陳華，鄧永津，林登強(qiáng)，張松

廣船國(guó)際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

因07MnMoVR鋼是一種裂紋敏感指數(shù)低的高強(qiáng)鋼，故調(diào)質(zhì)處理的該鋼板經(jīng)機(jī)械加工后制作而成的管道、罐體綜合力學(xué)性能良好，是國(guó)內(nèi)壓力容器、運(yùn)輸管道的首選鋼種?；羲刹ǖ萚1]研究了不同回火溫度對(duì)07MnMoVR鋼微觀組織的影響。徐帥等[2]分析了07MnMoVR鋼的調(diào)質(zhì)工藝，研究了不同調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)（如淬火加熱溫度、淬火保溫時(shí)間等）對(duì)該鋼種組織和力學(xué)性能的影響。

為了降低母材因機(jī)械加工及焊后內(nèi)部所形成的殘余應(yīng)力，通常采用的方式是去應(yīng)力退火，但去應(yīng)力退火后對(duì)母材的力學(xué)性能將有所影響。為了解去應(yīng)力退火對(duì)該鋼種母材性能的影響，本文通過(guò)分析不同退火工藝對(duì)07MnMoVR鋼組織和力學(xué)性能的影響，探討退火工藝對(duì)鋼板性能的影響規(guī)律，為后續(xù)制造加工工藝制定提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)用鋼

試驗(yàn)鋼板選用厚度為85mm的07MnMoVR調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，交貨狀態(tài)為淬火+回火。鋼板的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，測(cè)試結(jié)果滿足壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的要求。試驗(yàn)用鋼板顯微組織如圖1所示，從圖1可知，顯微組織多為貝氏體。

表1 07MnMoVR鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 07MnMoVR鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖1 試驗(yàn)用鋼板顯微組織（500×）

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼板先進(jìn)行滾圓加工，形成縱向接頭，接頭開設(shè)X形坡口，坡口角度為60°，鈍邊4mm。隨后采用埋弧焊焊接，制作成兩個(gè)φ2250mm、厚度85mm的筒體1、2（見圖2）。

圖2 坡口與筒體尺寸示意

埋弧焊絲采用大西洋CHW-S7R、φ4.0mm焊絲，大西洋CHF102R焊劑，其化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

表3 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能

筒體1完成焊前去應(yīng)力退火后，將筒體1、2進(jìn)行焊接。焊接完成后，筒體1切割成兩個(gè)筒體，記為試樣A、B；筒體2切割成兩個(gè)筒體，記為試樣C、D。隨后將試樣A、C進(jìn)行焊后去應(yīng)力退火，工藝曲線如圖3所示，焊接參數(shù)見表5。

表5 焊接參數(shù)

圖3 去應(yīng)力退火工藝曲線

試樣A、B、C、D的去應(yīng)力退火狀態(tài)見表6。

表6 試樣A、B、C、D的去應(yīng)力退火狀態(tài)

2.3 組織、性能和殘余應(yīng)力表征

焊接和無(wú)損檢測(cè)完成后，檢測(cè)母材的殘余應(yīng)力和力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)在SHT4605試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)在Z2302-1試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。焊接接頭試樣經(jīng)10%硝酸酒精浸蝕、磨制，拋光后用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)為母材金屬的拉伸，4組試樣均按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表7。通過(guò)試樣A、B、C、D與母材之間的對(duì)比，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工及去應(yīng)力退火的母材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所下降。具體情況：經(jīng)過(guò)機(jī)械加工及一次去應(yīng)力退火的試樣B和C屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的平均值分別下降了3%、2%；經(jīng)過(guò)機(jī)械加工及未經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火的試樣D屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降了6%、4%；經(jīng)過(guò)機(jī)械加工及2次去應(yīng)力退火的試樣A屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降了8%、4%，即母材由1次去應(yīng)力退火到2次去應(yīng)力退火，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所降低。伸長(zhǎng)率方面，經(jīng)過(guò)一次或二次去應(yīng)力退火的A、B、C試樣，相比未進(jìn)行去應(yīng)力處理的D試樣，斷后伸長(zhǎng)率有所提升。

表7 退火工藝對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

3.2 沖擊性能試驗(yàn)

按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，4組試樣均在母材表面下2mm處取標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊溫度為－20℃，其結(jié)果見表8。試樣A、B、C、D與母材相比，其中試樣A沖擊吸收能量下降了7%，試樣B和C的平均沖擊韌度下降了7.2%，試樣D沖擊吸收能量下降了9%。由此可知，分別經(jīng)過(guò)機(jī)械加工、一次和二次去應(yīng)力退火的情況下，沖擊吸收能量均有所下降，但幅度不大。

表8 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 硬度試驗(yàn)

4個(gè)試樣均按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定點(diǎn)分布如圖4所示。各試樣及母材硬度值見表9。

表9 各試樣及母材硬度值

圖4 硬度測(cè)定點(diǎn)分布情況

通過(guò)試樣A、B、C、D與母材的對(duì)比，經(jīng)過(guò)2次去應(yīng)力退火的試樣A由原母材的硬度值217.33 HV降到209 HV，經(jīng)過(guò)一次去應(yīng)力退火的試樣B和C平均硬度值降到213.5HV。總體比較，母材經(jīng)過(guò)一次去應(yīng)力退火到兩次去應(yīng)力退火，其整體硬度逐步下降。

3.4 微觀金相

試樣的微觀金相如圖5所示。觀察母材1/4t處的微觀金相組織，未經(jīng)過(guò)熱處理及冷加工的母材和試樣A～D的組織皆為鐵素體和索氏體；與未經(jīng)處理的母材組織比較，機(jī)械加工后試樣D的索氏體分布較為松散；試樣B的索氏體整體分布較為均勻，索氏體占比增加，鐵素體占比減少；試樣A和C的索氏體占比有所增加。

圖5 試樣微觀金相組織（500×）

3.5 母材主應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)試樣A、B、C、D，分別制作φ2250mm、壁厚為85mm、高度為375mm的a、b、c、d四個(gè)試樣。殘余應(yīng)力檢測(cè)使用盲孔法，在被測(cè)點(diǎn)上鉆一小孔，使得被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計(jì)測(cè)得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力。

靠近焊接接頭的母材殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要是機(jī)械加工及焊接過(guò)程所引起，因此以焊縫中心為參考點(diǎn)，在焊縫中心線、焊縫外熱影響區(qū)以及原材料區(qū)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，試樣的測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

表10 主應(yīng)力 （MPa）

通過(guò)試樣a、b和試樣c、d兩兩之間的對(duì)比，經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火后，母材處（3#位置）最大主應(yīng)力由試樣b的115.1MPa降低到試樣a的35.5MPa、試樣d的405.0MPa降低到試樣c的92.8MPa；通過(guò)試樣a、b、c、d之間的對(duì)比，母材處（3#位置）未經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火的d試樣主應(yīng)力最大，經(jīng)過(guò)一次去應(yīng)力退火的試樣b和試樣c次之，經(jīng)過(guò)二次去應(yīng)力退火的a試樣最小。

3.6 分析

鋼板經(jīng)過(guò)滾圓加工后，由于加工過(guò)程產(chǎn)生了不均勻的塑性變形，故導(dǎo)致母材內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。在高溫下隨著溫度升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生了局部塑性變形，從而將內(nèi)部應(yīng)力釋放。

經(jīng)過(guò)一次或二次去應(yīng)力退火，均使母材的拉伸性能和沖擊性能總體上有一定程度的衰減，而伸長(zhǎng)率有所提升。通過(guò)未經(jīng)去應(yīng)力退火的母材與經(jīng)過(guò)一次或二次熱處理的試樣A、B、C、D的對(duì)比分析，未經(jīng)去應(yīng)力退火的母材組織由塊狀鐵素體及在鐵素體邊界的索氏體組成，而試樣A、B、C、D采用焊后去應(yīng)力退火消除焊接應(yīng)力，隨著退火溫度的升高，二次滲碳體在鐵素體晶界中析出，索氏體占比則有所增加。由于晶體內(nèi)位錯(cuò)密度降低，從而導(dǎo)致了去應(yīng)力退火母材強(qiáng)度有所降低。因去應(yīng)力退火過(guò)程中二次滲碳體的不斷析出及長(zhǎng)大，故降低了母材的沖擊性能。硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與微觀組織密切相關(guān)，但由于在硬度試驗(yàn)過(guò)程中所進(jìn)行硬度試驗(yàn)的位置基體組織存在一定的差異，所以僅根據(jù)硬度試驗(yàn)參數(shù)評(píng)價(jià)材料的形變抗力則存在一定的片面性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)07MnMoVR鋼板，采用不同工藝對(duì)試管進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，并分析母材的力學(xué)性能差異和微觀組織之間的區(qū)別，得出下列結(jié)論：

1）經(jīng)過(guò)一次或二次應(yīng)力退火，均可一定程度降低工件的殘余應(yīng)力。由于母材的殘余應(yīng)力主要是機(jī)械加工及焊接溫度場(chǎng)的作用，經(jīng)過(guò)焊后去應(yīng)力退火降低母材主應(yīng)力效果顯著。

2）經(jīng)焊后去應(yīng)力退火后，母材低溫沖擊性能下降了4%～11%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度稍有降低，分別降低了3%～6%和2%～4%。

3）采用焊后去應(yīng)力退火工藝的試樣A、B、C在鐵素體邊界析出二次滲碳體，組織中的索氏體有所增加。

4）結(jié)合殘余應(yīng)力、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性及硬度等方面的性能比較，進(jìn)行一次去應(yīng)力退火后的綜合性能最佳。