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，石化設備的殼體和管板常使用基材為SA-516Gr.70 的不銹鋼爆炸復合板，兼具不銹鋼的耐磨、耐蝕、耐氧化、使用壽命長和碳鋼的高強韌性、耐沖擊、可拉伸的機械性能特點[1]。

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

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

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

表1 鋼板的化學成分（wt.%）

1.2 試驗方法

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間對200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 處） 坯料進行SPWHT，然后切取沖擊試樣。

本文的室溫拉伸試驗采用?12.5 mm 圓棒拉伸試樣，沖擊試驗采用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 進行檢驗，試驗溫度-20 ℃，計算3 個試樣沖擊吸收能量（沖擊功） 的平均值；對經(jīng)過檢驗的沖擊試樣進行金相檢驗。

1.3 SPWHT 過程

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

圖1 鋼板SPWHT 曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同坯料SPWHT 后的試驗結(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 處試樣檢驗結(jié)果

可以看出，坯料尺寸對SPWHT 后屈服強度、抗拉強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行重點分析，增加鋼板T/2 處的沖擊試驗。

圖2 不同坯料尺寸SPWHT 后的微觀組織

2.2 沖擊試驗結(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） 坯料的相應位置切取加工試樣，同時在復合板相應位置切取200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 或T/4 處） 坯料進行SPWHT 后加工試樣等兩種取樣方式，對比沖擊試驗結(jié)果（見表3）。

通過表3 中試驗數(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，甚至會出現(xiàn)沖擊功不滿足技術(shù)要求的情況。

表3 沖擊試驗結(jié)果

2.3 保溫時間的影響

通過實驗考察SPWHT 保溫時間對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 ℃，保溫時間分別為12 h 和20 h（見表4）。

表4 不同SPWHT 保溫時間沖擊試驗結(jié)果對比

可知保溫時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 后對爆炸復合板基層SA-516 Gr.70 鋼板的強度及晶粒度的影響不大。

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

（3） 改變保溫時間并不能顯著改善SPWHT 后小坯料的沖擊韌性。