SA-516钢组织及韧性的研究与控制

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摘要实际采购生产过程中，sa-516钢经常出现韧性偏低且满足不了标准要求的问题，通过不同炉号钢板分别从魏氏组织、钢中夹杂及带状组织三个方面入手对此问题进行了研究，检验结果表明钢中夹杂物及带状组织是造成钢板韧性偏低及纵、横向韧性差距较大的主要原因。通过改善成分及轧制工艺，钢中夹杂及带状组织明显减少后，韧性得到了有效地提高。

关键词SA-516 魏氏组织、夹杂、带状组织

The SA-516 steel tissue and the study and control of toughness

Wang yin Shandong nuclear power equipment manufacturing CO.LTD The engineer of the material 265118

1引言

不同炉号钢板研究及现场生产过程中经常会出现钢板韧性偏低的问题，甚至不能满足标准的要求。而造成钢板韧性偏低的原因较多，有魏氏组织的产生、钢中夹杂较多及带状组织的存在等等[1-3]。但哪些是影响钢板韧性偏低的主要原因，有必要针对不同的钢种分别进行研究加以确定，以便能够在以后的采购生产过程中着重加以控制，提高性能合格率。本文从魏氏组织、钢中夹杂物及带状组织三个方面着手进行了研究，确定了影响SA-516钢板韧性偏低的主要原因及改进方法。

2试验材料及方法

2.1试验用钢板

试验用钢板选择用于制造压力容器的SA-516钢，选用真空感应炉冶炼的两张钢板，但冶炼成分不同，具体化学成分见表1。

选用钢板的轧制工艺，1# 采用控轧方案，2#采用 控轧+控冷方案，具体工艺见表2，钢板规格为20mm。

2.2冲击试样的制备及检验结果

冲击试样沿钢板横向切取，按GB/T229标准进行试样的制备，试样规格为10×10×55mm，中间开V型槽口，试验在JB-30B型冲击试验机上进行。

2.3金相组织检验

利用不同条件下获得的冲击试样余样进行金相组织检验，试样的制备按GB/T13298标准执行、显微组织评定按GB/T13299标准执行，并在Leica DMIRM型金相显微镜下观察金相组织。

2.4夹杂物检验

同样利用上述冲击试验样余样进行钢中夹杂物的检验及评定，检验及评级均按GB10561标准执行，并在Leica DMIRM型金相显微镜下观察夹杂物。

3试验结果及分析

首先采用方案一进行生产轧制的钢板做试验，分别选取0℃、-20℃、-40℃及-60℃等系列温度进行冲击试验，具体结果见表3。

从表3检验结果可以看出，SA-516钢除在0℃时的冲击韧性可以满足标准要求之外，在-20℃―-40℃时的纵、横向冲击功均达不到标准的要求，而且随着温度的降低，下降幅度增大，此种情况已远不能满足钢板的实际需要，有必要查明具体影响因素并进一步加以改进。

3.1魏氏组织的影响

对采用方案一生产的SA-516钢板进行金相组织检验，见图1所示。

从图1可见，钢板轧后的组织为P+F，铁素体晶粒度在9级左右，相对较为细小。但从图中还可以清楚地看到有魏氏组织的存在，其大小基本在2.5级左右。一般来讲，魏氏组织的产生主要与钢中含碳量、奥氏体晶粒大小及冷却速度（转变温度）有关[4]，而从1#钢板的轧制过程来看，钢锭的加热温度为1180℃，保温时间仅为2小时，故不会造成奥氏体晶粒的长大。因此对于SA-516钢而言，在碳含量一定的情况下，钢中魏氏组织的产生主要与其冷却速度有关。

对采用方案一生产的钢板进行正火处理，同时控制正火后钢板的冷却速度，具体工艺为：正火880℃，冷却速度控制在10℃/min。然后检验钢板的组织及冲击性能，分别见图2及表4所示。

图2可以看出，铁素体晶粒度基本在9级左右，与正火前基本一致，但不同的是，此时钢中的魏氏组织已经完全消失。因为对于亚共析钢，当奥氏体晶粒较细小时，含碳量在Wc=0.15-0.35%的范围内，冷却速度较快时才能形成魏氏组织[5]。而从本次处理的过程来看，减慢冷却速度的确可以避免魏氏组织的产生。但从表4的检验结果来看，钢板经过正火缓冷处理后，虽然魏氏组织已经消失，但其冲击韧性仍然保持在原来的水平，同样达不到标准的要求。

由此可见，SA-516钢冲击韧性偏低的主要原因并非是由于魏氏组织的产生而造成的，在保证钢板相同的组织、相同的晶粒度情况下，即使魏氏组织消失，同样也不会改善钢板的冲击韧性。

3.2钢中夹杂的影响

对采用方案一生产的SA-516钢进行夹杂物的检验，具体检验结果见图3所示。

从图3可以看出，钢中的夹杂物主要以A类（硫化物）和C类（硅酸盐）夹杂为主，且夹杂级别相对较高，均达到了1.5左右。而从其化学成分来看，钢中的S含量已达到了0.008%左右，这也是造成钢中夹杂含量较高的一个主要原因。钢中较多的链条状、非点状夹杂的存在势必会对钢板的韧性造成一定的影响。

选用利用高清洁废钢按照方案二的成分进行冶炼，同时进行了适当的造渣及精炼处理。其成分见表1所示。从表1中可以看出，重新冶炼的钢中S含量仅为0.004%，比原成分有了较大的降低，同时钢中其它元素如Cr、Mo、Ni等均为残量，也比原成分有了大幅度的下降。而在C含量方面，却由原成分的0.15%提高到0.18%，而钢中C含量的提高则会显著地提高脆性转变温度，降低基体的韧性[6]。

为对比钢中夹杂对韧性的影响，仍采用方案一中的控轧方案进行轧制，并对钢板进行力学性能及金相组织、夹杂检验，具体结果见表5、图4、5。

从图4铁素体晶粒度来看，基本在8.0级左右，与方案一生产的钢板晶粒度相比，级别略有降低。但从钢中夹杂情况来看，夹杂物已明显减少且已球化，仅为D类（球状氧化物）0.5级。而从表5钢板冲击韧性结果来看，-40℃的横向冲击功已达到了100J左右，远高于原来的水平，同时已达到了标准的5倍左右。

从先后两次的生产结果来看，金相组织均为P+F，晶粒度基本相当（后者还略有长大），唯有钢中的夹杂发生了较大的变化，后者的钢液得到了有效地净化，夹杂发生了变性，而最终的结果是韧性得到了明显的提高。由此可见，进一步提高钢质纯净度，减少钢中夹杂、使钢中夹杂球化，对提高钢板的冲击韧性具有较大的作用。

3.3带状组织的影响

进一步净化钢液、减少夹杂会明显提高钢板的冲击韧性，但从表5的检验结果中还可以发现，冲击韧性虽得到了提高，但在纵、横向方面仍存在着一定的差距，各向异性较为明显。从图4中可以清楚地看到有明显的带状组织存在，而带状组织是否就是造成钢板各向异性明显的主要原因呢？

继续利用方案二冶炼的钢坯，按方案二的轧制工艺在进行控轧+控冷试验，之后进行金相组织检验。结果见图6所示。

从图6可以看出，钢板经过控轧+控冷后，钢中的组织虽然仍是P+F，但带状组织已明显减少，甚至消失。主要原因就是由于钢板轧后冷却速度较快，能够有效地抑制先共析铁素体的析出，同时原奥氏体中已基本均匀化C、Mn、S等元素尚来不及偏聚而保留在钢中，故控制了带状组织的形成[7-9]。同时此时的铁素体晶粒也略有细化，基本在9级左右。同样对钢板进行了力学性能检验，结果见表6所示。

从表6和表5力学性能对比来看，在保证钢板拉伸性能基本不变的情况下，经控轧+控冷后的横向冲击韧性得到了有效地提高，冲击功由原来的100J提高到150J左右，虽仍略低于纵向冲击，但各向异性已得到了较大的改善。由此可见，进一步改进轧制工艺，减少钢中带状组织，也可以明显地提高钢板的冲击韧性（横向），减少各向异性，改善钢板的综合性能。

4结论

影响SA-516钢韧性偏低的因素较多，其中钢中夹杂及带状组织的存在是主要的影响因素。

SA-516钢中魏氏组织的存在主要是由于冷却速度造成的，并不是造成钢板韧性偏低的原因。

进一步减少钢中夹杂物含量、改善夹杂形态，可以使SA-516钢的冲击韧性得到明显的改善。

带状组织的存在是影响钢板各向异性的主要原因，通过改进轧制工艺可以有效地减少钢中带状 组织的出现，进而提高了钢板的横向冲击，减轻各向异性。

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