再熱裂紋敏感性實(shí)驗(yàn)研究方法

劉俊松

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，安徽合肥230009）

壓力容器制造中，為了消除焊接殘余應(yīng)力，降低焊接接頭的硬度和改善其力學(xué)性能，需進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理。但是，對(duì)于含Cr、Mo、V等元素的低合金高強(qiáng)鋼，焊后去應(yīng)力熱處理往往會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。這類裂紋有可能躲過(guò)無(wú)損檢測(cè)，在水壓試驗(yàn)或服役中造成災(zāi)難性的失效。因此，對(duì)這類裂紋的研究具有重要意義，國(guó)內(nèi)外科研工作者做了大量的研究工作，本文介紹幾種曾經(jīng)使用過(guò)的幾種實(shí)驗(yàn)研究方法，以供相關(guān)研究時(shí)參考與改進(jìn)。

1 高溫恒應(yīng)變松弛試驗(yàn)

早在上世紀(jì)七八十年代，哈爾濱焊接研究所和上海汽輪機(jī)廠，曾采用高溫恒應(yīng)變松弛法研究了Cr-Ni-Mo-V系低合金鋼再熱裂紋問(wèn)題[1～2]。他們采用如圖1所示的由機(jī)械式線材拉力機(jī)改裝而成的應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)，對(duì)一組Cr-Ni-Mo-V系鋼的消除應(yīng)力裂紋傾向進(jìn)行了測(cè)定。

圖1 應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)時(shí)，為了盡可能接近實(shí)際構(gòu)件的條件，選用了實(shí)際焊接接頭。試樣制備時(shí)，先按圖2加工試樣板坯，然后以相同的焊接規(guī)范在坡口內(nèi)熔敷一道焊縫，再按圖3加工試樣。

圖2 應(yīng)力松弛試驗(yàn)試樣板坯

圖3 應(yīng)力松弛試驗(yàn)試樣

將試樣放置于加熱爐內(nèi)加熱到試驗(yàn)溫度，到試樣和夾頭溫度穩(wěn)定，不再因升溫而膨脹時(shí)加載，當(dāng)載荷達(dá)預(yù)定值后停止加載。由記錄儀記錄應(yīng)力松弛曲線，并測(cè)定試樣破斷時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合掃描電鏡、能譜對(duì)晶界斷面形態(tài)和成分的分析，他們對(duì)二次沉淀硬化弱化晶界和回火脆性因素的說(shuō)法提出了異議，指出消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生主要取決于晶界高溫強(qiáng)度的下降和一次過(guò)熱中的晶界脆化。

2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

國(guó)外曾采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)研究焊接再熱裂紋[3]。與哈爾濱焊接研究所制備高溫恒應(yīng)變松弛試樣類似，先將被測(cè)材料被加工成15 mm厚的平板，在中間位置開(kāi)高度為厚度一半的凹槽，在凹槽中施以一道或多道焊，然后將平板切成一些10 mm的薄片，將這些薄片在如圖4所示的工具上彎曲，對(duì)其進(jìn)行預(yù)定的去應(yīng)力熱處理工藝，然后在室溫下解剖觀察是否有裂紋產(chǎn)生，并且可進(jìn)一步做金相檢測(cè)。

圖4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

類似地，也有先用熱模擬的方法獲得試樣，然后將試樣在工具上加載彎曲，再將試樣連同工具放入爐中進(jìn)行熱處理，最后，取出試樣觀察是否有裂紋產(chǎn)生。還可以對(duì)處理過(guò)的試樣做沖擊試驗(yàn)，用掃描電鏡和透射電鏡照相分析等來(lái)做進(jìn)一步研究。

3 高溫緩慢拉伸試驗(yàn)

C.F.Meitzner證明里海拘束試驗(yàn)中的裂紋擴(kuò)展程度，與高溫恒速拉伸試驗(yàn)后的斷面收縮率有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，A.G.Vinckier又進(jìn)一步做了許多工作，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)用于核容器鋼材的評(píng)選，如表1所示。

表1 再熱裂紋敏感性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)曾用此方法對(duì)14MnMoNbB等國(guó)產(chǎn)壓力容器用鋼進(jìn)行了試驗(yàn)，峰值溫度（℃）為1100、1200、1250和1350，代表焊接熱影響區(qū)的不同部位，800～500℃冷卻時(shí)間取10～12 s。試樣經(jīng)熱模擬后加工成高溫拉伸所需的尺寸，然后將試樣升溫到600℃保溫30 min后以1mm/min的速度將試樣拉斷。但試驗(yàn)結(jié)果除14MnMoNbB外與其他試驗(yàn)有一定出入[4]。

類似地，也曾用此方法對(duì)國(guó)產(chǎn)CF鋼的再熱裂紋敏感性進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)相當(dāng)于焊接HAZ的模擬熱循環(huán)后，再加熱到一定的去應(yīng)力熱處理溫度（580℃、600℃、620℃）并保溫，同時(shí)緩慢加載拉伸，直至拉斷，最后根據(jù)A.G.Vinckier提出的4條標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。

研究發(fā)現(xiàn)，在熱處理溫度為600℃的條件下，當(dāng)熱模擬峰值溫度TM=1300℃時(shí)，斷面收縮率ψ=5.1%，低于敏感的ψ值10%，而TM=1200℃時(shí)，ψ=29.67%，高于非常敏感的ψ值5%，因此，CF鋼的再熱裂紋敏感性屬于“敏感”級(jí)別。但當(dāng)去應(yīng)力熱處理溫度降為580℃時(shí)，TM=1300℃時(shí)的斷面收縮率ψ=16%，則再熱裂紋敏感性似可評(píng)定為“稍敏感”級(jí)別[5]。

4 插銷試驗(yàn)

插銷試驗(yàn)主要用于定量地研究焊接冷裂紋的敏感性，也有不少單位將其改裝后用于再熱裂紋研究。改裝后的插銷試驗(yàn)機(jī)，類似高溫恒應(yīng)變松弛裝置，插銷上的缺口用以模擬實(shí)際焊接接頭根部或焊趾部位的應(yīng)力集中，底板和插銷焊接后，應(yīng)保證插銷的缺口根部處于熔合線附近的過(guò)熱粗晶區(qū)內(nèi)，缺口的形狀一般采用單“V”形深缺口，其所模擬的焊接狀況最惡劣，其他情況可以放心地使用這一試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)時(shí)先將插銷試樣安裝試驗(yàn)機(jī)上，利用加熱電爐加熱，保溫至溫度均衡時(shí)開(kāi)始加載，記錄下加載應(yīng)力和插銷斷裂時(shí)間。一般采用最短斷裂時(shí)間和最低臨界初應(yīng)力兩個(gè)判據(jù)，來(lái)研究材料的再熱裂紋敏感性。國(guó)內(nèi)曾對(duì)武鋼產(chǎn)CF鋼、舞鋼產(chǎn)12MnNiVR鋼以及寶鋼P(yáng)460NL1等鋼種進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[5～6]。

5 小鐵研試驗(yàn)

小鐵研試驗(yàn)即斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，主要用于鋼材焊接冷裂紋敏感性的研究，曾制定有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。也可以將其用于再熱裂紋的研究，其原理是采用提高預(yù)熱溫度或其他方法，在小鐵研試驗(yàn)過(guò)程中，確保不產(chǎn)生焊接冷裂紋，然后對(duì)小鐵研試樣進(jìn)行焊后熱處理，經(jīng)過(guò)熱處理的試樣按GB4675.1的要求進(jìn)行解剖，根據(jù)裂紋率來(lái)判斷材料的再熱裂紋敏感性。

試驗(yàn)采用如圖5所示的150 mm×200 mm的板料，先焊接拘束焊縫，再焊接試驗(yàn)焊縫，經(jīng)消除應(yīng)力熱處理以后，在顯微鏡下檢查有無(wú)裂紋，并觀察裂紋的宏觀特征及取向。國(guó)內(nèi)再熱裂縫課題協(xié)作組曾用此方法,對(duì)7種國(guó)產(chǎn)壓力容器用鋼和3種國(guó)內(nèi)常用的國(guó)外鋼種進(jìn)行了大量試驗(yàn)[7]。

圖5 小鐵研試件的形狀和尺寸

6 模擬HAZ粗晶區(qū)應(yīng)力釋放試驗(yàn)

這種試驗(yàn)隨著熱模擬試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用近來(lái)做的比較多。一般來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)首先模擬出焊接HAZ粗晶區(qū)組織，再采取一定的技術(shù)措施模擬試樣的殘余應(yīng)力狀態(tài)，然后進(jìn)行去應(yīng)力熱處理模擬，直到試樣發(fā)生斷裂或設(shè)定的保溫階段結(jié)束為止。

這種試驗(yàn)方法可以求出一定再熱處理溫度下的裂紋臨界應(yīng)力值，可得到應(yīng)力-斷裂時(shí)間曲線，也可在同一應(yīng)力水平下求出材料再熱裂紋的敏感溫度區(qū)。帶缺口試樣的再熱裂紋臨界應(yīng)力值，比不開(kāi)缺口者低，開(kāi)缺口試樣更利于模擬實(shí)際焊接接頭的應(yīng)力集中特征，但試樣的缺口角度及深度要嚴(yán)格保證，否則將影響試驗(yàn)結(jié)果，特別是應(yīng)力-斷裂時(shí)間曲線的重現(xiàn)性將受到影響[8～9]。

7 結(jié)束語(yǔ)

由上可見(jiàn)，對(duì)于焊接再熱裂紋研究，實(shí)驗(yàn)方法很多?？偟膩?lái)講，就研究的對(duì)象而言，不外乎實(shí)際焊接接頭和模擬HAZ兩大類；就試驗(yàn)基本原理來(lái)說(shuō)，也就是高溫下應(yīng)力松弛試驗(yàn)。但是，應(yīng)力產(chǎn)生的形式、加載時(shí)機(jī)以及組織的差異等因素，造成評(píng)價(jià)的結(jié)果并不完全一致，評(píng)價(jià)材料再熱裂紋敏感性的試驗(yàn)方法，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

[1]郭壽汾，俞繼倫，陶祖潛，等.Cr-Ni-Mo-V系鋼再熱裂縫的研究——再熱裂縫敏感性的測(cè)試和恒應(yīng)變應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法的介紹[J].焊接，1979，(3)：12-18.

[2]郭壽汾，俞繼倫，陶祖潛，等.低合金高強(qiáng)度鋼消除應(yīng)力裂縫的研究[J].焊接學(xué)報(bào)，1981，(3)：35-45.

[3]A Vinckier&A Dhooge.Reheat Cracking in Welded Structures During Stress Relief Heat Treatments[J].Heat Treating，1979，（1）：72-80.

[4]陳 楚，張?jiān)骆?焊接熱模擬技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[5]《大型球罐用CF鋼的應(yīng)用研究》課題協(xié)作組.CF-62鋼焊接性試驗(yàn)研究[J].壓力容器，1987，(5)：20-26.

[6]汪 輝，鄭云龍，卜華全，等.12MnNiVR鋼板焊接裂紋敏感性的試驗(yàn)研究[J].壓力容器，2003，(6)：19-23.

[7]再熱裂縫課題協(xié)作組.壓力容器用鋼再熱裂縫研究[J].壓力容器，1981，(10)：1-14.

[8]Seth Jason Norton.Development of A Glebe based Test for Post Weld Heat Treatment Cracking in Nickel Alloys[D].Ohio：Ohio State University，2002.

[9]Phung-on Isaratat.An Investigation ofReheat Cracking in the Weld Heat Affected Zone ofType 347 Stainless Steel[D].Ohio：Ohio State University，2007.