模拟焊后热处理次数对Q345R钢板力学性能的影响

张健 ，欧阳鑫 ，胡昕明 ，王储 ，孙殿东 ，王爽 ，李广龙

（1.鞍山钢铁集团系统创新部，辽宁 鞍山 114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

为了改善焊接热影响区和焊缝区域的力学性能，消除焊接残余应力，避免在成型时出现开裂等有害影响，压力容器在焊接过程完成后，一般都需要进行焊后热处理。焊接区域经过不同次数焊后热处理，其组织性能将有所不同，具体的影响规律，此前未有相关文献记载。通过利用Q345R钢板进行多次模拟焊后热处理（英文简称PWHT）后，检验其力学性能，探究多次热处理后钢板力学性能能否满足 《GB/T-713锅炉和压力容器用钢板》要求，并分析热处理对力学性能产生影响的原因，为压力容器的制造、焊接工艺的设计开发，如成型焊接工艺的最多实施次数等提供参考依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料采用鞍钢TMCP+正火工艺生产的厚度（T）为60 mm的Q345R钢板，其化学成分见表1。

表1 Q345R钢板的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Q345R Steel Plates（Mass Fraction） %

1.2 实验方法

在正火态钢板宽度1/4处并行连续取四块试板，其中一块不进行模拟焊后热处理，其余三块分别进行1次、2次、3次相同工艺的模拟焊后热处理，具体热处理工艺如表2所示。热处理后利用拉伸试验机和冲击试验机对试板进行力学性能检验，利用金相显微镜、扫描电镜对钢板的微观组织进行观察。

表2 模拟焊后热处理工艺Table 2 Simulation of PWHT Process

2 实验结果

2.1 不同模拟焊后次数对钢板拉伸性能的影响

钢板正火态及经不同次数模拟焊后热处理后的拉伸性能对比见表3。由表3看出，随着模拟焊后次数增加，钢板厚度1/4处，3次模焊态较正火态抗拉强度降低34 MPa，屈服强度降低28 MPa；钢板厚度1/2处，3次模焊态较正火态抗拉强度降低44 MPa，屈服强度降低28 MPa,断后延伸率没有明显的变化趋势。第三次模拟焊后热处理后，厚度1/2处屈服和抗拉强度指标均低于GB/T-713国标要求。

表3 钢板正火态及经不同次数模拟焊后热处理后的拉伸性能对比Table 3 Tensile Properties after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

2.2 不同模拟焊后次数对钢板冲击性能的影响

正火态及经不同模拟焊后热处理试样的冲击性能对比图见图1。由图1可以看出，厚度1/4处，3次模焊态较正火态钢板的0°C冲击性能降低80 J，-20 °C 冲击性能降低 90 J，-40 °C 冲击性能降低30 J；厚度1/2处，3次模焊态较正火态钢板的0°C冲击性能降低60 J，-20°C冲击性能降低20 J，-40°C冲击性能降低10 J，不同热处理状态的冲击性能厚度1/4均优于1/2处。

图1 正火态及经不同模拟焊后热处理试样的冲击性能对比图Fig.1 Impact Properties Comparison Diagram after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

3 分析与讨论

3.1 金相分析

对正火态及和系列模拟焊后热处理后的试板取样进行金相分析，分析结果分别见表4和图2。从金相分析结果可以看出：

图2 正火态及经不同模拟焊后热处理试样的金相组织Fig.2 Metallurgical Structures of Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

表4 正火态及经不同模拟焊后热处理后的试样金相分析Table 4 Metallographic Analysis on Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

（1）钢板晶粒较细小均匀，但带状组织较严重，且厚度1/2处较厚度1/4处的带状组织高0.5级;

（2）钢板随着模拟焊后热处理次数的增加带状组织等级得到改善，厚度1/4处由正火态的3级逐渐降低到2级，厚度1/2处由正火态的3.5级逐渐降低到2.5级;

（3）钢板随着模拟焊后热处理次数的增加晶粒度等级逐渐粗化，厚度1/4处由正火态的8.5级逐渐降低到7.5级,厚度1/2处由正火态的8级逐渐降低到7.5级;

（4）金相组织由铁素体+珠光体组成，钢板厚度1/2处成分偏析较严重。

随着模拟焊后热处理次数的增加，显微组织中珠光体的比例逐渐降低，当热处理次数为3次时，带状组织得到了明显的改善，组织均匀性也大大提升，钢中铁素体的数量逐渐增多，晶粒逐渐长大。 根据 Hall-Petch 公式σ=σ+kd可知，晶粒的粗大会造成材料强度和韧性降低。

钢板经过模拟焊后热处理后，显微组织中的带状组织由原始的粗大且连续的组织，逐渐变窄，再到断开，最终转化为铁素体和珠光体均匀分布的组织，但带状组织的消解不足以抵消晶粒粗化对性能的不良影响，所以冲击性能没有得到改善，甚至恶化；同时，随着热处理次数的增加，珠光体的含量继续减少，相对于铁素体，珠光体是组织中的硬项，其在微观组织中所占比例的减小会降低材料的强度，这恰恰认证了本实验结果的合理性。

3.2 扫描电镜组织分析

图3 为正火态及模拟焊后热处理试样拉伸断口扫描图，韧窝中心的孔洞是由杂质元素偏析引起的，容易成为诱发裂纹开裂的裂纹源，随着拉伸的进行，裂纹源不断扩张聚集形成韧窝裂纹。韧窝的形状取决于应力状态，材料处于单向轴拉伸状态时，形成等轴的韧窝，而韧窝的大小和深浅又取决于材料断裂时微孔形核的数量和材料本身的塑性。

图3 正火态及模拟焊后热处理试样拉伸断口扫描图Fig.3 Tensile SEM Images of Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

从图3中可以明显看到一个又一个的韧窝，韧窝周围的白色脊线称为撕裂棱并且大的韧窝四周分散着很多的小韧窝，故此材料的断裂方式是韧性断裂。由图 3（a）和图 3（b）的对比可以看出，两者的拉伸断口均出现撕裂状韧窝形貌，且试板经过3次模拟焊后热处理，韧窝数量明显减少，这是由于基体上的较硬的黑色点状碳化物少部分溶入了基体，大部分在晶界处析出长大，减少了韧窝的形核数量，所以热处理后拉伸强度逐渐降低。

4 结论

（1）随着模拟焊后次数的增加，钢板厚度1/4处，3次模焊态较正火态抗拉强度降低34 MPa，屈服强度降低28 MPa，钢板厚度1/2处，3次模焊态较正火态抗拉强度降低44 MPa，屈服强度降低28 MPa。其中，第三次模拟焊后热处理后，屈服和抗拉强度指标均低于GB/T-713国标要求。

（2）随着模拟焊后次数的增加，厚度1/4处，3次模焊态较正火态钢板的0°C冲击性能降低80 J，-20 °C 冲击性能降低 90 J，-40 °C 冲击性能降低30 J；厚度1/2处，3次模焊态较正火态钢板的0°C冲击性能降低60 J，-20°C冲击性能降低20 J，-40°C冲击性能降低10 J。

（3）随着模拟焊后热处理次数的增加，钢板带状组织有所缓解，晶粒度等级逐渐粗化，金相组织类型没有变化，均为铁素体+珠光体，钢板厚度1/2处带状组织较为严重，晶粒更加粗大。

（4）钢板力学性能经过三次模拟焊后热处理后，不能满足标准要求，故建议压力容器设备制造时，成型焊接完成后，如需补焊，补焊工序至多允许进行一次。