焊后熱處理對(duì)P92鋼焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響

丁光柱 郭未昀 孫松濤 李世會(huì) 胡傳華 李紅武 李報(bào) 王順興

摘要：通過(guò)試驗(yàn)研究了不同熱處理方式下P92鋼焊接接頭的組織性能變化。結(jié)果表明：所有試樣的拉伸斷口均位于非焊縫區(qū)，焊縫處的拉伸性能好于母材區(qū)域。在低于700 ℃溫度下保溫60 min后，焊縫硬度高于母材，焊縫硬度值在35～45 HRC，母材硬度約為20 HRC，對(duì)焊縫區(qū)硬度無(wú)改善;760 ℃保溫90 min焊后熱處理后焊縫組織接近原始母材組織，為回火屈氏體，組織均勻細(xì)小，焊接硬度明顯下降且接近母材，為最佳焊后熱處理工藝。

關(guān)鍵詞：P92鋼;焊后熱處理;組織;性能

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0044-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.09

0 前言

P92鋼具有高持久強(qiáng)度和蠕變性能等特點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于超超臨界壓力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管、再熱段管道等部件[1]。微觀組織對(duì)管道服役表現(xiàn)有著極其重要的影響，因此改善其焊后微觀組織顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，可以起到改善接頭組織、減小接頭應(yīng)力等作用[2]。目前，隨著需焊后熱處理接頭數(shù)量、焊后熱處理所需時(shí)間和材料壁厚增加導(dǎo)致的溫度場(chǎng)惡化，傳統(tǒng)的加熱方法和工藝已無(wú)法滿足工程進(jìn)度要求和工程質(zhì)量要求。在安裝焊縫中，這些接頭約占總安裝焊接接頭的90%，以1臺(tái)1 000 MW機(jī)組為例，需要進(jìn)行焊后熱處理的小徑管焊接接頭約為25 000道。提高其焊后熱處理質(zhì)量對(duì)于提高工程進(jìn)度、降低工程成本和保證工程品質(zhì)具有重要意義。

文中主要研究了不同焊后熱處理方式對(duì)P92鋼焊接接頭的組織性能影響，找出改善P92鋼接頭組織性能的最佳焊后熱處理方案。

1 試驗(yàn)材料與方法

選用SA335 P92鋼管作為研究對(duì)象，規(guī)格為φ44.5×8 mm，焊接方法為氬弧焊打底、焊條電弧焊填充蓋面，開V型坡口。原始管材如圖1所示。熱處理工藝為1 060 ℃淬火+760 ℃回火。

試樣嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651-2008要求取樣和加工，共取16個(gè)拉伸試樣與16個(gè)硬度試樣，并在其中各取12個(gè)進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示。

采用普通箱式電阻爐在對(duì)應(yīng)溫度對(duì)2～6組試樣進(jìn)行保溫，采用可控升溫速度的箱式電阻爐對(duì)7～12組試樣進(jìn)行相應(yīng)熱處理，之后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和金相實(shí)驗(yàn)。

觀察試樣顯微組織，腐蝕劑選用FeCl3固體：水=35∶65（質(zhì)量比）的配比配成溶液[3]，F(xiàn)eCl3溶液溫度為30～50 ℃，腐蝕時(shí)間20～40 s，之后進(jìn)行取樣拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸結(jié)果分析

將12個(gè)拉伸試樣的厚度（8 mm）及寬度（6 mm）輸入計(jì)算機(jī)軟件Letryyl并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化拉伸試驗(yàn)后得出不同試樣所承受載荷最大值、應(yīng)力最大值、屈服強(qiáng)度以及彈性模量，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

拉伸斷裂區(qū)域均位于非焊縫的其他區(qū)域，具體如圖2所示?？梢钥闯?，所有拉伸試樣的屈服強(qiáng)度和最大應(yīng)力值差別幅度不大，且斷口都位于母材區(qū)或焊接熱影響區(qū)。由此可見，不同焊后熱處理后焊縫區(qū)域的屈服強(qiáng)度均較高，抗拉性能較好。

2.2 硬度測(cè)量結(jié)果分析

以焊縫的某一邊緣為0點(diǎn)，向試樣兩邊每隔3 mm取點(diǎn)，較短邊取點(diǎn)-1、-2、-3、-4，較長(zhǎng)邊取點(diǎn)1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。測(cè)量各點(diǎn)洛氏硬度，以標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)字作為橫軸坐標(biāo)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)洛氏硬度值為縱軸坐標(biāo)作圖。

1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)試樣的硬度曲線如圖3所示，兩條曲線分別表示試樣兩個(gè)對(duì)應(yīng)側(cè)面的硬度值情況?？梢钥闯觯?號(hào)、3號(hào)、4號(hào)試樣的硬度值在焊縫區(qū)與熱影響區(qū)與母材區(qū)有一個(gè)明顯的突起，說(shuō)明3號(hào)、4號(hào)試樣的焊后熱處理方式未明顯改善焊縫區(qū)與熱影響區(qū)硬度。1號(hào)焊態(tài)試樣焊縫區(qū)硬度較高，明顯高于母材區(qū)域。這是由于焊接過(guò)程中產(chǎn)生高溫，冷卻過(guò)程中焊縫區(qū)、熱影響區(qū)形成了馬氏體組織[4]。5號(hào)試樣（750 ℃保溫60 min）中的馬氏體組織與殘留奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，焊縫及焊接熱影響區(qū)的硬度大幅下降至20～25 HRC。

由此可推斷，當(dāng)焊后熱處理溫度達(dá)到一定值時(shí)，可改善焊縫區(qū)與焊接熱影響區(qū)的性能。760 ℃下不同保溫時(shí)間試樣硬度分布如圖4所示。所有試樣均在室溫放入爐中，通過(guò)300 ℃/h的升溫再保溫不同時(shí)間。其中，9號(hào)試樣保溫15 min，10號(hào)試樣保溫30 min，11號(hào)試樣保溫60 min，12號(hào)試樣保溫90 min（見表2）。

由圖4可知，焊縫區(qū)硬度降至10～25 HRC，焊縫組織由馬氏體+殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w。主要是因?yàn)楹附咏宇^中碳化物產(chǎn)生偏聚及在熱處理過(guò)程中部分固溶元素析出、馬氏體分解、 位錯(cuò)密度降低等綜合作用使得其硬度降低[5]。且隨著保溫時(shí)間的增加，焊縫與焊接熱影響區(qū)的硬度與母材區(qū)的硬度越來(lái)越趨于一致?？梢酝茢嚯S著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力將會(huì)繼續(xù)下降，硬度也會(huì)小幅下降，韌性會(huì)更好，但考慮到生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中選用90 min保溫時(shí)間。

2.3 金相組織分析

2.3.1 母材組織

經(jīng)不同工藝熱處理后母材組織變化不大，如圖5所示。圖中1號(hào)（焊態(tài)）和12號(hào)（760 ℃保溫90 min）的母材區(qū)顯微組織均為回火馬氏體，由于原始P92鋼管采用的加工工藝為1 060 ℃淬火+760 ℃回火，而12號(hào)試樣是760 ℃回火工藝，因此母材區(qū)組織無(wú)變化。3號(hào)和11號(hào)的母材區(qū)組織也是回火馬氏體，該結(jié)果和各母材區(qū)域硬度相對(duì)應(yīng)，硬度值約為15～20 HRC，說(shuō)明不同焊后熱處理工藝對(duì)母材影響不大。

2.3.2 焊縫組織

P92鋼不同熱處理狀態(tài)下焊縫區(qū)金相組織如圖6所示，其中1號(hào)（焊態(tài)）的顯微組織為板條馬氏體+殘留奧氏體。在焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)溫度快速升高，焊接完成后快速冷卻，由于P92鋼合金元素較多，淬透性好，部分區(qū)域相當(dāng)于淬火處理，得到馬氏體組織。3號(hào)試樣（焊后在600 ℃保溫60 min）中由于P92中合金元素的影響，焊縫中馬氏體分解以及殘余奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的提高，焊縫區(qū)出現(xiàn)未轉(zhuǎn)化的回火馬氏體和部分回火屈氏體組織，因此硬度下降不明顯。4號(hào)試樣（焊后在700 ℃下保溫60 min）焊縫硬度與3號(hào)相比無(wú)明顯變化，焊縫區(qū)形成了回火屈氏體。12號(hào)試樣（焊后760 ℃保溫90 min）在熱處理過(guò)程中，組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，馬氏體界面上的位錯(cuò)發(fā)生攀移與滑移，位錯(cuò)密度下降，相鄰板條合并成寬的板條，在金相觀察中看不到完整的板條，組織變得均勻細(xì)小，其中α相并未完成再結(jié)晶過(guò)程，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w組織[6]。

圖7中顯示試樣1和試樣3中出現(xiàn)異常塊狀區(qū)域，初步推測(cè)為殘留高溫δ相鐵素體組織。分別在白色區(qū)域及其附近黑色區(qū)域取兩點(diǎn)測(cè)量顯微硬度。測(cè)得1號(hào)試樣中白色區(qū)域維氏硬度為155 HV25，而其附近區(qū)域維氏硬度為300 HV25;3號(hào)試樣中白色區(qū)域維氏硬度為181 HV25，而其附近區(qū)域維氏硬度為254 HV25。異常區(qū)域的硬度值小于其附近馬氏體組織的硬度值，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累并查閱資料可知，異常區(qū)域?yàn)闅埩舻摩南?。碳溶入?Fe中形成間隙固溶體，呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，因其存在的溫度較高，故稱高溫鐵素體或δ固溶體，用δ表示[7]。這是由于P92鋼中合金元素較多，其中有縮小γ區(qū)的元素Cr、W、Mo、V等，在碳含量較少的部分δ相未發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由熔化時(shí)高溫直至冷卻到室溫呈現(xiàn)為鐵素體組織。因?yàn)棣蔫F素體較脆，在加工中易誘發(fā)裂紋，且容易誘發(fā)點(diǎn)腐蝕[8]?？赏ㄟ^(guò)合適焊后熱處理來(lái)消除該現(xiàn)象。

3 結(jié)論

分別對(duì)P92鋼不同焊接熱處理試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、硬度檢測(cè)及金相組織觀察，得出以下結(jié)論：

（1）所有試樣的拉伸斷口均位于非焊縫區(qū)，焊縫處的拉伸性能好于母材區(qū)域。在低于700 ℃的焊后熱處理后，焊縫區(qū)硬度仍高于母材區(qū)，其中焊縫區(qū)域硬度值在35～45 HRC，母材區(qū)硬度約為20 HRC。

（2）焊接后原始態(tài)焊縫中存在殘留高溫δ相鐵素體，其硬度值為155 HV25，小于附近馬氏體硬度值300 HV25。通過(guò)合適的焊后熱處理來(lái)消除焊縫中殘留高溫δ相鐵素體，從而消除因此引發(fā)焊縫失效的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）760 ℃回火保溫90 min為最佳焊后熱處理方案，采用該方案獲得的焊縫組織為回火屈氏體，與原始管材相同，組織均勻晶粒細(xì)小，焊縫硬度明顯下降且接近母材。

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