模擬焊后熱處理次數對Q345R鋼板力學性能的影響

張健 ，歐陽鑫 ，胡昕明 ，王儲 ，孫殿東 ，王爽 ，李廣龍

（1.鞍山鋼鐵集團系統創新部，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

為了改善焊接熱影響區和焊縫區域的力學性能，消除焊接殘余應力，避免在成型時出現開裂等有害影響，壓力容器在焊接過程完成后，一般都需要進行焊后熱處理。焊接區域經過不同次數焊后熱處理，其組織性能將有所不同，具體的影響規律，此前未有相關文獻記載。通過利用Q345R鋼板進行多次模擬焊后熱處理（英文簡稱PWHT）后，檢驗其力學性能，探究多次熱處理后鋼板力學性能能否滿足 《GB/T-713鍋爐和壓力容器用鋼板》要求，并分析熱處理對力學性能產生影響的原因，為壓力容器的制造、焊接工藝的設計開發，如成型焊接工藝的最多實施次數等提供參考依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料采用鞍鋼TMCP+正火工藝生產的厚度（T）為60 mm的Q345R鋼板，其化學成分見表1。

表1 Q345R鋼板的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Q345R Steel Plates（Mass Fraction） %

1.2 實驗方法

在正火態鋼板寬度1/4處并行連續取四塊試板，其中一塊不進行模擬焊后熱處理，其余三塊分別進行1次、2次、3次相同工藝的模擬焊后熱處理，具體熱處理工藝如表2所示。熱處理后利用拉伸試驗機和沖擊試驗機對試板進行力學性能檢驗，利用金相顯微鏡、掃描電鏡對鋼板的微觀組織進行觀察。

表2 模擬焊后熱處理工藝Table 2 Simulation of PWHT Process

2 實驗結果

2.1 不同模擬焊后次數對鋼板拉伸性能的影響

鋼板正火態及經不同次數模擬焊后熱處理后的拉伸性能對比見表3。由表3看出，隨著模擬焊后次數增加，鋼板厚度1/4處，3次模焊態較正火態抗拉強度降低34 MPa，屈服強度降低28 MPa；鋼板厚度1/2處，3次模焊態較正火態抗拉強度降低44 MPa，屈服強度降低28 MPa,斷后延伸率沒有明顯的變化趨勢。第三次模擬焊后熱處理后，厚度1/2處屈服和抗拉強度指標均低于GB/T-713國標要求。

表3 鋼板正火態及經不同次數模擬焊后熱處理后的拉伸性能對比Table 3 Tensile Properties after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

2.2 不同模擬焊后次數對鋼板沖擊性能的影響

正火態及經不同模擬焊后熱處理試樣的沖擊性能對比圖見圖1。由圖1可以看出，厚度1/4處，3次模焊態較正火態鋼板的0°C沖擊性能降低80 J，-20 °C 沖擊性能降低 90 J，-40 °C 沖擊性能降低30 J；厚度1/2處，3次模焊態較正火態鋼板的0°C沖擊性能降低60 J，-20°C沖擊性能降低20 J，-40°C沖擊性能降低10 J，不同熱處理狀態的沖擊性能厚度1/4均優于1/2處。

圖1 正火態及經不同模擬焊后熱處理試樣的沖擊性能對比圖Fig.1 Impact Properties Comparison Diagram after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

3 分析與討論

3.1 金相分析

對正火態及和系列模擬焊后熱處理后的試板取樣進行金相分析，分析結果分別見表4和圖2。從金相分析結果可以看出：

圖2 正火態及經不同模擬焊后熱處理試樣的金相組織Fig.2 Metallurgical Structures of Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

表4 正火態及經不同模擬焊后熱處理后的試樣金相分析Table 4 Metallographic Analysis on Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

（1）鋼板晶粒較細小均勻，但帶狀組織較嚴重，且厚度1/2處較厚度1/4處的帶狀組織高0.5級;

（2）鋼板隨著模擬焊后熱處理次數的增加帶狀組織等級得到改善，厚度1/4處由正火態的3級逐漸降低到2級，厚度1/2處由正火態的3.5級逐漸降低到2.5級;

（3）鋼板隨著模擬焊后熱處理次數的增加晶粒度等級逐漸粗化，厚度1/4處由正火態的8.5級逐漸降低到7.5級,厚度1/2處由正火態的8級逐漸降低到7.5級;

（4）金相組織由鐵素體+珠光體組成，鋼板厚度1/2處成分偏析較嚴重。

隨著模擬焊后熱處理次數的增加，顯微組織中珠光體的比例逐漸降低，當熱處理次數為3次時，帶狀組織得到了明顯的改善，組織均勻性也大大提升，鋼中鐵素體的數量逐漸增多，晶粒逐漸長大。 根據 Hall-Petch 公式σ=σ+kd可知，晶粒的粗大會造成材料強度和韌性降低。

鋼板經過模擬焊后熱處理后，顯微組織中的帶狀組織由原始的粗大且連續的組織，逐漸變窄，再到斷開，最終轉化為鐵素體和珠光體均勻分布的組織，但帶狀組織的消解不足以抵消晶粒粗化對性能的不良影響，所以沖擊性能沒有得到改善，甚至惡化；同時，隨著熱處理次數的增加，珠光體的含量繼續減少，相對于鐵素體，珠光體是組織中的硬項，其在微觀組織中所占比例的減小會降低材料的強度，這恰恰認證了本實驗結果的合理性。

3.2 掃描電鏡組織分析

圖3 為正火態及模擬焊后熱處理試樣拉伸斷口掃描圖，韌窩中心的孔洞是由雜質元素偏析引起的，容易成為誘發裂紋開裂的裂紋源，隨著拉伸的進行，裂紋源不斷擴張聚集形成韌窩裂紋。韌窩的形狀取決于應力狀態，材料處于單向軸拉伸狀態時，形成等軸的韌窩，而韌窩的大小和深淺又取決于材料斷裂時微孔形核的數量和材料本身的塑性。

圖3 正火態及模擬焊后熱處理試樣拉伸斷口掃描圖Fig.3 Tensile SEM Images of Samples after Normalizing and Simulating PWHT with Different Times

從圖3中可以明顯看到一個又一個的韌窩，韌窩周圍的白色脊線稱為撕裂棱并且大的韌窩四周分散著很多的小韌窩，故此材料的斷裂方式是韌性斷裂。由圖 3（a）和圖 3（b）的對比可以看出，兩者的拉伸斷口均出現撕裂狀韌窩形貌，且試板經過3次模擬焊后熱處理，韌窩數量明顯減少，這是由于基體上的較硬的黑色點狀碳化物少部分溶入了基體，大部分在晶界處析出長大，減少了韌窩的形核數量，所以熱處理后拉伸強度逐漸降低。

4 結論

（1）隨著模擬焊后次數的增加，鋼板厚度1/4處，3次模焊態較正火態抗拉強度降低34 MPa，屈服強度降低28 MPa，鋼板厚度1/2處，3次模焊態較正火態抗拉強度降低44 MPa，屈服強度降低28 MPa。其中，第三次模擬焊后熱處理后，屈服和抗拉強度指標均低于GB/T-713國標要求。

（2）隨著模擬焊后次數的增加，厚度1/4處，3次模焊態較正火態鋼板的0°C沖擊性能降低80 J，-20 °C 沖擊性能降低 90 J，-40 °C 沖擊性能降低30 J；厚度1/2處，3次模焊態較正火態鋼板的0°C沖擊性能降低60 J，-20°C沖擊性能降低20 J，-40°C沖擊性能降低10 J。

（3）隨著模擬焊后熱處理次數的增加，鋼板帶狀組織有所緩解，晶粒度等級逐漸粗化，金相組織類型沒有變化，均為鐵素體+珠光體，鋼板厚度1/2處帶狀組織較為嚴重，晶粒更加粗大。

（4）鋼板力學性能經過三次模擬焊后熱處理后，不能滿足標準要求，故建議壓力容器設備制造時，成型焊接完成后，如需補焊，補焊工序至多允許進行一次。