正火温度对SA-516Gr.70 钢板性能和组织的影响

魏勇，刘祥锋，马俊男

（1. 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；2. 鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

SA-516 Gr.70 是ASME 规范中的中、低温压力容器用碳钢，因其良好的力学性能，广泛应用于化工、锅炉、核电等领域。 ASME 标准中规定厚度≤40 mm 的SA-516 Gr.70 钢板通常采用轧制状态供货，也可按正火态交货，而厚度＞40 mm 的钢板则必须采用正火态交货。 正火热处理可以细化晶粒，均匀化组织，从而改善钢板的强韧性，使钢板具有更加稳定的使用性能。 但正火温度过高，会导致晶粒粗大，性能恶化，而正火温度过低，则无法取得需要的热处理效果[1]。 因此，正火工艺的制定对保证钢板性能稳定至关重要。 通过研究不同正火温度对SA-516 Gr.70 钢板性能和组织的影响规律，为该钢种在工业化生产中合理正火工艺的制定提供理论依据和参考。

1 试验材料和方法

试验材料采用开轧温度为1 150 ℃、 终轧温度为876 ℃鞍钢生产的50 mm 厚SA-516 Gr.70钢板，其化学成分如表1 所示。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Test Steels （Mass Fraction）%

从轧态钢板取样进行不同温度正火热处理，正火温度分别为880、900、920 和940 ℃，保温时间均为30 min。 正火热处理后，在钢板厚度1/4 处取横向试样，并按GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》和GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》加工成标准拉伸试样和冲击试样，分别在ZWICK-600 万能试验机和JBC-2602 全自动冲击试验机上进行拉伸和冲击试验。 用DSX100 光学显微镜观察分析试样显微组织。用FEI TECNAI J2 20 透射电镜观察试样的精细组织结构。

2 试验结果与分析

2.1 正火温度对SA-516Gr.70 钢板力学性能影响

轧态及不同正火温度下的钢板力学性能检验结果见表2。

表2 SA-516Gr.70 钢板力学性能Table 2 Mechanical Properties of SA-516Gr.70 Steel Plates

由表2 可知，在保温时间为30 min 的条件下，随着正火温度从880 ℃升高到940 ℃，钢板的强度逐渐下降，断后伸长率较轧态有了较大提升。钢板冲击韧性在正火后得到较大改善，并随着正火温度的升高，-20 ℃冲击吸收能量先增大后减小，在正火温度为920 ℃时达到最佳。

钢板经正火热处理，晶粒重新奥氏体化，晶粒内部形变位错密度逐渐降低，组织应力减小，热处理后空冷过程中，奥氏体晶粒发生铁素体-珠光体转变，细小的Nb、V 的碳氮化物沿晶界或晶内析出。正火可以促进晶粒细化和均匀化，但由于晶粒细化和碳氮化物析出产生的强化作用不能完全弥补损失的位错强化，因而造成钢板强度下降。由于晶粒均匀化作用，钢板的塑韧性得到改善，低温冲击韧性和断后伸长率增大。 但正火温度提高到940 ℃时，晶粒发生不同程度长大粗化，晶粒细化带来的韧性改善作用减弱，钢板强韧性降低，并出现冲击离散现象[2-3]。

2.2 正火温度对SA-516Gr.70 钢板组织影响

（1）对轧态及不同正火温度下钢板厚度1/4 处金相组织观察，试验钢不同状态下显微组织见图1。钢板轧态和正火态的组织均为铁素体和珠光体。 其中轧态钢板的晶粒大小不均匀，平均晶粒度为7 级，并具有明显的条带状特征。带状组织的形成与成分偏析密切相关，钢液凝固时形成化学成分不均匀分布的枝晶组织，在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带和富化带，彼此交替堆叠。 在缓冷条件下，先在碳和合金元素的贫化带析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成铁素体带；而碳及合金元素的富化带在其后形成珠光体带，最终形成以铁素体和珠光体交替排列的带状组织[4-5]。带状组织的存在使钢的组织不均匀，性能不稳定。

图1 试验钢不同状态下的显微组织Fig. 1 Microstructures in Test Steels in Different States

（2）轧态及不同正火温度下TEM 检测结果见图2。 经880 ℃正火热处理，钢板轧态组织重新奥氏体化后，铁素体开始向等轴晶转变，珠光体和铁素体条带逐渐扩展，但边界依然清晰，晶粒内部形变位错密度较轧态有所降低。当正火温度为900 ℃时，合金成分进一步扩散均匀，大部分晶粒完成结晶，晶粒大小均匀性得到改善，而且带状组织逐渐消除。 当正火温度为920 ℃时，珠光体和铁素体条带形态已基本消失，组织充分均匀化，平均晶粒度达到9 级，晶粒内部形变位错大量消失。 当正火温度为940 ℃时，带状组织消失，晶粒内部形变位错处于较低水平，晶粒开始出现不同程度粗化，平均晶粒度变为8 级，尽管强韧性依然较好，但强度进一步降低，同时冲击吸收能量较920 ℃正火时有所降低，并呈现离散特征[6-7]。

图2 试验钢不同状态下的TEM 图像Fig. 2 TEM Images of Test Steels in Different States

3 结论

（1）正火热处理可以有效改善SA-516Gr.70钢板的综合力学性能，并对晶粒细化，组织均匀化，以及消除带状组织起到明显的作用。

（2）保温时间为30 min 时，随正火温度从880 ℃升高到940 ℃，钢板强度不断下降，断后伸长率得到提升，冲击韧性有较大改善，-20 ℃冲击吸收能量先增大后减小；正火温度达到940 ℃时，晶粒开始出现不同程度粗化，从而损坏了钢板冲击韧性和均匀性。

（3）钢板最佳正火工艺为正火温度920 ℃，保温时间30 min。