基于松弛應(yīng)變控制的2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接接頭CGHAZ再熱裂紋開裂判據(jù)

張皓羽 李業(yè) 康張宜 胡瀟寅 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

2.25Cr1Mo0.25V鋼是目前加氫反應(yīng)器用鋼的首選材料[1-3]。2.25Cr1Mo0.25V鋼具有比傳統(tǒng)CrMo鋼更高的高溫強(qiáng)度、更好的抗蠕變和抗氫性能，但由于添加V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，該鋼種的焊接性能變差，尤其焊接接頭對再熱裂紋的敏感性大大增強(qiáng)。該問題已經(jīng)成為加氫反應(yīng)器成型制造過程中的主要問題之一[4-5]。

再熱裂紋主要發(fā)生于焊接接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)（coarse grain heat-affected zone，CGHAZ），偶爾也在焊縫金屬中出現(xiàn)[6]。對于CGHAZ中再熱裂紋的研究還處于起步階段，這是因?yàn)楹附咏宇^CGHAZ只有大約1 mm，所以對再熱裂紋的研究很難深入。熱模擬試驗(yàn)通過對母材試樣施加一定的熱，將其制備為CGHAZ的相似材料，國內(nèi)外一些學(xué)者通過熱模擬的方法對低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭CGHAZ的再熱裂紋開裂機(jī)理開展研究[7-8]，但對2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接接頭CGHAZ中再熱裂紋起裂條件的判定缺乏系統(tǒng)的研究。

2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接接頭CGHAZ是產(chǎn)生再熱裂紋的主要區(qū)域，系統(tǒng)地研究其產(chǎn)生再熱裂紋的條件和規(guī)律對工程應(yīng)用具有重要價(jià)值。本文通過熱模擬試驗(yàn)獲取CGHAZ的相似材料，進(jìn)而采用高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究實(shí)際焊接接頭CGHAZ在焊后熱處理過程中的再熱開裂行為。研究結(jié)果為深入了解2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接接頭CGHAZ中的再熱裂紋開裂條件以及作為相關(guān)金屬材料檢測過程中材料性能判定提供依據(jù)。

1 熱模擬試驗(yàn)

熱模擬試驗(yàn)的結(jié)果主要取決于模擬參數(shù)的選擇，主要影響參數(shù)為峰值溫度（Tp）、峰值溫度停留時(shí)間（tp）、熱輸入（Q）、加熱速率（ωH）和預(yù)熱溫度。本文以2.25Cr1Mo0.25V鋼的實(shí)際焊接工藝為依據(jù)，參考國內(nèi)外學(xué)者對熱模擬參數(shù)的研究經(jīng)驗(yàn)[9,10]，制定了模擬CGHAZ熱循環(huán)參數(shù)的篩選方案。將模擬出的結(jié)果與實(shí)際焊接接頭CGHAZ進(jìn)行對比分析，通過比較顯微組織、硬度和晶粒度，保證模擬CGHAZ的準(zhǔn)確性。

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所用的材料為中國舞陽鋼廠生產(chǎn)的2.25Cr1Mo0.25V鋼。焊接接頭試驗(yàn)裝置為Gleeble 3180熱模擬試驗(yàn)機(jī)，熱模擬試樣尺寸如圖1所示。

圖1 熱模擬試樣尺寸（mm）

模擬CGHAZ熱循環(huán)參數(shù)的篩選方案如表1所示（峰值溫度均為1 320 ℃，加熱速率均為1 000 ℃/s，預(yù)熱溫度均為200 ℃）。試驗(yàn)步驟：根據(jù)篩選方案進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際焊接接頭CGHAZ對比，分析硬度、晶粒度和顯微組織，篩選出與實(shí)際焊接接頭CGHAZ相似的材料模擬參數(shù)條件。

表1 模擬CGHAZ熱循環(huán)參數(shù)的篩選方案

1.2 結(jié)果與分析

1.2.1 硬度篩選

用維氏硬度計(jì)測量實(shí)際焊接接頭CGHAZ硬度，測量點(diǎn)5個(gè)，測量結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際焊接接頭CGHAZ硬度

對9組經(jīng)熱模擬試驗(yàn)機(jī)熱模擬后的試樣進(jìn)行硬度值測量，每個(gè)試樣選擇3個(gè)不同的測量位置，測量結(jié)果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以看出，1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)試樣硬度值的方差接近15，遠(yuǎn)大于實(shí)際焊接接頭CGHAZ硬度的方差9.1，均勻性較差。因此，硬度數(shù)據(jù)篩選時(shí)，未考慮這三組熱模擬試樣數(shù)據(jù)。

表3 經(jīng)熱模擬試驗(yàn)后試樣的硬度值

圖2 硬度篩選結(jié)果

1.2.2 顯微組織和晶粒度篩選

2.25Cr1Mo0.25V鋼實(shí)際焊接接頭CGHAZ的金相組織如圖3所示，晶粒度約為4.5級(jí)，顯微組織為板條狀貝氏體組織。

圖3 實(shí)際焊接接頭CGHAZ金相組織

1.2.3 篩選結(jié)論

綜合對比模擬CGHAZ與實(shí)際焊接接頭CGHAZ的硬度和顯微組織，結(jié)果表明：5號(hào)試樣最接近實(shí)際焊接接頭CGHAZ，對應(yīng)的熱模擬參數(shù)為峰值溫度1 320 ℃、加熱速率1 000 ℃/s，峰值停留時(shí)間為1 s，焊接熱輸入為30 kJ/cm，預(yù)熱溫度200 ℃，熱模擬試驗(yàn)熱循環(huán)曲線如圖5所示，以此熱模擬工藝制備高溫應(yīng)力松弛試樣。

圖4 熱模擬試樣金相組織

圖5 熱模擬試驗(yàn)熱循環(huán)曲線

2 高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)

再熱開裂是焊接接頭在焊后熱處理過程中產(chǎn)生的，其本質(zhì)原因是由于高溫應(yīng)力松弛伴隨的蠕變損傷所致[9]。高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)可以模擬實(shí)際焊接接頭在焊后熱處理?xiàng)l件下的再熱開裂過程，是研究高溫應(yīng)力松弛伴隨的蠕變損傷和再熱裂紋產(chǎn)生條件的有效方法。

2.1 應(yīng)力松弛本構(gòu)關(guān)系

2.25Cr1Mo0.25V鋼的再熱開裂是由于焊接接頭CGHAZ在應(yīng)力松弛過程中伴隨的松弛應(yīng)變累計(jì)所致，金屬材料在高溫下的應(yīng)力松弛是基于蠕變現(xiàn)象產(chǎn)生的，可以把它看作是變動(dòng)應(yīng)力下的蠕變問題[8]。在試驗(yàn)過程中，試樣的總應(yīng)變保持恒定，隨時(shí)間延長，彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化為蠕變應(yīng)變，應(yīng)力逐漸降低。由應(yīng)力松弛的試驗(yàn)條件可知：

式中：εtol——總的應(yīng)變；

εp——塑性應(yīng)變；

εe——彈性應(yīng)變；

εc——蠕變應(yīng)變

假設(shè)E為常量，則

由于應(yīng)力松弛是卸載過程，與時(shí)間無關(guān)的塑性應(yīng)變應(yīng)保持不變，將式（2）代入式（1），并對時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)得到：

式（4）為蠕變應(yīng)變的本構(gòu)方程，可以計(jì)算得到應(yīng)力松弛伴隨的蠕變應(yīng)變。

2.2 試驗(yàn)方法

應(yīng)力松弛試樣尺寸如圖6所示。試驗(yàn)的具體過程如下：

圖6 應(yīng)力松弛試樣尺寸

1）采用1.2.3中篩選出的5號(hào)試樣熱模擬工藝對圖6所示的母材試樣進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，將其制備為CGHAZ的相似材料；

2）在無載荷狀態(tài)下，將試樣在3 min內(nèi)加熱至試驗(yàn)溫度675 ℃，并保溫10 min；

3）對5號(hào)試樣分別施加一定的初始應(yīng)力，在恒溫、恒應(yīng)變條件下進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，直至斷裂，記錄應(yīng)力松弛曲線。

2.3 結(jié)果與分析

應(yīng)力松弛試樣的5組初始應(yīng)力如表4所示，應(yīng)力松弛試驗(yàn)記錄的5組應(yīng)力松弛曲線如圖7所示。

表4 應(yīng)力松弛試樣的5組初始應(yīng)力

圖7 試樣的5組應(yīng)力松弛曲線

試樣的5組應(yīng)力松弛曲線具有相同的趨勢和特征，由圖7可知，模擬CGHAZ應(yīng)力松弛曲線分為明顯的三個(gè)階段。

2.3.1 松弛應(yīng)變

利用式（4）計(jì)算蠕變應(yīng)變量的大小，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件直接計(jì)算的值，然后代入，得到蠕變應(yīng)變的值，E值由高溫拉伸試驗(yàn)獲得，E= 196 350 MPa（675 ℃）。

由表5可知，雖然試樣的每組初始應(yīng)力不同，但從應(yīng)力松弛試驗(yàn)開始至試樣斷裂的過程中，蠕變應(yīng)變量的方差只有2.70×10-5，這說明每組試樣的臨界斷裂蠕變應(yīng)變十分接近。試樣施加的5組初始應(yīng)力均小于材料彈性極限460 MPa，可以認(rèn)為試樣在施加初始應(yīng)力階段并沒有塑性變形產(chǎn)生，只有應(yīng)力松弛過程中產(chǎn)生了4.11×10-4的蠕變應(yīng)變，并且導(dǎo)致再熱開裂。而材料在675 ℃下的拉伸斷裂應(yīng)變?yōu)?.55×10-2，平均蠕變應(yīng)變量4.11×10-4遠(yuǎn)小于該值?？梢钥闯觯a(chǎn)生再熱開裂時(shí)的宏觀塑性變形量遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料的臨界斷裂應(yīng)變量。結(jié)合再熱裂紋的開裂機(jī)理以及前人的研究經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以理解為在高溫應(yīng)力松弛中，2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接接頭CGHAZ中的碳化物析出沉淀導(dǎo)致晶內(nèi)強(qiáng)化；同時(shí)，雜質(zhì)元素在晶界偏聚導(dǎo)致晶界弱化，伴隨應(yīng)力松弛產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變集中于晶界，直至產(chǎn)生裂紋。由此可知，導(dǎo)致再熱開裂的直接因素是材料在應(yīng)力松弛過程中伴隨的蠕變應(yīng)變，并且在應(yīng)力松弛試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)每組試樣的臨界斷裂蠕變應(yīng)變十分接近，可以認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力松弛產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。

表5 試樣的5組蠕變應(yīng)變數(shù)據(jù)處理結(jié)果

綜上所述，基于應(yīng)力松弛試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，結(jié)合前人提出的應(yīng)變控制再熱開裂思想，本文將應(yīng)力松弛過程中產(chǎn)生的臨界斷裂蠕變應(yīng)變作為CGHAZ的再熱裂紋開裂判據(jù)。從宏觀角度可以理解為焊后熱處理過程中，當(dāng)應(yīng)力集中部位產(chǎn)生的松弛應(yīng)變?chǔ)大于該部位產(chǎn)生再熱裂紋的臨界變形能力ΔC時(shí)，即形成再熱裂紋，即ΔP>ΔC，應(yīng)力松弛至斷裂過程中產(chǎn)生的臨界蠕變應(yīng)變即為ΔC，ΔC是材料本身的屬性。從微觀角度看，ΔC的大小與晶界的結(jié)合力、晶內(nèi)的蠕變抗力、以及晶粒度的大小有關(guān)，晶界雜質(zhì)偏析、晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化等微觀變化必將從宏觀上影響，即影響再熱裂紋的產(chǎn)生。為區(qū)別于一般意義上由于加載所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變和一般蠕變試驗(yàn)中的蠕變應(yīng)變，稱ΔC為臨界起裂松弛應(yīng)變，在開展金屬材料檢測實(shí)驗(yàn)過程中，ΔC可以作為評判檢測結(jié)果的依據(jù)。

那么針對本文在峰值溫度1 320 ℃、加熱速率1 000 ℃/s、峰值停留1 s、焊接熱輸入30 kJ/cm、預(yù)熱溫度200 ℃熱模擬工藝下得到的2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接CGHAZ材料，其在敏感溫度675 ℃下ΔC的值即為4.11×10-4，當(dāng)ΔP> 4.11×10-4時(shí)，則產(chǎn)生再熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很高。

3 結(jié)語

1）通過將熱模擬試驗(yàn)得到的材料與實(shí)際焊接接頭CGHAZ進(jìn)行對比，篩選出合適的熱模擬工藝，即峰值溫度1 320 ℃、加熱速率1 000 ℃/s、峰值停留1 s、焊接熱輸入30 kJ/cm、預(yù)熱溫度200 ℃。在該熱模擬工藝下得到的材料與實(shí)際焊接接頭CGHAZ最為接近。

2）導(dǎo)致再熱開裂的直接因素是材料在應(yīng)力松弛過程中伴隨的蠕變應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力集中部位產(chǎn)生的松弛應(yīng)變?chǔ)大于該部位產(chǎn)生再熱裂紋的臨界變形能力ΔC時(shí)，就形成了再熱裂紋，ΔC是材料本身的屬性。在開展金屬材料檢測試驗(yàn)過程中，ΔC可以作為評判檢測結(jié)果的依據(jù)。在本文熱模擬工藝下得到的2.25Cr1Mo0.25V鋼焊接接頭CGHAZ材料，在675 ℃下導(dǎo)致再熱開裂的臨界松弛應(yīng)變?chǔ)為4.11×10-4。