坯料尺寸对模拟热处理钢板组织性能的影响

李 千，吴宏凯，孙 勇

SA-516Gr.70 钢板广泛应用于耐低温压力容器中，为降低制造成本，提高产品性能，石化设备的壳体和管板常使用基材为SA-516Gr.70 的不锈钢爆炸复合板，兼具不锈钢的耐磨、耐蚀、耐氧化、使用寿命长和碳钢的高强韧性、耐冲击、可拉伸的机械性能特点[1]。

压力容器在加工过程中或加工完成后一般都需要进行焊后热处理，有研究表明设备制造过程中的焊后热处理会对复合材料的机械性能产生一定的影响[2、3]，如果检验坯料选择不当将会影响检验结果。对此，本文探究不同坯料尺寸对模拟焊后热处理（SPWHT） 后爆炸复合板基层SA-516 Gr.70 钢板组织性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用材料取自爆炸复合板基层SA-516 Gr.70 钢板，厚度169 mm。分别从6 件张钢板的T/4和T/2 处切取试验用坯料（见表1）。

表1 钢板的化学成分（wt.%）

1.2 试验方法

分别在6 件钢板上切取尺寸（宽×长×厚，下同） 为180 mm×270 mm×169 mm（全厚度）、200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 处）、200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/4 处） 试验用坯料，经模拟焊后热处理（SPWHT） 后，在180 mm×270 mm×169 mm（厚T/4 处） 和200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/4 处） 坯料上切取拉伸、冲击、金相试样；在180 mm×270 mm×169 mm（厚T/2 处） 和200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 处） 坯料上切取冲击试样，采用两种不同的保温时间对200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 处） 坯料进行SPWHT，然后切取冲击试样。

本文的室温拉伸试验采用Ø12.5 mm 圆棒拉伸试样，冲击试验采用10 mm×55 mm×10 mm 夏比V形缺口冲击试样，每组3 件，按ASME BPVC.II.A-2017 SA370 进行检验，试验温度-20 ℃，计算3 个试样冲击吸收能量（冲击功） 的平均值；对经过检验的冲击试样进行金相检验。

1.3 SPWHT 过程

SPWHT 在箱式电阻炉中进行，两种SPWHT过程保温温度均为620 ℃±14 ℃，温度在425 ℃以上时的加热和冷却速率≤56 ℃/h，保温时间分别为12 h 和20 h（见图1）。

图1 钢板SPWHT 曲线

2 试验结果及分析

2.1 不同坯料SPWHT 后的试验结果

对同一试料的同一位置上切取不同尺寸的坯料按照相同的SPWHT 制度进行热处理，考察坯料尺寸大小对钢板拉伸性能、冲击性能、金相组织及晶粒度的影响（见表2）。

表2 钢板T/4 处试样检验结果

可以看出，坯料尺寸对SPWHT 后屈服强度、抗拉强度和延伸率的影响不大；晶粒尺寸7～8 级；大尺寸坯料经SPWHT 后微观组织为铁素体+珠光体，碳化物由珠光体向铁素体扩散较为均匀，小坯料经SPWHT 后微观组织为铁素体+珠光体+贝氏体，珠光体减少，部分转变成贝氏体，有碳化物在晶界处析出（见图2）；冲击韧性变化较大，所以本文对冲击韧性进行重点分析，增加钢板T/2 处的冲击试验。

图2 不同坯料尺寸SPWHT 后的微观组织

2.2 冲击试验结果

为了测定钢板SPWHT 后T/2 和T/4 处的冲击性能，笔者在SPWHT 后的180 mm×270 mm×169 mm（全厚度） 坯料的相应位置切取加工试样，同时在复合板相应位置切取200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 或T/4 处） 坯料进行SPWHT 后加工试样等两种取样方式，对比冲击试验结果（见表3）。

通过表3 中试验数据对比可知经过SPWHT 后小坯料T/4 处的冲击功比大坯料降低43J，降低率30%，T/2 处的冲击功降低64J，降低率48%，由于材料的冲击功较为分散，数据结果体现总体趋势，即SPWHT 后小坯料冲击功总体比大坯料降低，甚至会出现冲击功不满足技术要求的情况。

表3 冲击试验结果

2.3 保温时间的影响

通过实验考察SPWHT 保温时间对200 mm×20 mm×20 mm（板厚T/2 处） 小坯料冲击功的影响，保温温度620 ℃±14 ℃，保温时间分别为12 h 和20 h（见表4）。

表4 不同SPWHT 保温时间冲击试验结果对比

可知保温时间对小坯料冲击功影响不大。

3 结 语

（1） 不同规格的坯料经过SPWHT 后对爆炸复合板基层SA-516 Gr.70 钢板的强度及晶粒度的影响不大。

（2） 爆炸复合板基层SA-516 Gr.70 钢板的冲击韧性受坯料尺寸影响较大，采用小坯料进行SPWHT 后冲击韧性大大降低，原因在于坯料尺寸小导致SPWHT 时过热和快速冷却，促使碳化物扩散剧烈并在晶界处析出，晶界弱化，进而影响冲击韧性的检测结果。

（3） 改变保温时间并不能显著改善SPWHT 后小坯料的冲击韧性。