正火温度对不同板厚规格 SA-516Gr70钢显微组织和力学性能的影响

正火温度对不同板厚规格 SA-516Gr70钢显微组织和力学性能的影响

洪君 郑建平

南京钢铁股份有限公司 江苏南京 210035

摘要：通过显微组织观察和力学性能测定，研究了正火温度对20、59、90mm三种板厚SA-516Gr70钢性能的影响。结果表明：不同规格厚度SA-516Gr70钢板的塑韧性与正火温度的提高成正比，屈服强度则有不同程度的下降，抗拉强度保持不变或略有上升，使得屈强比变大；不同规格厚度SA-516Gr70钢板的显微组织均匀化与正火温度成正比，中厚板显微组织均匀化更为明显；正火后的钢板试样经模拟焊后热处理（PWHT）力学性能仍满足标准要求。

关键词：中厚板，正火温度，力学性能，SA-516Gr70

Effect of normalizing temperature on microstructure and mechanical properties of SA-516Gr70 steel with different plate thickness

Abstract

Hongjun, Zhengjianping

(Plate Business Unit，Nanjing Iron and Steel Co., Ltd., Nanjing , 210035)

The effects of normalizing temperature on the properties of SA-516Gr70 steel plate thickness of 20, 59 and 90mm were studied by observing the microstructure and measuring the mechanical properties. The results show that the ductility of SA-516Gr70 steel with different thickness was directly proportional to the increase of normalizing temperature, the yield strength decreased in different degrees, the tensile strength remains the same or slightly increased, and the yield ratio was increased. The microstructure homogenization of SA516-Gr70 steel plates with different thickness was proportional to the normalizing temperature, and the microstructure homogenization of medium thickness steel plates was more obvious. The mechanical properties of steel plate samples after normalizing after simulated post weld heat treatment (PWHT) still meet the standard requirements.

Key words: medium thickness plate, normalizing temperature, Mechanical properties, SA-516Gr70

1引言

近年来，压力容器制造过程中普遍使用ASME（美国机械工程师学会）锅炉及压力容器规范中的SA-516Gr70钢板，且使用的环境越来越苛刻，同时压力容器的设计使用温度也较低，经常在-40℃以下^[1-2]。同样，现代容器的的人性化、高参数化的趋势日益明显，需求量大幅增加，同时使用条件和环境越来越苛刻^[3]。但是在此类钢的使用过程中，中厚板由于在厚度方向上易出现组织不均匀性等问题，轧制过程中很难保证其高强度与高韧性的兼顾，而正火是提高钢板强韧性、改善钢板组织的重要工艺手段^[4]。

同时，压力容器在制造过程中，为使焊接接头获得更好的疲劳强度以及钢板结构的稳定性，一般都需要进行整体的焊后热处理（PWHT），但具体的热处理工艺则根据钢板不同的使用环境有所改变，但均要求钢板经模拟焊后热处理后的各项性能仍能满足标准要求^[3]。

本文针对国内某钢厂生产的20、59、90mm三种板厚SA-516Gr70钢进行不同温度的正火处理，通过显微组织观察和力学性能测定，研究了正火温度对20、59、90mm三种板厚SA-516Gr70钢力学性能的影响，并模拟焊后热处理（PWHT）加以验证。

2试验材料和方法

2.1试验材料

试验材料为国内某钢厂生产的20、59、90mm厚SA-516Gr70钢板，其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 SA516Gr70钢板的化学成分(wt.%)

表2标准要求的力学性能

2.2试验方法

本试验材料属于亚共析钢。按照理论分析，本试验钢板材料正火温度应在Ac₃温度以上30~50℃，化学成分是正火温度临界点的重要因素^[6]。其中Ac₃的计算公式为：

Ac₃=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+7W+14Mo+5V+18Si （1）

根据公式（1）计算的AS-516Gr70钢的Ac₃温度为866.016℃。为了更准确的研究正火温度读钢板显微组织及力学性能的影响，选择正火温度为890℃与910℃，保温时间39min。

从20、59、60mm三种规格不同正火后的钢板进行取样，在距离钢板上表面厚度的1/4、1/2厚度分别横向取直径为10mm、标距为50mm的圆棒试样进行拉伸性能测试，利用GNT600Y电液式拉伸试验机进行拉伸试验；横向取10mm x 10mm x 55mm试样进行-43℃冲击韧性检测，利用NI750摆锤式冲击试验机进行冲击试验；并将正火后的钢板线切割成金相试样，经镶嵌后，砂纸粗磨、抛光和腐蚀（腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液）后在金相显微镜观察组织形貌。

3 试验结果与分析

3.1力学性能检验分析

三种不同规格的钢板20、59、90mm的正火工艺分为两种：一种是正火温度890℃，保温时间39min；另一种是正火温度是910℃，保温时间是39min。经过两种正火工艺后的钢板力学性能见表3。

表3 正火状态SA516Gr70钢板的力学性能

从两种正火工艺处理后的力学性能来看，随着正火温度的升高，三种规格的钢板的屈服强度均有不同程度的下降，而抗拉强度保持不变或略有上升，相应的结果是SA516Gr70钢的屈强比变小，因此受压元件能承受较890℃正火较大的载荷，提高安全性；同时，随着正火温度的升高，塑性和韧性有了相应的提升。其中，在890℃正火时，59、90mm在厚度1/2处-43℃低温冲击韧性较低，当正火温度提高到910℃时，此现象消失。

在890℃正火处理时主要伴随组织内应力的消除、相变与组织的均匀化过程^[6]；随着正火温度的升高，奥氏体化过程中不断生成新的晶核^[6]，促进晶粒细化，晶粒度级别提高，同时厚板截面心部偏析的均匀化也使得钢板的综合力学性能，尤其是低温韧性得到改善。

3.2 显微组织检验分析

其中正火轧制状态试样的晶粒度见表4，金相实验的结果如图5、6、7所示，可以看出，不同温度正火后钢板显微组织晶粒逐渐细化并伴随等轴化，组织均为铁素体加珠光体。同一厚度规格下，910℃正火后的钢板晶粒度较细小，晶粒度要高于890℃正火后的钢板试样，均为0.5级左右，晶粒尺寸均匀性也优于后者。两种正火温度后的钢板试样均出现带状组织，但910℃正火后的带状组织趋于弱化。但在890℃正火后，59mm、90mm厚度1/2位置显微组织出现局部偏析状态，严重影响正火后钢板心部组织的均匀性，相应的低温冲击出现低值，分别为52J与37J。随着正火温度提高到910℃后，钢板心部局部位置偏析状态得到改善，组织更加均匀化。相应位置的低温冲击数值分别为129J与106J。

其中带状组织是钢板在轧制过程中的枝晶偏析沿变形方向呈条状或带状分布，而在冷却过程中，由于冷却速度较慢，先在这里形成铁素体而将碳排斥到枝干处，继而在枝干处形成珠光体，这样就出现了带状组织[7]。而在正火过程中，珠光体重新向奥氏体化转变，经历完全奥氏体化的重结晶过程，获得均一且细小的起始奥氏体晶粒，随着正火温度由890℃提高到910℃，相变后的铁素体、珠光体组织更加细小均匀，位错密度进一步降低，同时也会部分消除组织的疏松、偏析等缺陷，使钢板的性能更加均匀^[4]。由此得出：在910℃正火时，组织内应力得到消除，位错缠结程度减轻，钢板组织更加均匀，尤其是厚板全截面组织，综合力学性能优异。

表4 正火状态SA516Gr70钢板试样晶粒度

图 5 20mm厚度SA-516Gr70钢正火后1/4位置显微组织

（a）890℃正火 （b）910℃正火

图 6 59mm厚度SA-516Gr70钢正火后显微组织

（a）890℃正火1/4厚度（b）890℃正火1/2厚度

（c）910℃正火1/4厚度（d）910℃正火1/2厚度

图 7 90mm厚度SA-516Gr70钢正火后显微组织

（a）890℃正火1/4厚度（b）890℃正火1/2厚度

（c）910℃正火1/4厚度（d）910℃正火1/2厚度

4 模拟焊后热处理（PWHT）

将20mm、59mm、90mm三种规格分别在890℃与910℃正火后的钢板试样进行了模拟焊后热处理（PWHT），仍然具有良好的强度和低温韧性，力学性能见表8，满足标准要求。

表8 正火状态SA516Gr70钢板模拟热处理（PWHT）力学性能

5.结论

（1）随着正火温度的提高，不同规格厚度SA516Gr70钢板屈服强度均有不同程度的下降，抗拉强度保持不变或略有上升，使得屈强比变大，提高构件使用安全性，同时钢板得塑韧性，尤其是低温韧性，有了相应的提升。

（2）不同规格厚度SA516Gr70钢板的显微组织均匀化也随正火温度的提升得到改善，相变后的铁素体、珠光体组织更加细小和均匀，尤其是中厚板，综合力学性能优异。

（3）经不同正火工艺后的钢板试样，再经模拟焊后热处理，钢板综合力学性能仍能满足标准要求。

参考文献

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[7]隋轶,金耀辉.压力容器用Q345R钢板正火和正火轧制工艺对比研究[J].宽厚板,2018,24(04):11-14.

作者简介：洪君（1984—），男，工程师。