正火温度对A573Gr.70容器钢带状组织和力学性能影响

欧阳鑫 ，胡昕明 ，王储 ，隋轶 ，孙殿东 ，隋松言

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司产品发展部，辽宁 鞍山114009；3.鞍钢股份有限公司中厚板厂，辽宁 鞍山 114021）

A573Gr.70钢是ASTM标准中的一种碳-锰-硅钢，因其在生产成本低、生产工艺简单的条件下，仍具有良好强韧性匹配和焊接性能等优点而广泛应用于石油、石化领域，常用于低端压力容器的制造。近几年，在一带一路政策的带动下，此类钢种被广泛出口中东国家用于大型工程的建设。

A573Gr.70 钢含有 Cr、Mn、Si等多种合金元素，合金元素的偏析是带状组织形成的主要原因。带状组织包括一次带状组织和二次带状组织。一次带状组织为原始带状，是由连铸坯微观组织形核时产生的一次枝晶偏析造成的；二次带状组织是在一次带状组织的基础上，在轧制或热处理后沿钢材轧制方向产生的先共析铁素体带和珠光体带相互堆叠形成的组织[1-3]。二次带状组织可以通过优化钢板的热处理工艺减轻或者消除，而一次带状组织则很难通过常规手段消除[4-5]，可以通过采用电渣重熔、提高钢质纯净度、电磁搅拌、提高炼钢过热度和轻压下等技术加以改善和消除[6]。严重的带状组织会影响钢的组织均匀性，进而使钢材的力学性能大大降低。

A573Gr.70钢轧制热处理后钢板心部出现的成分偏析带为二次带状组织，其破坏微观组织均匀性，进而降低钢板的各项力学性能。正火热处理能够使合金元素充分固溶到晶粒内部，而不是富集在晶界处，大大缓解成分偏析的形成，提高钢板的强韧性匹配。通过不同温度系列正火热处理实验，研究了A573Gr.70钢的正火工艺对带状组织以及钢的力学性能的影响。

1 试验材料与试验方法

A573Gr.70钢制备工艺流程为：冶炼—连铸—加热—轧制。其化学成分见表1，用轧态钢板作为试验材料，将其切割成18 mm×200 mm×400 mm的 4 块， 分别标记 0#、1#、2#、3#。 采用的热处理制度见表2。

试验钢板经热处理后，利用DSX100光学显微镜对微观组织进行金相检验。利用图谱对带状组织进行等级评定；利用COXEM扫描电镜对带状组织的形貌进行观察并对组织偏析带的成分进行测定；同时检验了钢板的拉伸和冲击性能，对不同状态的力学性能进行了对比。

表1 A573Gr.70化学成分（质量分数） %

表2 热处理工艺制度

2 试验结果及分析

2.1 正火热处理温度对带状组织的影响

轧态和不同正火热处理温度条件下试样的带状组织形貌如图1所示，轧态具有粗大且连续的带状组织，贯穿整个视野区，0#～3#试样的带状组织评级结果依次为5、3.5、2.5、1.5级。在热处理温度较低的情况下，合金元素不能完全固溶在晶界内部，而是极易与碳结合，在晶界析出，形成碳化物。碳化物不断聚集长大，进而产生合金元素偏析，随着温度的升高，中心偏析得到了相应的改善。

扫描电镜对热处理后的带状组织形貌和组成结构观察如图2所示。可见，随着正火热处理温度的升高，带状组织逐渐消除，由原始的粗大且连续的组织，转化为F和P均匀分布的组织。这是由于随着温度的升高，两相区中先共析铁素体得以充分析出并发展为铁素体条带，C元素充分均匀的固溶在铁素体中，缓解了C元素偏聚或富集的情况，减少了珠光体的形成。在正火热处理条件下，奥氏体的稳定性取决于晶粒中合金元素的含量，当合金元素在晶界处偏聚时，一部分奥氏体活跃度升高，首先析出碳元素，形成铁素体，进而形成贫碳区和富碳区，导致铁素体和珠光体出现交替形成的情况，加剧带状组织的产生[7-11]。

此外，带状组织的形成与成分偏析密切相关。轧制时Si、Mn等合金元素均在晶界处偏聚，富合金元素区域和贫元素区域均沿轧制方向被拉长变形，形成对应的元素富集带与贫化带。元素含量影响该区域的相变过程，Mn贫化区的奥氏体较快地析出先共析铁素体，导致多余的碳排到两侧的Mn富化带，促使富化区发生珠光体相变，形成对应的铁素体和珠光体带状组织。钢板表层区域成分偏析小，金相照片显示无带状组织，钢板心部区域由于凝固速率较慢，合金元素被挤压至此，造成成分偏析较大，具有形成带状组织的前提条件，所以金相照片显示心部带状组织较为严重。在正火热处理的条件下，随着正火温度的升高，试样中的元素经历了更长的扩散时间，具有更快的扩散速度，影响原子尺寸小、扩散激活能较低的C元素，从而改善带状组织。此外，在不同的热处理温度下，试样发生回复、再结晶等现象的情况不同。温度较高时，奥氏体晶粒内的变形组织促进铁素体形核，铁素体形核位置大幅增加，能够向各个方向生长，不易连接形成带状。

图2 不同正火热处理温度下带状组织扫描电镜形貌

2.2 正火热处理温度对力学性能的影响

表3为不同正火热处理后钢板的力学性能检验结果。如表所示，随着温度的升高，带状组织和中心的成分偏析均得到改善，钢板的强度和冲击性能也随着提高，3个冲击单值浮动较小，没有出现离散的现象，性能均匀且稳定。

表3 A573Gr.70钢板系列正火热处理的力学性能

图3、图4分别为偏析带的扫描电镜形貌和图谱，图中中心偏析带有长条状的MnS夹杂和以Cr、Nb元素为主的碳化物的分布。正火热处理时，晶粒重新奥氏体化，在冷却的过程中，由于空冷的温降速度较慢，Nb、Cr等合金元素有充足的时间与C结合在晶间析出形成碳化物，并逐渐的聚集长大，阻碍了C和其他合金元素的均匀扩散。另外，Mn元素会与钢中的S元素形成MnS夹杂，在缓冷过程中，MnS夹杂会帮助先共析铁素体在沿轧制方向析出，使晶界处出现贫C区和富C区，促进带状组织的形成，而扫描电镜照片中的夹杂和碳化物的出现认证了上述观点。

图3 偏析带扫描电镜形貌

由于带状组织与相邻组织不同，不同组织之间存在较大力学性能差异，随着带状组织程度加重，组织中应力集中情况加剧，材料力学性能呈现明显各向异性，大大影响钢板的各向力学性能。正如表3数据所示，随带状组织级别的增加，试样的抗拉强度、屈服强度及冲击性能都有所降低。经正火温度升高后，微观组织晶粒细小，基本为等轴晶，晶粒度由7级细化为8.5级；铁素体晶粒逐渐趋于细小，带状组织明显减轻；随着温度升高，合金元素充分固溶在晶粒内部，而不是在晶间析出，中心偏析得到消除，带状组织由轧态时的5级细化为1.5级，提高了组织均匀性，避免了性能的各项异性，钢板强度和韧性得到提高。

图4 偏析带图谱

3 结论

（1）通过系列正火热处理实验得出最佳的热处理工艺制度为940°C正火热处理，静保温时间为1 min/mm；

（2）随着正火温度的升高，显微组织的成分偏析逐渐得到改善，晶粒度由7级细化为8.5级，带状组织等级由3.5级降到1.5级，逐渐消失；

（3）随着正火温度的升高，钢板的力学性能不断提高，由880°C到 940°C，抗拉强度提高40 MPa,冲击韧性提高20 J。