模拟焊后热处理对SA516Gr.60N钢板组织和性能的影响

吕三虎 龙渊 徐琛

摘 要： 本文主要研究了模拟焊后热处理对SA516Gr.60N钢板的组织和性能的影响。研究结果表明，钢板经模拟焊后热处理后，其强度及韧性下降延伸率提高。随着钢板厚度的增加，低温冲击韧性逐步下降且板厚1/2处的低温韧性下降幅度最为明显。碳化物在铁素体晶界上的析出是导致低温冲击下降的主要原因。

关键词： SA516Gr.60N;模拟焊后热处理;显微组织;低温冲击韧性;强度

【中图分类号】TG142.1     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.32.261

前言：SA516Gr.60N作为ASME标准中通用的中低温压力容器碳素钢板，目前广泛应用于国内外压力容器的设备制造。无论是国内GB150标准[1]或是ASMEVIII规范[2]均要求对焊接容器进行焊后热处理[3]以改善焊接区域的机械性能并消除焊接产生的残余应力。因此，容器钢板不仅需要保证供货态性能符合相应标准要求，还需确保钢板经一次或多次焊后热处理处理的力学性能仍能满足标准或客户要求。本文以湘钢供四川某项目的SA516Gr.60N钢板为试验对象，研究不同厚度钢板经620℃*16h长时间模焊处理后不同厚内位置的组织及性能变化情况。希望通过研究工作的开展为后续钢板的成分设计、热处理工艺的制定以及焊接工艺的优化提供一定的指导意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为湘钢生产的26、72mm厚SA516Gr.60N正火钢板，其化学成分及力学性能分别见表1及表2。

1.2 试验方法

从26、72mmSA516Gr.60N钢板角部切取科研样板进行模拟焊后热处理试验。根据项目设计要求，模拟焊后热处理工艺采用：620±10℃，恒温保温16小时，控制样板入出炉温度≤300℃，升降温速度为55℃/h。样板出炉后按标准要求加工厚内位置1/4及1/2处横向圆棒拉伸试样及冲击试样并进行相关性能检测。

2 试验结果与分析

2.1 模拟焊后热处理对拉伸性能的影响

26、72mmSA516Gr.60N科研样板经模拟焊后热处理，检验厚内位置1/4和1/2处的强度性能如表3所示。

从模拟焊后热处理后的强度性能来看，与正火态性能进行比较钢板强度出现明显下降，延伸率略有提高。同钢板不同厚内位置的强度下降幅度无明显区别。随着钢板厚度的增加，屈服下降幅度变缓，抗拉强度下降幅度仍基本保持一致。

2.2 模拟焊后热处理对冲击性能的影響

SA516Gr.60N钢板正火态及经模拟焊后热处理后不同厚内位置的系列冲击性能试验结果如表4所示。

由表4可以看出，26mm和72mm厚SA516Gr.60N钢板正火态具有良好的低温冲击韧性，随着钢板厚度的增加及检测温度的降低，冲击值略有下降。经620℃*16h模拟焊后热处理后，26mm和72mm钢板1/4处和1/2处的-40℃冲击性能良好均在150J以上。随着冲击温度的进一步降低，冲击出现不同程度的下降。对于26mm钢板，1/4处的-50℃、-60℃低温冲击韧性有所下降但仍能满足要求，而1/2处的-50℃、-60℃低温冲击韧性测出现低值，且随着温度的降低，低值增多。对于72mm钢板，相对于26mm钢板低温冲击下降幅度更大，1/4处的-50℃、-60℃低温冲击韧性有所下降但仍能满足要求，但富余量较少;而1/2处的-50℃、-60℃低温冲击韧性则出现更大程度的降低，特别是-60℃冲击值只有13～22J，不能满足技术要求。

2.3 模拟焊后热处理对显微组织的影响

26、72mm厚SA516Gr.60N钢板正火态及模拟焊后热处理态下的金相组织及扫描电镜分析如图1所示。

从图1所示的金相组织可以看出，随着钢板厚度的增加，晶粒度等级呈下降趋势，26mm钢板晶粒度为9.5～10级，72mm钢板晶粒度为8.5～9级。正火钢板经620℃*16h长时间模焊处理后，钢中晶粒度等级及组织类型均未发生明显改变，但组织形态发生明显变化。与正火组织形态相比较，模焊后的珠光体更为细小弥散并扩散至铁素体晶界处聚集[4]。由图1中电镜分析可见，正火态钢板铁素体晶界清晰，珠光体组织内的渗碳体呈明显片层状分布。经620℃*16h长时间模焊处理后，钢中部分铁素体晶界上出现细小的碳化物，碳化物在晶界的聚集弱化了晶界强化效果而导致低温冲击韧性明显下降，同时珠光体组织内的片层状渗碳体重新分解扩散形成细小的球状渗碳体从而造成强度下降[5]。从试验结果来看，模拟焊后热处理对材料低温韧性的影响要明显高于强度的变化。

3 结论

3.1 SA516Gr.60N钢板经620℃*16h长时间模拟焊后热处理后，强度和韧性都呈下降趋势，材料在低温韧性方面的下降幅度最为明显。

3.2 SA516Gr.60N钢板经模拟焊后热处理后，钢板强度下降的主要原因在于珠光体中片层状渗碳体的球化，低温韧性下降的主要原因在于碳化物在铁素体晶界上的析出。

3.3 随着SA516Gr.60N钢板厚度的增加，模拟焊后热处理对材料低温冲击韧性的影响加剧，主要原因在于厚板的晶粒细化等级偏低，晶界碳化物的析出对材料整体晶界能的弱化效果更为显著。

参考文献

[1] GB150-2011，压力容器[S].

[2] ASMEVIII-2019，RulesforConstructionofPressureVessels[S].

[3] 陈泰炜.压力容器焊后热处理技术[M].北京：中国石化出版社，2002：9～10.

[4] 徐琛，杨文志，等.模拟焊后热处理工艺对15CrMoR钢组织和性能的影响[J].金属材料与冶金工程，2016，3：24-29.

[5] 隋轶.中低温压力容器用钢SA516Gr70模拟焊后热处理研究[J].宽厚板，2012，18（3）：5-8.