm。分別從6 件張鋼板的T/4和T/2 處切取試驗(yàn)用坯料（見表1）。

表1 鋼板的化學(xué)成分（wt.%）

1.2 試驗(yàn)方法

分別在6 件鋼板上切取尺寸（寬×長×厚，下同） 為180 mm×270 mm×169 mm（全厚度）、200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 處）、200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/4 處） 試驗(yàn)用坯料，經(jīng)模擬焊后熱處理（SPWHT） 后，在180 mm×270 mm×169 mm（厚T/4 處） 和200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/4 處） 坯料上切取拉伸、沖擊、金相試樣；在180 mm×270 mm×169 mm（厚T/2 處） 和200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 處） 坯料上切取沖擊試樣，采用兩種不同的保溫時(shí)間對200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 處） 坯料進(jìn)行SPWHT，然后切取沖擊試樣。

本文的室溫拉伸試驗(yàn)采用?12.5 mm 圓棒拉伸試樣，沖擊試驗(yàn)采用10 mm×55 mm×10 mm 夏比V形缺口沖擊試樣，每組3 件，按ASME BPVC.II.A-2017 SA370 進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-20 ℃，計(jì)算3 個(gè)試樣沖擊吸收能量（沖擊功） 的平均值；對經(jīng)過檢驗(yàn)的沖擊試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

1.3 SPWHT 過程

SPWHT 在箱式電阻爐中進(jìn)行，兩種SPWHT過程保溫溫度均為620 ℃±14 ℃，溫度在425 ℃以上時(shí)的加熱和冷卻速率≤56 ℃/h，保溫時(shí)間分別為12 h 和20 h（見圖1）。

圖1 鋼板SPWHT 曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同坯料SPWHT 后的試驗(yàn)結(jié)果

對同一試料的同一位置上切取不同尺寸的坯料按照相同的SPWHT 制度進(jìn)行熱處理，考察坯料尺寸大小對鋼板拉伸性能、沖擊性能、金相組織及晶粒度的影響（見表2）。

表2 鋼板T/4 處試樣檢驗(yàn)結(jié)果

可以看出，坯料尺寸對SPWHT 后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響不大；晶粒尺寸7～8 級；大尺寸坯料經(jīng)SPWHT 后微觀組織為鐵素體+珠光體，碳化物由珠光體向鐵素體擴(kuò)散較為均勻，小坯料經(jīng)SPWHT 后微觀組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，珠光體減少，部分轉(zhuǎn)變成貝氏體，有碳化物在晶界處析出（見圖2）；沖擊韌性變化較大，所以本文對沖擊韌性進(jìn)行重點(diǎn)分析，增加鋼板T/2 處的沖擊試驗(yàn)。

圖2 不同坯料尺寸SPWHT 后的微觀組織

2.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

為了測定鋼板SPWHT 后T/2 和T/4 處的沖擊性能，筆者在SPWHT 后的180 mm×270 mm×169 mm（全厚度） 坯料的相應(yīng)位置切取加工試樣，同時(shí)在復(fù)合板相應(yīng)位置切取200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 或T/4 處） 坯料進(jìn)行SPWHT 后加工試樣等兩種取樣方式，對比沖擊試驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

通過表3 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知經(jīng)過SPWHT 后小坯料T/4 處的沖擊功比大坯料降低43J，降低率30%，T/2 處的沖擊功降低64J，降低率48%，由于材料的沖擊功較為分散，數(shù)據(jù)結(jié)果體現(xiàn)總體趨勢，即SPWHT 后小坯料沖擊功總體比大坯料降低，甚至?xí)霈F(xiàn)沖擊功不滿足技術(shù)要求的情況。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.3 保溫時(shí)間的影響

通過實(shí)驗(yàn)考察SPWHT 保溫時(shí)間對200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 處） 小坯料沖擊功的影響，保溫溫度620 ℃±14 ℃，保溫時(shí)間分別為12 h 和20 h（見表4）。

表4 不同SPWHT 保溫時(shí)間沖擊試驗(yàn)結(jié)果對比

可知保溫時(shí)間對小坯料沖擊功影響不大。

3 結(jié) 語

（1） 不同規(guī)格的坯料經(jīng)過SPWHT 后對爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板的強(qiáng)度及晶粒度的影響不大。

（2） 爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板的沖擊韌性受坯料尺寸影響較大，采用小坯料進(jìn)行SPWHT 后沖擊韌性大大降低，原因在于坯料尺寸小導(dǎo)致SPWHT 時(shí)過熱和快速冷卻，促使碳化物擴(kuò)散劇烈并在晶界處析出，晶界弱化，進(jìn)而影響沖擊韌性的檢測結(jié)果。

（3） 改變保溫時(shí)間并不能顯著改善SPWHT 后小坯料的沖擊韌性。