正火溫度對A573Gr.70容器鋼帶狀組織和力學性能影響

歐陽鑫 ，胡昕明 ，王儲 ，隋軼 ，孫殿東 ，隋松言

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司產品發展部，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼股份有限公司中厚板廠，遼寧 鞍山 114021）

A573Gr.70鋼是ASTM標準中的一種碳-錳-硅鋼，因其在生產成本低、生產工藝簡單的條件下，仍具有良好強韌性匹配和焊接性能等優點而廣泛應用于石油、石化領域，常用于低端壓力容器的制造。近幾年，在一帶一路政策的帶動下，此類鋼種被廣泛出口中東國家用于大型工程的建設。

A573Gr.70 鋼含有 Cr、Mn、Si等多種合金元素，合金元素的偏析是帶狀組織形成的主要原因。帶狀組織包括一次帶狀組織和二次帶狀組織。一次帶狀組織為原始帶狀，是由連鑄坯微觀組織形核時產生的一次枝晶偏析造成的；二次帶狀組織是在一次帶狀組織的基礎上，在軋制或熱處理后沿鋼材軋制方向產生的先共析鐵素體帶和珠光體帶相互堆疊形成的組織[1-3]。二次帶狀組織可以通過優化鋼板的熱處理工藝減輕或者消除，而一次帶狀組織則很難通過常規手段消除[4-5]，可以通過采用電渣重熔、提高鋼質純凈度、電磁攪拌、提高煉鋼過熱度和輕壓下等技術加以改善和消除[6]。嚴重的帶狀組織會影響鋼的組織均勻性，進而使鋼材的力學性能大大降低。

A573Gr.70鋼軋制熱處理后鋼板心部出現的成分偏析帶為二次帶狀組織，其破壞微觀組織均勻性，進而降低鋼板的各項力學性能。正火熱處理能夠使合金元素充分固溶到晶粒內部，而不是富集在晶界處，大大緩解成分偏析的形成，提高鋼板的強韌性匹配。通過不同溫度系列正火熱處理實驗，研究了A573Gr.70鋼的正火工藝對帶狀組織以及鋼的力學性能的影響。

1 試驗材料與試驗方法

A573Gr.70鋼制備工藝流程為：冶煉—連鑄—加熱—軋制。其化學成分見表1，用軋態鋼板作為試驗材料，將其切割成18 mm×200 mm×400 mm的 4 塊， 分別標記 0#、1#、2#、3#。 采用的熱處理制度見表2。

試驗鋼板經熱處理后，利用DSX100光學顯微鏡對微觀組織進行金相檢驗。利用圖譜對帶狀組織進行等級評定；利用COXEM掃描電鏡對帶狀組織的形貌進行觀察并對組織偏析帶的成分進行測定；同時檢驗了鋼板的拉伸和沖擊性能，對不同狀態的力學性能進行了對比。

表1 A573Gr.70化學成分（質量分數） %

表2 熱處理工藝制度

2 試驗結果及分析

2.1 正火熱處理溫度對帶狀組織的影響

軋態和不同正火熱處理溫度條件下試樣的帶狀組織形貌如圖1所示，軋態具有粗大且連續的帶狀組織，貫穿整個視野區，0#～3#試樣的帶狀組織評級結果依次為5、3.5、2.5、1.5級。在熱處理溫度較低的情況下，合金元素不能完全固溶在晶界內部，而是極易與碳結合，在晶界析出，形成碳化物。碳化物不斷聚集長大，進而產生合金元素偏析，隨著溫度的升高，中心偏析得到了相應的改善。

掃描電鏡對熱處理后的帶狀組織形貌和組成結構觀察如圖2所示。可見，隨著正火熱處理溫度的升高，帶狀組織逐漸消除，由原始的粗大且連續的組織，轉化為F和P均勻分布的組織。這是由于隨著溫度的升高，兩相區中先共析鐵素體得以充分析出并發展為鐵素體條帶，C元素充分均勻的固溶在鐵素體中，緩解了C元素偏聚或富集的情況，減少了珠光體的形成。在正火熱處理條件下，奧氏體的穩定性取決于晶粒中合金元素的含量，當合金元素在晶界處偏聚時，一部分奧氏體活躍度升高，首先析出碳元素，形成鐵素體，進而形成貧碳區和富碳區，導致鐵素體和珠光體出現交替形成的情況，加劇帶狀組織的產生[7-11]。

此外，帶狀組織的形成與成分偏析密切相關。軋制時Si、Mn等合金元素均在晶界處偏聚，富合金元素區域和貧元素區域均沿軋制方向被拉長變形，形成對應的元素富集帶與貧化帶。元素含量影響該區域的相變過程，Mn貧化區的奧氏體較快地析出先共析鐵素體，導致多余的碳排到兩側的Mn富化帶，促使富化區發生珠光體相變，形成對應的鐵素體和珠光體帶狀組織。鋼板表層區域成分偏析小，金相照片顯示無帶狀組織，鋼板心部區域由于凝固速率較慢，合金元素被擠壓至此，造成成分偏析較大，具有形成帶狀組織的前提條件，所以金相照片顯示心部帶狀組織較為嚴重。在正火熱處理的條件下，隨著正火溫度的升高，試樣中的元素經歷了更長的擴散時間，具有更快的擴散速度，影響原子尺寸小、擴散激活能較低的C元素，從而改善帶狀組織。此外，在不同的熱處理溫度下，試樣發生回復、再結晶等現象的情況不同。溫度較高時，奧氏體晶粒內的變形組織促進鐵素體形核，鐵素體形核位置大幅增加，能夠向各個方向生長，不易連接形成帶狀。

圖2 不同正火熱處理溫度下帶狀組織掃描電鏡形貌

2.2 正火熱處理溫度對力學性能的影響

表3為不同正火熱處理后鋼板的力學性能檢驗結果。如表所示，隨著溫度的升高，帶狀組織和中心的成分偏析均得到改善，鋼板的強度和沖擊性能也隨著提高，3個沖擊單值浮動較小，沒有出現離散的現象，性能均勻且穩定。

表3 A573Gr.70鋼板系列正火熱處理的力學性能

圖3、圖4分別為偏析帶的掃描電鏡形貌和圖譜，圖中中心偏析帶有長條狀的MnS夾雜和以Cr、Nb元素為主的碳化物的分布。正火熱處理時，晶粒重新奧氏體化，在冷卻的過程中，由于空冷的溫降速度較慢，Nb、Cr等合金元素有充足的時間與C結合在晶間析出形成碳化物，并逐漸的聚集長大，阻礙了C和其他合金元素的均勻擴散。另外，Mn元素會與鋼中的S元素形成MnS夾雜，在緩冷過程中，MnS夾雜會幫助先共析鐵素體在沿軋制方向析出，使晶界處出現貧C區和富C區，促進帶狀組織的形成，而掃描電鏡照片中的夾雜和碳化物的出現認證了上述觀點。

圖3 偏析帶掃描電鏡形貌

由于帶狀組織與相鄰組織不同，不同組織之間存在較大力學性能差異，隨著帶狀組織程度加重，組織中應力集中情況加劇，材料力學性能呈現明顯各向異性，大大影響鋼板的各向力學性能。正如表3數據所示，隨帶狀組織級別的增加，試樣的抗拉強度、屈服強度及沖擊性能都有所降低。經正火溫度升高后，微觀組織晶粒細小，基本為等軸晶，晶粒度由7級細化為8.5級；鐵素體晶粒逐漸趨于細小，帶狀組織明顯減輕；隨著溫度升高，合金元素充分固溶在晶粒內部，而不是在晶間析出，中心偏析得到消除，帶狀組織由軋態時的5級細化為1.5級，提高了組織均勻性，避免了性能的各項異性，鋼板強度和韌性得到提高。

圖4 偏析帶圖譜

3 結論

（1）通過系列正火熱處理實驗得出最佳的熱處理工藝制度為940°C正火熱處理，靜保溫時間為1 min/mm；

（2）隨著正火溫度的升高，顯微組織的成分偏析逐漸得到改善，晶粒度由7級細化為8.5級，帶狀組織等級由3.5級降到1.5級，逐漸消失；

（3）隨著正火溫度的升高，鋼板的力學性能不斷提高，由880°C到 940°C，抗拉強度提高40 MPa,沖擊韌性提高20 J。