正火温度对低温压力容器钢板组织与力学性能的影响

谢章龙, 陈家辉, 张丙军, 陈 锋

(1. 南京钢铁股份有限公司, 江苏 南京 210035;2. 东南大学 材料科学与工程学院, 江苏 南京 211189)

低温压力容器用钢是国民经济建设中一类十分重要的钢铁材料,各行业对低温容器钢提出了越来越高的性能指标以满足安全性和成本的要求[1]。低温容器钢要长期在低温环境中服役,故特别要求其具备优异的低温韧性[2-3]。如欧标EN 10028中P355NL2、13MnNi6-3钢和美标ASME A537/A537M中A537Cl1钢等,交货状态为正火态,多用于建造丙烷、丁烷等低温储罐,为了提高安全裕量,通常会要求考核温度比标准要求温度低10 ℃左右,如EN 10028中要求P355NL2钢-50 ℃的KV2≥27 J[4],而采购方则提出-60 ℃的KV2≥27 J的技术要求。正火钢受到成分、铸坯偏析、正火工艺以及冷速等因素影响,其组织状态和低温韧性易出现波动。

本文以10 mm厚低温容器钢板P355NL2为研究对象,重点研究了热轧态及不同正火温度下钢板的组织、强度及低温韧性的变化规律,以获得合适的正火工艺参数,满足低温冲击性能的要求,为指导实际生产提供理论和试验依据。

1 试验材料及方法

试验钢P355NL2的主要化学成分如表1所示,为了确保强度裕量,C和Mn含量接近标准上线,采用了微合金化成分设计。

表1 试验钢P355NL2的化学成分(质量分数,%)

热轧板的正火工艺为升温过程的平均速率为1.5 ℃/min,正火温度为850、870、880、890、910、930、950 ℃,到达要求温度后保温15 min,空冷。

热轧板及正火板沿横向切取拉伸、冲击以及显微组织试样后进行相关试验。根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》切取2个平行拉伸试样,在CMT5105型电子万能试验机上进行拉伸试验;按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》切取3个V型缺口试样,加工成尺寸为7.5 mm×10 mm×55 mm的试样,在ZBC2303-1型摆锤试验机上进行试验,试验温度为-60 ℃;在心部位置测量异常组织硬度,试验设备为FM-700显微硬度计,载荷砝码为500 g,保载时间为10 s;采用光学显微镜和环境扫描电镜进行组织观察与分析,利用Image Pro Plus和Nano Measurer图像分析软件测定组织中铁素体的体积分数和晶粒尺寸。

2 结果与讨论

2.1 正火温度对1/4厚度处组织的影响

图1为不同正火温度下钢板的显微组织。由图1可见,热轧态及各正火温度下组织均为铁素体+珠光体,呈带状分布,与热轧态相比,正火后珠光体条带状组织明显变窄且弥散化,带状明显减轻,铁素体与珠光体分布更加均匀。由图2可见,热轧态试样的渗碳体为层片状,其与片状铁素体交替,形成片状珠光体组织;正火后渗碳体仍保持片层结构,随正火温度升高,渗碳体尖角处逐渐溶解圆化,至950 ℃正火时,渗碳体片层结构不明显,部分形态呈长棒状。图3为试验钢在不同正火温度下的铁素体晶粒尺寸、体积分数和长宽比。结合图1、图3可以发现,随着正火温度升高,带状组织减轻,铁素体的形貌由不规则逐步等轴化,铁素体的晶粒尺寸增加且趋于均匀,体积分数减小,这是因为随正火温度升高,奥氏体晶粒会长大,成分均匀性会提高,使得铁素体具有更少的形核位置(体积分数减少)、更大的生长空间(晶粒尺寸增加)[5]。正火温度升高到950 ℃时铁素体晶粒尺寸大于轧态的,达不到正火的目的。钢板热轧时晶粒受到挤压变形,形成高长宽比的铁素体,正火后铁素体晶粒长宽比减小,正火温度大于880 ℃后铁素体长宽比变化不大。正火温度高、冷速较快,过冷度大,可减小富溶质区与贫溶质区奥氏体的分解速度差距,从而减轻带状组织[6]。

图1 不同正火温度下试验钢板1/4厚度处的显微组织(a)热轧态;(b)850 ℃;(c)870 ℃;(d)880 ℃;(e)890 ℃;(f)910 ℃;(g)930 ℃;(h)950 ℃Fig.1 Microstructure at 1/4 thickness of the tested steel plate normalized at different temperatures(a) hot-rolled; (b) 850 ℃; (c) 870 ℃; (d) 880 ℃; (e) 890 ℃; (f) 910 ℃; (g) 930 ℃; (h) 950 ℃

图3 不同正火温度下试验钢中铁素体晶粒尺寸、体积分数、长宽比Fig.3 Grain size, volume fraction, aspect ratio of ferrite in the tested steel normalized at different temperatures

2.2 正火温度对心部组织的影响

图4为热轧态及不同正火温度下试验钢心部的显微组织。可以看出,热轧态与正火态心部组织都不均匀,出现呈条带状的异常组织,且随着正火温度升高,异常组织形貌无明显变化。

图4 不同正火温度下试验钢板心部的显微组织(a)热轧态;(b)850 ℃;(c)870 ℃;(d)880 ℃;(e)890 ℃;(f)910 ℃;(g)930 ℃;(h)950 ℃Fig.4 Microstructure of core of the tested steel plate normalized at different temperatures(a) hot-rolled; (b) 850 ℃; (c) 870 ℃; (d) 880 ℃; (e) 890 ℃; (f) 910 ℃; (g) 930 ℃; (h) 950 ℃

为进一步分析心部异常组织的成分及成因,本文利用扫描电镜对心部异常组织进行了元素选区分析,结果如图5和表2所示。异常组织中Mn元素含量相对于均值1.59%大幅偏高;Ni元素含量相对于均值0.32%也偏高,Mn和Ni元素发生了微区偏聚。Mn、Ni元素是奥氏体稳定化元素,能使CCT曲线向右下方剧烈移动[7],因此,异常组织的形成应归因于心部Mn、Ni偏析使得CCT曲线右移,导致冷却时形成了贝氏体组织[8]。从表2可以看出,Mn和Ni的偏析程度与正火温度无明显关系。

表2 不同正火温度下试验钢板心部异常组织处元素含量(质量分数,%)

图5 880 ℃正火后试验钢的EDS分析(a)1/4厚;(b)心部Fig.5 EDS analysis of the tested steel normalized at 880 ℃(a) 1/4 thickness; (b) core

2.3 正火温度对拉伸性能的影响

图6为热轧态与不同温度正火后试样的拉伸性能。可以看出,正火后试验钢抗拉强度和屈服强度相比热轧态有所降低,伸长率上升,原因是正火使试验钢组织中位错密度降低,不平衡组织有所减轻。随正火温度的升高,强度变化很小,这是多种因素共同作用的结果:随着正火温度的升高,铁素体晶粒尺寸逐渐增大会导致强度下降;而铁素体体积分数的逐渐减少(珠光体体积分数升高)则会使得强度上升。

2.4 正火温度对低温韧性的影响

图7为热轧态和不同正火温度下试验钢-60 ℃的KV2变化曲线。不同温度正火后试验钢的冲击吸收能量较热轧态均有大幅提升,随着正火温度升高,呈现先升后降的趋势,正火温度在880～910 ℃之间时,冲击吸收能量变化不大。当正火温度达到930 ℃时,韧性下降明显。相对于热轧态,正火温度≤930 ℃时,铁素体晶粒得到细化,晶界总面积增大,同时带状组织得到减轻(见图1)。晶界的存在可以有效阻止裂纹扩展,因而晶粒细化可以非常有效地提升低温韧性[9]。

图7 不同正火温度下试验钢-60 ℃冲击吸收能量Fig.7 Impact absorbed energy at -60 ℃ of the tested steel normalized at different temperatures

随着正火温度的升高,铁素体形状逐渐由不规则转为规则,尺寸逐渐均匀,有利于低温韧性,这从铁素体长宽比与韧性关系可以看出,如图8所示。相同体积下,长宽比越大,其表面积越大,即晶界面积越大,对低温韧性起有利作用[10];但一方面由于长宽比大的晶粒存在各向异性,裂纹在沿特定方向扩展时相对更加容易,导致低温韧性恶化;另一方面长宽比大通常是在正火温度低的工况,其晶粒均匀性较差且带状组织更严重,不规则晶界处和大小晶粒交界处容易出现应力集中而产生裂纹[11],导致低温韧性恶化。带状组织由于晶粒取向的一致性,有利于变形发展,随着应力的增加和形变量的积累,滑移面上的位错容易越过晶界,从而加速裂纹的扩展导致材料的断裂[12]。随着正火温度升高,晶粒尺寸和渗碳体比例增加不利于韧性,但晶粒形貌和带状组织的改善使得韧性大幅提升。当晶粒尺寸和渗碳体比例持续提高(正火温度达到930 ℃时),其对韧性的影响开始起主导作用,导致低温韧性的降低。因此,低温韧性随正火温度变化的规律是上述多种因素共同作用的结果。

图8 试验钢的冲击吸收能量与铁素体晶粒长宽比的关系Fig.8 Relationship between impact absorbed energy and length-width ratio of ferrite grain of the tested steel

从图9不同正火温度下偏析带上硬度看,其大小随正火温度无明显变化规律,仅与微区偏析程度有关,同一张钢板偏析带在冲击试样中的占比基本相同,因此前述分析没有考虑心部偏析带的影响。但心部偏析形成了高硬度的条带状贝氏体势必会降低钢板的低温冲击性能[10]。因此,抑制钢板心部Mn、Ni元素偏析和贝氏体的形成,进一步提升材料韧性是今后需开展的一项重要工作。

图9 不同正火温度下试验钢板心部异常组织处的显微硬度(a)热轧态;(b)850 ℃;(c)870 ℃;(d)880 ℃;(e)890 ℃;(f)910 ℃;(g)930 ℃;(h)950 ℃Fig.9 Microhardness of abnormal microstructure region in core of the tested steel plate normalized at different temperatures(a) hot-rolled; (b) 850 ℃; (c) 870 ℃; (d) 880 ℃; (e) 890 ℃; (f) 910 ℃; (g) 930 ℃; (h) 950 ℃

3 结论

通过对热轧态和不同正火温度下低温压力容器P355NL2钢板显微组织和力学性能的分析,得出以下结论:

1) 正火后带状组织改善,冲击性能大幅提高,随正火温度升高,铁素体晶粒趋于等轴化、晶粒尺寸粗化、体积分数减小,强度和伸长率无明显变化,低温冲击性能先上升后下降。

2) 热轧态、不同正火温度下的心部异常带状组织无明显差异。

3) 正火温度升高可改善铁素体形貌和带状组织,使得低温韧性提高,但当铁素体晶粒尺寸和珠光体比例持续增加到一定程度后对低温韧性的不利影响将起到主导作用。

4) 对于10 mm厚钢板正火温度选择880～910 ℃可获得优良综合力学性能,尤其低温韧性相对于EN10028标准中要求值(27 J)有较大裕量。