叢 軼，曲 萍，苑 怡，梁玉國，張 驥，葛樹濤

(大連中集重化裝備有限公司，遼寧大連 116600)

0 引言

厚度50 mm的09MnNiDR鋼錐體在920℃加熱成形后空冷，試件經(jīng)660℃回火后，力學(xué)性能試驗結(jié)果不合格，3個試樣－70℃低溫沖擊吸收能量值分別為 6，22，50 J，與 GB 3531—2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單［1］規(guī)定值相差懸殊，且嚴(yán)重不均，審查熱成形和熱處理記錄，均與工藝相符?；瘜W(xué)成分分析表明，鋼板的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［1］，金相組織檢查結(jié)果表明，熱成形+回火后并未發(fā)生晶粒長大，但存在明顯的組織偏析。制造過程的熱成形和熱處理不會造成組織偏析，只有鋼坯的成分偏析才會造成軋制鋼板的組織偏析。一般熱處理無法改變材料成分和組織偏析的情況，只能通過鍛軋等增大變形率或高溫擴散退火使之均勻［2－4］，但適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢愿淖儾牧系慕M織結(jié)構(gòu)，并使晶粒得到細(xì)化，從而改善或提高材料的整體性能［5－8］。查明錐體低溫沖擊性能不合格的原因后，采取適當(dāng)?shù)母纳菩阅軣崽幚砉に?，改變了材料的組織結(jié)構(gòu)，并使晶粒得到細(xì)化，大幅提高了低溫沖擊吸收能量值，雖仍然不均(221，266，294 J)，但均高于GB 3531—2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單的規(guī)定值。

1 錐體熱成形前后力學(xué)性能的變化

1.1 錐體熱成形后母材試件的力學(xué)性能

φ2600/2200 mm×765 mm錐體，板厚 50 mm，在920℃加熱成形，母材和拼接焊縫試件與產(chǎn)品同爐加熱，相同條件冷卻(空冷)。試件660℃回火后，對母材試板制取性能試樣，取樣位置按GB 3531—2008規(guī)定要求，其力學(xué)性能見表1，沖擊韌性不合格，焊接試件力學(xué)性能暫不檢測。

表1 09MnNiDR鋼錐體熱成形后母材試件力學(xué)性能

1.2 板材供貨狀態(tài)的力學(xué)性能

由于未要求原材料進廠復(fù)驗，且錐體余料已處理，所用板材進廠后的實際性能已無法判斷。按批檢查的板材質(zhì)量證明書的力學(xué)性能符合GB 3531—2008標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單規(guī)定值，如表2所示。

表2 供貨狀態(tài)09MnNiDR鋼板的力學(xué)性能

2 錐體的母材試件化學(xué)成分分析和金相組織檢查

在核查錐體制造過程記錄均符合制造工藝之后，為查清原材料化學(xué)成分和金相組織是否存在問題，在錐體母材試件上取樣進行化學(xué)成分分析和金相組織檢查，用以判斷造成沖擊值不合格的原因。

2.1 錐體試板化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果見表3，與材料質(zhì)量證明書提供的數(shù)值相近，均符合GB 3531—2008標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單的規(guī)定值。

表3 09MnNiDR鋼板的化學(xué)成分分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值對比 %

2.2 錐體試件的金相組織

對母材試件沖擊試驗不合格的3個試樣分別制取金相試樣，觀察結(jié)果表明，三者均為鐵素體+珠光體組織，都明顯存在不同程度的組織偏析，熱成形后并未發(fā)生晶粒粗化，見圖1。

圖1 錐體熱成形(空冷)后3個沖擊試樣的金相組織

3 改善錐體材料韌性的熱處理

板材的組織偏析不能用一般正火消除，高溫擴散退火雖可改善組織偏析，但由于周期長，耗能多，且氧化脫碳嚴(yán)重，晶粒顯著粗化，也不能用于板材。要改善錐體所用材料的韌性，只能通過進一步細(xì)化晶粒、改變組織結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。由于貝氏體組織比鐵素體+珠光體組織具有更高的韌性，通過正火后加速冷卻，就可以獲得極細(xì)的貝氏體組織，借以改善錐體材料的韌性，確保產(chǎn)品的力學(xué)性能合格。

3.1 正火(水冷)+高溫回火后母材試件的金相組織和力學(xué)性能

圖2 改善性能熱處理后3個沖擊試樣的金相組織

錐體母材試件在910±15℃加熱，保溫60 min后浸水冷卻，隨后在660±15℃回火，獲得的3個沖擊試樣的金相組織見圖2。正火后加速冷卻+回火熱處理后的材料沖擊吸收能量值大幅提高，但3個試樣最大差值達(dá)73 J(見表4)，對金相組織觀察表明，組織偏析并未改變，只不過原鐵素體+珠光體組織變?yōu)樨愂象w組織，晶粒明顯細(xì)化， 且在原鐵素體晶粒內(nèi)形成大量細(xì)小粒狀貝氏體。

表4 正火(水冷)+回火后錐體母材試件的力學(xué)性能

3.2 正火(水冷)+回火后焊接試件的力學(xué)性能

母材試件的力學(xué)性能合格后，對同爐熱處理的焊接試件進行了力學(xué)性能試驗，其結(jié)果如表5所示。

表5 正火(水冷)+回火后錐體焊接試件的力學(xué)性能

4 分析和討論

對比錐體母材試件熱成形和正火(空冷或水冷)+回火熱處理后力學(xué)性能試驗和金相組織檢查結(jié)果，以及焊接試件正火(水冷)+回火后的力學(xué)性能試驗結(jié)果可以看出，熱成形加熱并未發(fā)生晶粒粗化，板材的組織偏析才是造成熱成形后沖擊吸收能量不合格且嚴(yán)重不均的根本原因。由于焊縫金屬未出現(xiàn)組織偏析，3個沖擊試樣的沖擊吸收能量值比較接近，最大差值為21 J，而熱影響區(qū)最大差值達(dá)100 J(見表5)，與母材試件的最大差值73 J(見表4)相近，供貨狀態(tài)的3個試樣沖擊吸收能量最大差值也有64 J(見表2)。金相組織和力學(xué)性能試驗的結(jié)果印證了供貨板材存在明顯組織偏析。文獻［4］通過高溫擴散退火使出現(xiàn)偏析的鑄鋼組織均勻化，然后通過淬火使組織細(xì)化，由于板材無加工裕量，高溫擴散退火不僅周期長，能耗高，且會造成氧化脫碳，不能采用此工藝解決組織偏析問題，也不能通過文獻［2］中所用的鐓拔鍛造來解決，僅可以采用文獻［5－7］中提及的改變組織結(jié)構(gòu)和進一步細(xì)化晶粒的正火后水冷+回火方法提高沖擊吸收能量，獲得合格產(chǎn)品，但一般正火不能改變組織偏析。920℃正火后水冷+660℃回火，得到了回火貝氏體組織，在原先的鐵素體內(nèi)和晶界處也形成大量細(xì)小粒狀貝氏體，所形成的貝氏體組織具有較高的低溫沖擊吸收能量。

在文獻［9］中同樣遇到了09MnNiDR鋼板熱成形后沖擊韌性不合格的問題，并進行了950，980，1020，1050℃的模擬熱成形試驗，除950℃下成形外，其余3個溫度成形后試件的沖擊吸收能量均不合格，重新正火+回火后僅950，980℃成形后試件合格，從而得出了成形溫度高、晶粒粗大是造成低溫韌性不合格的原因，但文獻［9］中未提供金相組織照片。文中錐體的成形加熱工藝為930±15℃，實際自動記錄曲線的保溫溫度為923℃，用文獻［9］的結(jié)論無法解釋本文中的錐體熱成形后沖擊吸收能量不合格的原因。文獻［9］中所提供的大量數(shù)據(jù)也不支持其所得的結(jié)論(見表 6［9］)。

無論過熱組織、偏析組織，抑或兼有二者的組織，其力學(xué)性能都可通過其后適當(dāng)規(guī)范的熱處理改善或提高，文獻［5－7］據(jù)此已成功解決了壓力容器及核工程部件因過熱、偏析等造成的沖擊性能不合格問題。文獻［9］在1050℃模擬成形加熱后，又進行了正火+回火，6個試樣的沖擊吸收能量分別為 147，20，208，20，90，230 J，最大值和最小值相差210 J，這是用成形溫度高和晶粒長大無法解釋的，可以說明組織偏析是其原因之一。文獻［4］指出，鐵素體沖擊吸收能量很低，如果板材為不均勻的鐵素體+珠光體組織，當(dāng)沖擊試樣缺口位于鐵素體處時，沖擊吸收能量值就很低;位于珠光體處時，沖擊吸收能量值就較高。鋼廠在生產(chǎn)線上對較厚的鋼板正火一般采用噴霧或噴水冷卻，獲得的應(yīng)是貝氏體組織或板條馬氏體組織，而不是鐵素體+珠光體組織，因此，即使有組織偏析，沖擊吸收能量值也會很高，所以板材質(zhì)量證明書中的沖擊吸收能量值都很高，熱成形后空冷，得到的是鐵素體+珠光體組織，如果組織偏析，不僅沖擊吸收能量值很低，且不均。隨后的正火水冷，又重新得到貝氏體或板條馬氏體組織，且在原鐵素體晶粒內(nèi)形成大量細(xì)小貝氏體，從而大幅提高沖擊吸收能量值，盡管由于組織偏析無法改變，各試樣沖擊吸收能量值仍有較大偏差。

表6 09MnNiDR板材供貨狀態(tài)、模擬不同溫度熱成形及正火+回火+消除應(yīng)力后試板的力學(xué)性能

此外，熱成形或正火后空冷，還會經(jīng)過880℃的Ni－P共晶區(qū)、645℃的Ni－S共晶區(qū)和回火脆化區(qū)，緩慢通過這些溫度區(qū)，對含Ni厚鋼板的低溫沖擊韌性也會有不同程度的影響［10－12］。

5 結(jié)論

通過對錐體試板化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗和金相檢查，得出如下結(jié)論:

(1)錐體母材試件存在明顯組織偏析，熱成形后空冷得到不均勻的鐵素體+珠光體組織，造成試件的沖擊試驗結(jié)果不合格，且各試樣的沖擊吸收能量值相差懸殊。

(2)試件經(jīng)正火后水冷+回火處理后，改變了材料的組織種類，提高了其沖擊吸收能量值，達(dá)到了產(chǎn)品技術(shù)要求。09MnNiDR鋼錐體經(jīng)正火后水冷 +回火處理可恢復(fù)性能，滿足GB 3531—2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單的要求。

［1］ GB 3531—2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單［Z］.

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