0 引言

尽管各国压力容器制造标准或规范上对不同壁厚、不同材质的压力容器提出了一定的焊后热处理要求，但不同制造单位焊后热处理的实施方法差异很大，导致同一牌号钢板模拟焊后热处理工艺要求千差万别。不同的模拟焊后处理工艺对不同规格钢种的力学性能影响不同，目前没有建立相应的对应关系。因此，探讨其中的关系，采取低成本制造技术，对提高和改善钢板性能，具有重大现实意义。

钢板的模拟焊后性能的摸索可以为钢板焊接过程提供可靠的数据，指导焊接工艺的制定，减少焊接对钢板母材基体和焊缝处的影响，以保证产品在使用过程中的性能和寿命。改善钢板模拟焊后的性能，除了优化模拟焊后热处理工艺外，提高热处理钢板的力学性能是前提。通过研究微合金元素Nb、V、Ti对16MnDR的模拟焊后性能的影响^[1-2]，改善热处理钢板的力学性能，应从成分设计、轧制、正火工艺等方面开展研究，尤其是成分设计，任何一种成分都有一个最优的热处理工艺，保证钢板最佳的强韧性匹配。研究模拟焊后热处理（SPWHT），阶段冷却热处理等对含Nb、V、Ti微合金元素钢板的金相组织、析出机理、力学和冲击性能等的影响^[3]。试图找出组织与力学性能、冲击韧性之间的关系，为大型焊接设备的选材和制备以及实际应用提供数据和基础依据。

1 实验材料

分别以厚度50 mm的Al 0.035%+Ti 0.013%(A钢)、Nb 0.018%+Al 0.035 5%+Ti 0.011%(B钢)、Nb 0.017%+V 0.045 5%+Al 0.038 5%+Ti0.010 5(C钢)复合微合金化的(C:0.15%~0.18%, Mn:1.45%~1.60%）正火板为实验对象。

在C-Mn钢的基础上添加铌、钒微合金元素，通过提高再结晶温度，控制Nb、V与钢中C、N形成的化合物在钢中的溶解和析出^[4]，以满足在加热时阻止原始奥氏体晶粒的长大，在轧制过程中抑制再结晶及再结晶晶粒的长大，并且析出第二相粒子，细小的第二相粒子弥散分布在基体中，细化奥氏体晶粒和铁素体晶粒，起到晶粒细化和析出强化作用，来改善钢板的强度和韧性^[5-6]。

以上A、B、C 3种钢板经过热处理炉做正火热处理，结果如表 1所示。热处理工艺：正火温度900℃，在炉时间248 min。在正火后钢板上取样，在实验室进行模拟焊后热处理。

2 试验方法

从正火钢板上取样（尺寸200 mm×400 mm）到实验室电阻炉进行模拟焊后热处理。研究不同模拟焊后热处理条件（保温温度：560、580、600、620℃，保温时间：2、4、6、8、10、12 h。表 2中共计24块试样，实验室检测内容：板厚1/2和1/4拉力试验，板厚1/2和1/4的0、-20、-40℃横向V型冲击试验，板厚1/2和1/4的金相组织分析）对钢板厚度1/4、1/2处的性能影响。对比分析A、B钢和A、C钢在不同模拟焊后热处理工艺下试样的强韧性^[7]。模拟焊后热处理试样在拉伸、冲击试验机上进行，对部分试样研磨、抛光、腐蚀观察金相组织，使用扫描电镜进行高倍组织分析。

3 对模拟焊后钢板性能的影响 3.1 不同模拟焊后条件A、B钢的拉伸性能

从图 1中可见，不同模拟焊后工艺，A钢（不加Nb）与B钢（加Nb，下文类同）板厚1/4处强度对比，A钢比B钢屈服强度均值低于26 MPa，抗拉强度均值低于12 MPa，延伸率低于0.5%。说明钢中添加微量的铌元素（如B钢），可以提高正火钢板在高温、长时间模拟焊后的屈服强度和抗拉强度^[8]。

3.2 不同模拟焊后条件A、B钢的韧性

从图 2可以看出，A钢与B钢相比，板厚1/4处的0、-20、-40℃横向V型冲击均值分别低11、20、35 J，钢中添加微量的铌元素后，低温冲击韧性改善明显，具体见图 2。

从图 3可以看出，A钢与B钢相比，板厚1/2处的0、-20、-40℃横向V型冲击均值分别低6、6、1 J，钢中添加微量的铌元素后，对钢板心部低温冲击韧性改善不明显，具体见图 3。

3.3 Nb、V元素对模拟焊后钢板性能影响 3.3.1 不同模拟焊后条件A、C钢的拉伸性能

从图 4的数据可见，不同模拟焊后工艺下，A钢（不加Nb, V）与C钢（加Nb, V）相比，屈服强度均值低于29 MPa，抗拉强度均值差不多，延伸率低0.5%。钢中添加微量的铌、钒元素^[9]，可增加正火钢板高温、长时间模拟焊后屈服强度的抵抗能力^[10]。其主要原因是模拟焊后过程中，有Nb、V与钢中C、N形成化合物的析出，这种析出物阻碍位错的运动^[11]，增强屈服强度的能力^[12]。

3.3.2 不同模拟焊后条件A、C钢的韧性

从图 5中，可以看出，A钢与C钢相比，板厚1/4处的0、-20、-40℃横向V型冲击值分别低22 J、41 J、50 J，钢中添加微量的铌、钒元素后，低温冲击韧性改善明显^[13]。

从图 6中可以看出，A钢与C钢相比，板厚1/2处的0、-20、-40℃横向V型冲击值分别低21、19、6 J，钢中添加微量的铌、钒元素后，冲击韧性的改善效果随着试验温度的降低逐渐减弱^[14]。

3.4 不同成分模拟焊后态钢板的组织

将A、B和C钢板经过560℃保温2 h模拟焊后热处理，分析试验板的金相组织，具体如图 7。

从图 7可以看出，钢中添加铌或铌+钒后，珠光体尺寸减小，渗碳体片间距减少，将有利于提高强韧性^[15]。

4 结论

通过向C-Mn钢中添加铌或铌+钒微合金元素，对比50 mm不同成分体系下正火钢板的强韧性，得出如下结论：

1）不同模拟焊后工艺下，正火A钢中添加0.016%的铌后，屈服强度均值提高26 MPa，抗拉强度均值提高12 MPa；板厚1/4处-40℃冲击值提高，板厚1/2处冲击值变化不大。

2）不同模拟焊后工艺下，正火A钢中添加0.016%的铌和0.039%的钒后，屈服强度均值提高29 MPa；钢中添加微量的铌、钒元素后，板厚1/4处低温冲击韧性改善明显，板厚1/2处冲击韧性的改善效果随着试验温度的降低逐渐减弱。钢中添加铌、钒微合金元素，模拟焊后态的强度提高，尤其是屈服强度；板厚1/4处的低温冲击韧性改善，如要提高心部冲击韧性，需要复合添加铌、钒微合金元素。