成形对材料力学性能的影响及恢复性能热处理

王 军 大连宝原核设备有限公司

翟长峰 武艳芳 鲁果昌 蒋 鑫 丛 轶 苑 怡 大连中集重化装备有限公司

成形对材料力学性能的影响及恢复性能热处理

王 军 大连宝原核设备有限公司

翟长峰 武艳芳 鲁果昌 蒋 鑫 丛 轶 苑 怡 大连中集重化装备有限公司

对ASME和GB150关于成形的术语的定义和分类进行了比较；分析了各类成形工艺对材料性能的影响；对于恢复材料性能和改善材料性能热处理及所用试件进行了讨论。

冷成形 温成形 热成形 力学性能 恢复性能热处理 试件

GB150.4-2011规定钢板冷成形受压元件，当变形率超出规定范围时，应于成形后进行相应热处理恢复材料的性能，若热成形或温成形改变了材料供货热处理状态，应重新进行热处理恢复材料供货热处理状态。同时规定，改善或恢复材料性能的热处理应带母材和焊接试件[1]。于是，某些设计单位按照该标准规定，要求制造单位冷成形封头和弯管带母材试件进行同炉热处理。由于母材的板或管并未参与变形，如果说热成形的母材试件能够代表相变以上温度的恢复性能或改善性能热处理后产品的性能的话，未参与变形的冷成形母材试件(板或管)与成形产品同炉进行消除应力或再结晶退火热处理能代表什么，谁也说不明白，它只不过是原材料的一次模拟热处理,与产品并无关系。如果说GB/ T25198-2010要求所有冷成形的碳钢、低合金钢封头必须热处理有些过分的话,但毕竟没要求带恢复性能的母材试板[2]，而某些要求冷成形封头或弯管带母材试件进行恢复性能热处理的规定着实让人无法理解。

1 成形过程对压力容器材料性能的影响

1.1 成形的分类和术语定义

● 1.1.1 ASME规范对成形的分类和术语定义

ASME规范并未对成形进行明确分类。但在第Ⅱ卷SA20中将热成形定义为“钢板被加热到发生晶粒细化所需的温度后，使其产生永久变形的加工”[3]，显然定义所指的是发生相变重结晶的温度。ASME-Ⅷ-1中规定在120-480℃成形作为冷成形后需热处理的条件之一[4],因此，可以认为480℃以下属冷成形。ASME中文版将“temperature required to produce grain refinement”译为“再结晶温度”。实际上，原文并无“再结晶温度”的意思，在专业科技词典中应为“发生晶粒细化的温度”。而通常所说的“再结晶温度”是指相变温度以下的再结晶退火温度，一般为金属或合金熔点的0.35～0.45（钢材约为480℃以上)，英文专业词典中为“recrystallization temperature”[5],从该规范第Ⅱ卷关于热成形可以代替正火的规定可以看出，ASME规范定义的“热成形”一般是指相变温度以上奥氏体化温度的成形，形变过程中同时发生动态回复（dynamic recovery)和再结晶(recrystallization),其后的冷却使奥氏体发生静态再结晶（相变重结晶)。而通常所说的“再结晶”是指金属冷变形后的静态回复（static recovery)和再结晶，二者的主要区别在于前者发生相变，后者不发生相变。

● 1.1.2 GB150.4对成形的分类和术语定义

GB150对热成形的定义与ASME中文版相同，称之为“在工件材料再结晶温度以上的塑性变形加工”,将冷成形定义为“在工件材料再结晶温度以下进行的塑性变形加工”。本来热成形和冷成形的界限已经明确，二者之间并无其他温度范围。但是，该标准又将“在工程实践中”环境温度下进行的塑性变形加工称为冷成形，将环境温度与热成形之间的塑性变形加工称为“温成形”，这个“温成形”实际上就是ASME规范中的环境温度至480℃以下的“冷成形”。这种自相矛盾的成形分类，正是导致该标准将120～480℃冷成形后热处理被遗漏的原因[6]。

● 1.1.3 工程实践中对成形的分类

实际上，如果一定要区分冷成形、温成形和热成形的话，应该把不发生回复和再结晶的成形称为冷成形，如钢在480℃以下的成形；通常将在相变温度以上的奥氏体化温度的成形称为热成形；介于再结晶温度与相变温度之间的发生回复再结晶的成形，应称为温成形。工程实践中，压力容器用钢的冷成形一般是指环境温度的成形；温成形一般是指500～680℃之间的成形，即根据材料的不同供货状态，在比下临界温度低40℃（75℉）或低于材料回火温度以下的温度范围加热成形，保证材料供货状态的性能不被破坏。

1.2 冷成形过程材料性能的变化

在冷成形过程中，随着变形率的增加，碳钢、低合金钢的强度、硬度直线上升；在相当大的变形率范围内（50%）钢的伸长率和断面收缩率几乎不变；钢的冲击韧性在变形率10%以内只有轻微下降，当变形率超过10%后即迅速下降[6]。冷成形对奥氏体不锈钢的有害影响主要是形变马氏体的形成和强度、硬度增加使其耐蚀性变坏，导致腐蚀率超标并增大了应力腐蚀敏感性[7-8]。

1.3 温成形的温度范围及对材料性能的影响

温成形的主要目的一是为降低材料的变形抗力，提高设备对厚板的成形能力，二是避免材料冷作硬化，破坏材料供货状态的组织和性能。温成形一般在500～680℃之间进行，材料一边发生形变和晶格畸变，一边进行回复和再结晶，成形温度尽可能采用上限,利用回复再结晶保持材料的组织和性能，但又不能超过回火温度(回火钢)或材料的下临界温度(正火钢)，避免组织改变和性能下降。正确的温成形，不改变材料的组织和性能，成形后不必再进行恢复性能热处理。对于不锈钢，由于温成形处于敏化温度区，因此不宜采用，而应采用冷成形或在固溶温度范围加热成形。

从表3可以看出，合金锌粉加入量按照贫镉液钴的30倍加入，锌粉消耗量大，除钴效率不到20%，镉也并未置换出来，并未有效地解决系统钴循环、富集的问题。

1.4 热成形温度的控制及对材料性能的影响

由于设备能力的限制，厚板采用热成形是不可避免的。合理的热成形制度可以代替正火或固溶处理，减少能源消耗，缩短制造周期。低碳低合金钢可在900～1050℃之间选择加热温度，并在上临界温度以上（大多在850℃以上）终止成形，以代替正火。对于非稳定奥氏体不锈钢可在固溶温度下限以上加热成形，在950℃以上终止成形后水冷；稳定化不锈钢可在稳定化温度以上加热成形，在稳定化温度终止成形空冷或水冷，以保证其耐蚀性不被损害。

2 恢复性能热处理及改善性能热处理

2.1 恢复性能热处理与改善性能热处理的区别

恢复材料性能热处理是指材料在产品制造过程中供货状态的组织和性能受到损坏，需按供货时的热处理规范重新热处理予以恢复。改善或提高性能的热处理是指材料的原有性能不能满足产品使用需要，需用新的热处理方法加以改善或提高。例如，某些锻件正火状态供货，组织和性能虽然满足标准规定，但偏于下限，可用正火加热后的快冷细化晶粒，或改变组织结构提高材料性能；又如原始状态的焊缝，通过焊后热处理消除应力、降低硬度、提高塑性和韧性就属于改善性能的热处理。改善或提高性能热处理不属于标准的强制规定，而是根据设计和使用者对产品服役条件的更高需要要求制造单位进行。

2.2 成形后材料性能的恢复

● 2.2.1 冷成形材料的性能恢复

为了恢复冷变形材料的性能，可根据不同需要采用不同的热处理规范。对压力容器用低合金钢，为去除冷变形应力，可在550～650℃进行去应力退火；为使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残留应力，可在600～700℃进行再结晶退火。但是，当冷变形率达6%～15%范围时成形后的热处理会造成晶粒长大，除非用于应力腐蚀工况，不宜进行再结晶退火处理[9]。

冷成形的奥氏体不锈钢，特别是镍当量小于25%的奥氏体不锈钢会形成形变诱导马氏体，降低其耐蚀性。如在腐蚀工况服役，应进行固溶处理，消除形变马氏体。通过对304L不锈钢盘管冷弯成形和固溶处理后的金相组织检验证实，盘管冷弯后变形处存在大量形变马氏体，1100℃保温10min电阻加热固溶处理后，马氏体消失，变为完全奥氏体组织。对于通过应变强化提高硬度和强度或应用于耐磨的奥氏体不锈钢，则不必进行固溶处理，如螺栓和弹簧可进行低温稳定尺寸热处理（320～420℃)。

● 2.2.2 温成形材料的性能恢复

温成形以减小材料变形抗力，又不损害材料性能为原则。除非温成形温度超出回火温度或下临界温度，改变了材料供货状态的组织和性能，热成形后一般不需做恢复性能热处理。这里的温成形，不是环境温度和再结晶温度之间的“温成形”，而是480℃以上，下临界温度以下温度的温成形。温成形温度过高会使材料强度变坏，必须重新进行相变温度以上的正火、正火+回火或淬火+回火以恢复供货状态材料的性能。不锈钢材料或不锈钢复合材料不宜进行温成形。

● 2.2.3 热成形材料的性能恢复

在比正火温度高不太多的范围均匀加热的碳钢低合金钢，成形终止温度高于材料上临界温度（850℃以上），可以代替正火，非稳定化奥氏体不锈钢在固溶温度下限以上加热，在σ相析出温度以上（950℃）结束成形并快冷可以代替固溶处理。成形加热温度过高，将使晶粒粗化，力学性能变坏；成形终止温度低于相变温度，可能得不到所期望的组织和性能。尽管在一定条件下，热成形可以代替正火或固溶处理，但如果经历同样热过程和冷却条件的试件性能不合格，也必须重新进行相应的热处理恢复材料的性能。

3 恢复或改善材料性能试件规定的争议

3.1 冷成形的母材试件的代表性

由于成形术语定义的矛盾和不确切，对恢复性能规定的不明确，造成某些试件规定的无代表性和不可操作性。例如GB150.4-2011要求冷成形后进行恢复性能热处理，并要求带母材试件。由于冷成形后大都是进行消除应力热处理，母材试件（板或管）没参与变形，根本不需恢复性能，最多是原材料的一次模拟热处理；如果试件是和产品进行同样变性，在变形处又无法制取力学性能试样，不具可操作性。只有当成形后进行相变温度以上的热处理恢复或提高材料性能时，试件和产品都发生相同的相变重结晶，母材试件才具有代表性。如HG/T20581-2011规定“冷变形量小于或等于2%不需处理；大于2%至小于或等于5%应作消除应力热处理；大于5%应作正火或回火热处理”[10]，消除应力热处理一般不需带试件，正火热处理应带母材试件。如果消除应力热处理一定要带试件的话，应该带同样变形率的板材或管材成形试件，热处理后检查变形处金相组织和硬度，和供货状态的母材对比，以确认产品成形后是否恢复了性能，对于不锈钢试件则应检查试件重新固溶处理后变形处组织和硬度以判断其应力腐蚀敏感性，或取样按相关标准进行腐蚀试验。

3.2 温成形或热成形的母材试件的代表性

温成形或热成形所带的母材试件是用以证明在成形的加热温度，材料的组织和性能是否受到损害，以确定是否应进行恢复材料性能的热处理。如果需要进行恢复材料性能的热处理，所带试件还应证明重新热处理后（正火、调质、固溶处理）材料的组织和性能已经恢复或者比原材料供货状态更优。

4 结束语

对相关标准中关于成形的术语的定义进行了分析，并对成形后热处理及试件问题的规定进行了讨论，期盼标准制定者、执行者（设计和制造）和监检者能统一认识，更利于产品制造和质量的保证，确保服役设备的安全。

1 GB150.4－2011 压力容器,第4部分:制造、检验和验收

2 GB/T 25198－2010,压力容器封头

3 ASME Boiler and Pressure Vessel Code－2010 SectionⅡ,part A

4 ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2010 SectionⅧ,Division1

5 西安交通大学金相教研室.英汉金属材料及热处理词汇.北京:科学出版社,19980.4

6 丛轶,赵予兵,王晓萌,等.压力容器碳钢与低合金钢冷成形分头热处理.石油化工设备,2012,41(5):49－52

7 许淳淳,张新生,胡刚,等.不锈钢冷加工形变诱发马氏体相变及其腐蚀行为.材料保护,2002,(3):15－17

8 顾雪东,关凯书,王志文,等.奥氏体不锈钢冷加工与形变马氏体及耐应力腐蚀的关系.第六届压力容器学术会议压力容器先进技术精选集,2005:121－125

9 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册,第1卷(第4版).北京:机械工业出版社,2008,1:161－162.

10 HG/T20581－2011 钢制化工容器材料选用规定

It compared the forming terms in ASME to the one in GB150, analyzed the materials properties effect for all kinds of forming process and discussed the heat treatment for recovery and improvement material performance and the test specimens.

Cold forming Warm forming Hot forming Mechanical property Heat treatment for restorability Test specimen

2013－11－01）