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回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响

2016-11-17 来源:[db:来源] 浏览:

1  前言

  近些年来,我国大型成套工程核心材料如高参数球型贮罐用钢、大线能量焊接用钢大都依赖进口[1],而高性能压力容器用钢板的开发难点在于焊接后的焊接粗晶热影响(CGHAZ)晶粒粗大、性能恶化、易产生焊接冷裂纹等[2]。传统低合金高强度钢的弊端是在强度提高的同时其冲击韧度和焊接性显著下降,焊接裂纹敏感性增加[3],因而在提高强度的同时,改善钢板的韧性也越来越受到重视。特别是经大线能量焊接后,钢板的焊接热影响区的冲击韧性急剧下降[4],很难满足焊接技术要求。目前国内大线能量焊接用钢主要厂家是武钢和宝钢等,而国外主要是日本JFE生产的SPV490Q[5],各生产厂家生产工艺不相同,国内一般采用调质热处理工艺,而日本则采用的是在线淬火+回火工艺。在线淬火+回火的生产工艺更加节约成本,但对加热、轧制、控冷等生产设备提出了更高的要求[6]。因此,本文对一种国产的大线能量焊接用钢进行在线淬火+回火处理,以节约生产成本,提高钢铁产品的市场竞争力。

2  试验材料及试验方案

2.1  试验材料

  试样为某钢厂采用控制轧制和控制冷却工艺(TMCP)生产的大线能量焊接用钢,钢板厚度为20mm,其化学成分见表1,性能设计要求见表2。

回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响
 
2.2  试验方案
  在箱式热处理炉中对TMCP态试样进行不同温度的回火处理,回火保温时间均为60min,空冷。对不同热处理状态下试验钢进行编号,具体见表3。

表3  不同热处理状态下试验钢编号

回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响
  在60吨液压式万能试验机上按GB/T228-2002标准进行拉伸试验,在JB-30B型冲击试验机上按GB/T229-2007在常温下进行夏比冲击试验。取冲击试验后的试样制备显微组织观察试样,在Olympus PME3-323μn金相光学显微镜上观察分析不同热处理状态下试验钢的组织形态,使用Quant400扫描电镜观察冲击断口形貌及夹杂物,并用INCAN能谱分析夹杂物的成分。

3  实验结果分析

3.1  力学性能分析

  对TMCP及TMCP+回火等不同状态下的试验钢进行了常规力学性能测试,分别测试了钢板的ReL、Rm、A及Akv等参数,具体结果见表4。

回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响
  如表4所示,随着回火温度升高,试验钢的屈服强度一直下降,660℃时已降为480MPa,已低于要求的最低值490MPa;回火后试样的抗拉强度急剧下降,而后随着回火温度的升高,抗拉强度呈逐渐减小的趋势,当回火温度为660℃时其值为590MPa,已低于所要求的最低抗拉强度610MPa;材料的冲击韧性在回火后得到大幅改善,随着回火温度的升高,570℃与600℃温度区间内,冲击韧性出现局部下降的现象,而后随着回火温度升高而呈增加的趋势;回火后材料的延伸率大幅度上升,在600℃附近上升较平缓,回火态试样的延伸率均能满足要求。
  综合得到的力学性能数据,只有600℃,630℃下的回火得到的试样符合本次实验的力学性能要求,而在660℃,690℃回火的强度无法满足要求。由于对于石油天然气的运输和贮存用钢来说冲击韧性比强度更重要[7],相比较而言,630℃回火下得到的样品组织力学性能更能满足需求。

3.2  金相组织观察

  利用金相显微镜观察了0#、2#、3#、4#、5#试验钢的组织形态,结果见图1。

回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响

图1  不同热处理工艺下试验钢的金相组织

(a:0#组织  b:2#组织  c:3#组织  d:4#组织  e:5#组织)

Fig.1  The microstructure of the specimens

(a: microstructure of 0#; b: microstructure of 2#; c: microstructure of 3#; d: microstructure of 4#; e: microstructure of 5#)
  试验钢经TMCP工艺轧制后组织主要为铁素体、贝氏体和少量的马氏体,如图a所示。600℃回火时组织主要是回火索氏体和铁素体,部分铁素体晶粒明显较TMCP轧制出来时的要细小,同时发生了碳化物的析出长大,回火索氏体组织产生,但是晶粒较粗大,组织如图b所示。在630℃回火时铁素体组织进一步细化均匀,回火索氏体组织也变的细小,且贝氏体组织减少,碳化物发生溶解,组织如图c。在整个回火实验中,随着温度升高,碳化物的析出并不是一直增多,而是在630℃时析出的碳化物数量出现一个低谷,这个现象的影响因素很多,比如有利于碳含量减少的合金元素Ti等的含量与在630℃时析出的碳化物数量达到最佳比,第二相粒子的产生[8],铁素体和贝氏体转变也能减少析出的碳含量等,该原因有待进一步研究。660℃回火时碳化物再次析出长大,此时回火索氏体组织已经开始恶化,碳化物颗粒比先前的要明显粗大,组织如图d所示。690℃回火时的组织明显粗糙,晶界已经模糊不清,组织为回火索氏体,粗大铁素体和大块的贝氏体组织,同时析出的碳化物颗粒增大明显,金相组织如图e所示。
  在高温回火时,回火索氏体的冲击吸收功最佳[9]。随着回火温度的升高,钢组织中回火索氏体所占的比重越大。在630℃回火以后,尽管出现的回火索氏体数量增多,钢组织的韧性变好,但是回火索氏体组织由于大量碳化物颗粒的析出长大而恶化,使得钢的总体力学性能已不如600℃和630℃回火,这表明本次实验600℃~630℃回火是最佳回火温度。

3.3  冲击断口观察及夹杂分析

  在扫描电镜下观察了600℃回火状态下试验钢的冲击断口形貌,见图2所示,同时观察分析了断口中的夹杂物形态及成分,见图3。

回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响

图2 2#试样冲击断口宏观形

貌(a)和微观形貌(b)

Fig.2 Scanning electron macro-photos(a) and micro-photos(b) taken on the surface of 2# impact specimens
  在低倍观察下可以看到,断口的纤维区和剪切唇所占比重较大,这表明样品具有较好的韧性[10]。利用扫描电镜可观察到试样断口呈韧窝特征,断口下部韧窝组织连锁紧凑,韧窝尺寸大而深且数量多。

  回火温度对大线能量焊接用钢组织和性能的影响

图3   2#试样韧窝中的夹杂物能谱分析

Fig.3 EDS of inclusions in the dimple of 2# impact specimens
  韧窝中的颗粒含有较多的S,Mn,Al以及少量Ti,O,Ca等元素,因此夹杂物一般为Al2O3、MnS和TiO2的两种或多种复合型夹杂物。Al2O3+ TiO2复合夹杂物能对钢中可塑性夹杂物进行有效变质,使MnS附着在Al2O3十TiO2复合氧化物边缘,韧窝中颗粒中含有较多Mn,S证明了这一结论的正确性,形成了稳定的复合夹杂物[11],使夹杂物的形态、大小及分布均得到改善。形成细小、圆形、弥散分布的颗粒。避免粗大、集中分布的夹杂物,使钢的力学性能得到提高;使钢中残留的固溶氧、氮含量进一步减少,使钢的综合性能得到提高。

4  结论

(1) 随着回火温度的升高,试验钢的屈服强度和抗拉强度逐渐降低,抗拉强度和屈服强度在630℃以上时低于技术指标最低值,而延伸率和冲击韧性逐渐升高。
(2) 试验钢在TMCP态的组织为铁素体+贝氏体+少量马氏体;经高温回火后,试样组织基本为铁素体+回火索氏体。
(3) 对TMCP+回火后的试样断口分析表明试样断口呈韧窝特征,夹杂物一般为Al2O3、MnS和TiO2的两种或多种复合型夹杂物。
(4) 综合对比试验钢的技术标准、力学性能和组织特点等,试验钢最佳回火温度范围是600℃~630℃。

参考文献

[1] Chen F.R, Huo L.X, Zhang Y.F. Microstructure and fracture toughness of electron beam welded joints of 30CrMnSiNi2A steel[J]. China Welding, 2002, 11(1): 20~25

[2] 刘年福,刘全源.正火对船板钢低温时效冲击性能的影响[J].热处理技术与装备,2010,12(8):43~50

[3] 章小浒,王正东,涂善东.原油储罐用钢的开发与应用最新进展[J].压力容器,2006,23(3):38~44

[4] 宋凤明,李自刚,钱余海.大线能量焊接用结构钢的研究进展[J].热加工工艺,2006, 35(19):69~74

[5] Li M.Q, Ma C, Liu D.M. Influence of Light Rare Earth on Toughness of welded Seam 0f LAHS Steel[J]. Journal Of Rareearths, 2003, 21(1): 77~82

[6] 庞辉勇.渗碳、渗硼对Cr12Mo1V钢耐磨性的影响[J].热处理技术与装备,2007,23(4):39~46

[7] 齐勇田,楼松年,姚舜等.B480GNQR钢焊接抗裂性[J].造船技术,2000,10(6):27~30

[8] 于兆斌,史巨元.两种容器钢在室温和服役温度下的冷-热疲劳性能的研究[J].热处理技术与装备,2006,2(8):26~28

[9] Chen Y.T, Chen X, Ding Q.F. Microstructure and inclusion characterization in the simulated coarse-grain I-Ieat affected zone with large heat input of a Ti-Zr-microalloyed HSLA steel[J]. Acta(English letters) Metallurgical Sinica., 2005, 18 (2): 96~106

[10] Deshimaru S, Hirai I, Amano K. Production of Heavy gauge steel plates suitable for high heat input welding in the arctic region[J]. Kawasaki Steel Technical Report. 2007(17): 34~40

[11] 刘多智,李延峰.2Crl2NiMoWV钢扇形板的热处理[J].热处理技术与装备,2009,8(2):53~54

 

作者:王贞 刘静

  作者简介:王贞(1987-),女,湖北随州人,武汉科技大学硕士生,主要研究方向:钢材的组织及强韧化机理、高磁感铁基纳米晶。         

 刘静(1964-),女,武汉科技大学教授,博士生导师。

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