海洋平臺E36鋼熱處理前后斷裂韌性研究

裴 沖，王東坡

(1.北京航空材料研究院，北京 100083；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

海洋平臺E36鋼熱處理前后斷裂韌性研究

裴 沖1，王東坡2

(1.北京航空材料研究院，北京 100083；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

工程上普遍認為，通過焊后熱處理(PWHT)，如果方法得當(dāng)，可以提高焊縫金屬的斷裂韌性值。但是，近年來諸多研究發(fā)現(xiàn)，焊后熱處理對斷裂韌性也并不是都有好的影響，比如，熱處理之后，焊接接頭熱影響區(qū)的斷裂韌性就可能有惡化的現(xiàn)象。本研究設(shè)計了對比CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗，發(fā)現(xiàn)熱處理之后熱影響區(qū)組織變粗大，碳化物大量析出并聚集長大，使得斷裂韌性大大降低。

焊后熱處理；焊縫金屬；斷裂韌性；熱影響區(qū)；組織

0 引言

海洋平臺是典型的焊接結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣且有較大的應(yīng)力集中，加上焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力及接頭組織性能不均勻性的影響，在外載的作用下極易產(chǎn)生脆性破壞[1]。目前我國一大批海洋平臺已經(jīng)進入了中后期服役階段，為了增加經(jīng)濟效益，節(jié)約資源，這些海洋平臺在未來很長一段時間還要繼續(xù)使用[2-3]，因此如何能夠準確得到海洋平臺用鋼材低溫韌性，保證海洋平臺安全性是工程上極為重要的問題。大量試驗研究表明，對海洋平臺用鋼而言，CTOD斷裂韌性是評價鋼材及焊接接頭抗脆斷特性的重要參量，能有效準確地評價鋼材的抗脆斷能力[4-5]。

在不同的焊接位置中，由于橫焊和立焊焊接位置的特殊性，DNV-OS-C401規(guī)定，對于海洋平臺用鋼試樣，在CTOD試驗中可以用高熱輸入的3G(立焊)位置試樣結(jié)果覆蓋低熱輸入的2G(橫焊)位置試樣結(jié)果[6]。目前，ECA評估(工程臨界評估)是檢驗結(jié)構(gòu)安全性的有效手段，評估過程中需要對材料的固有屬性和低溫斷裂韌性值進行分析，從而知道結(jié)構(gòu)安全與否。評估過程中，為了保證結(jié)果的可靠性，需要試樣的最小CTOD值，因此各焊接位置熱處理前后的CTOD值顯得尤為重要[7]。

本研究為了分析更加全面準確，分別選取2G和3G位置的焊縫和熱影響區(qū)試樣進行CTOD試驗，同時測量相應(yīng)區(qū)域熱處理之后的CTOD值，發(fā)現(xiàn)熱處理之后熱影響區(qū)處斷裂韌性值明顯下降，支撐了熱處理后熱影響區(qū)斷裂韌性值會惡化的觀點。

1 熱處理參數(shù)及CTOD試驗與結(jié)果

本研究依據(jù)BSEN ISO15653—2010試驗標準進行試驗[8]，試樣均采用CO2焊，母材是E36-Z35鋼。試樣開K型坡口，焊絲等級是AWS A5.29 E81T1-K2。母材化學(xué)成分見表1，常規(guī)力學(xué)性能見表2。

根據(jù)AWS標準，設(shè)定熱處理規(guī)程，參數(shù)如表3所示，曲線圖如圖1所示。試驗采用帶預(yù)制疲勞裂紋的三點彎曲(TPB)標準試樣，試樣加工至B×W=80 mm×80 mm，且均為貫穿厚度試樣，焊縫處機械缺口位于焊縫柱狀晶最大體積處。

預(yù)制疲勞裂紋之前采用局部壓縮方法減少焊縫中心處殘余應(yīng)力，保證裂紋前緣形狀合理。之后采用300 kN高頻疲勞試驗機在室溫(25 ℃)下預(yù)制疲勞裂紋，保證裂紋總長度在(0.45～0.7)W的有效范圍內(nèi)。

表1 E36-Z35鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù) /%)

表2 E36-Z35鋼力學(xué)性能

表3 熱處理參數(shù)

圖1 熱處理曲線圖

CTOD試驗是在2 000 kN萬能材料試驗機上進行的，將試樣在低溫箱中保溫，溫度為-10 ℃，保溫時間40 min，到時間后開始試驗。在進行了試樣有效性判斷后，得到焊縫處的CTOD值如表4所示，其中2G為橫焊位置，3G為立焊位置。試樣編號最后1位數(shù)字表示沿同一焊道不同位置取的試樣，由于每個試樣預(yù)制疲勞裂紋前緣所在的位置不同，CTOD值會有些許差異。

從表4中可以看出，通過焊后熱處理，2G和3G試樣的CTOD值變化規(guī)律基本是一樣的。焊縫處的CTOD值變化不大，略有提升，而熱影響區(qū)處的CTOD值明顯降低，約有1個數(shù)量級。

表4 CTOD試驗結(jié)果

2 分析與討論

由于2G試樣與3G試樣熱處理之后，均是焊縫處CTOD值提升，熱影響區(qū)處CTOD值降低，為簡化過程，只取2G試樣進行微觀組織觀察。本研究共選取了4組試樣，分別為2GW(橫焊焊縫-焊態(tài))、P2GW(橫焊焊縫-熱處理態(tài))、2GH(橫焊熱影響區(qū)-焊態(tài))、P2GH(橫焊熱影響區(qū)-熱處理態(tài))試樣，之后沿著疲勞裂紋尖端的垂直于斷面的方向進行取樣，經(jīng)過粗磨、精磨、拋光、腐蝕等工序之后，采用OLYMPUS-GX51型金相顯微鏡觀察組織[9]，試驗采用的腐蝕劑為4%(質(zhì)量分數(shù))的硝酸酒精溶液。金相組織如圖1所示。

圖2 試樣微觀組織

觀察圖2a的焊縫組織，發(fā)現(xiàn)焊縫處主要是由大量的鐵素體和少量的珠光體組成，其中鐵素體是由柱狀的較粗大的先共析鐵素體和十分細小的針狀鐵素體組成的。焊縫金屬在冷卻過程中，形成較為粗大的先共析鐵素體，此類鐵素體大致勾勒出了原始奧氏體晶界的形貌，先共析鐵素體含量越多，體積越粗大，對焊縫的低溫斷裂韌性的副作用越大；而針狀鐵素體形態(tài)細小，由于其組織取向各異，相互交錯，且為大角度晶界，能很好地阻止裂紋的擴展，故具有很好的力學(xué)性能，特別是韌性[10-11]，因此，針狀鐵素體越多越好。從圖2a和圖2b發(fā)現(xiàn)，焊縫處的組織熱處理前后針狀鐵素體的數(shù)量比例都很大，而先共析鐵素體很少，形態(tài)也不是很粗大，因此韌性值都比較好，且熱處理前后的變化不是很大。

圖2c中熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織主要是貝氏體、鐵素體以及少量的滲碳體，較大塊狀組織是粒狀貝氏體，類似針形的組織是上貝氏體組織[12]。上貝氏體的強度和韌性都較差，但是粒狀貝氏體的韌性比較好。圖2d中的組織經(jīng)過600 ℃的回火處理，組織明顯變粗大了。由于E36鋼中添加的微量合金元素，如Cr、Nb、V、Ti 等屬于碳化物形成元素，在回火過程中碳化物析出增多并逐漸聚集長大，形成短棒狀和塊狀。而此類第二相的聚集長大[13]，減弱基體的結(jié)合強度，容易與基體分離或開裂而成為微裂紋源，在外載荷作用下微裂紋萌生并擴展，從而使斷裂韌性有所下降。

3 結(jié)論

1)由于熱處理后組織變粗大，碳化物大量析出并聚集長大，漸弱了基體結(jié)合強度，使得熱影響區(qū)處的斷裂韌性大大降低。

2)在進行ECA評估時，要綜合考慮不同焊接位置與熱處理前后的CTOD值，選用其中最小的CTOD值進行評估。

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Research on Fracture Toughness of E36 Steel of Offshore Platform before and after Heat Treatment

PEI Chong1，WANG Dong-po2

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China; 2.MaterialsScienceandEngineeringCollege,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Recently, several tests have indicated that post-weld heat treatment(PWHT) may not always have positive influence on the fracture toughness, contradictory to general consensus. For example, the fracture toughness of heat-affected zone may be worse after PWHT. Several crack tip opening displacement (CTOD) tests were conducted and the results showed that the microstructures would be coarser and carbide precipitated, which made the fracture toughness worse.

post-weld heat treatment; weld metal; fracture toughness; heat-affected zone; microstructure

2016年6月30日

2016年8月25日

裴沖(1989年-)，男，碩士，主要從事高溫合金、鋁合金的釬焊及擴散焊等方面的研究。

TG404

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.005

1673-6214(2016)05-0289-04