抽蓄機(jī)組高強(qiáng)鋼板焊接接頭的斷裂韌性研究

賈朋剛，盧從義，霍 巖，文道維，劉玉鑫

(1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150028)

0 引言

高水頭抽水蓄能機(jī)組的鋼岔管等部件需要采用高強(qiáng)度等級(jí)鋼板。不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼板在焊接加工及使用過(guò)程中，不可避免存在各種裂紋缺陷，這些缺陷在外力和環(huán)境作用下可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，缺陷的尺寸以及缺陷在構(gòu)件中的擴(kuò)展規(guī)律是機(jī)組安全運(yùn)行的決定因素[1-2]。斷裂韌性是反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)，是工程中構(gòu)件安全設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[3]。然而，退火處理的抽蓄機(jī)組高強(qiáng)鋼板焊接接頭的斷裂韌性在已公開(kāi)的資料中查詢(xún)不到，因此在進(jìn)行焊縫缺陷斷裂力學(xué)分析時(shí)，只能參考其他相近材料的斷裂韌性參數(shù)，結(jié)果的準(zhǔn)確性有待商榷[4]。因此，需要研究不同強(qiáng)度等級(jí)鋼板焊接接頭的斷裂韌性。本文為了分析不同強(qiáng)度等級(jí)鋼板焊接接頭的斷裂韌性，以退火處理的S500Q焊接接頭和B780CF焊接接頭為研究對(duì)象，對(duì)比研究焊接接頭不同區(qū)域的斷裂韌性。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為抽蓄機(jī)組高強(qiáng)鋼板焊接部件的缺陷斷裂力學(xué)分析與壽命計(jì)算提供重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與參數(shù)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料分別選用不同強(qiáng)度等級(jí)的具有高塑韌性、優(yōu)良焊接性及抗層狀撕裂特性的調(diào)質(zhì)鋼板S500Q和B780CF，規(guī)格30 mm×200 mm×300 mm。焊接材料選用ER90S-G和ER110S-G，規(guī)格φ1.2 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 (單位：%)

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

1.2 焊接接頭與焊后熱處理

S500Q焊接接頭制備采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)，焊材為ER90S-G，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2富氬混合氣體，采用平焊位置焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。焊后熱處理工藝為退火處理，退火工藝為隨爐升溫至530 ℃±10 ℃保溫2 h以上后爐冷。

表3 S500Q試板焊接工藝參數(shù)

B780CF焊接接頭制備采用GMAW，焊材為ER110S-G，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2富氬混合氣體，采用平焊位置焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。焊后熱處理工藝為退火處理，退火工藝為隨爐升溫至550 ℃±10 ℃保溫2 h以上后爐冷。

表4 B780CF試板焊接工藝參數(shù)

1.3 斷裂韌性試樣與試驗(yàn)參數(shù)

采用臺(tái)階型C(T)試樣，厚度B=25 mm，高度W=50 mm，見(jiàn)圖1。臺(tái)階型C(T)試樣的臺(tái)階中心線(xiàn)分別位于S500Q焊接接頭的焊縫中心、熱影響區(qū)和母材，以及B780CF焊接接頭的焊縫中心、熱影響區(qū)和母材。焊接接頭的每個(gè)部位至少測(cè)試6個(gè)試樣，斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果取最低值記錄。

圖1 臺(tái)階型C(T)試樣

本文預(yù)制裂紋參數(shù)為：預(yù)裂長(zhǎng)度L=2.3 mm。疲勞實(shí)驗(yàn)載荷比R=0.1，加載試驗(yàn)參數(shù)為位移控制加載，加載速率0.6 mm/min。預(yù)裂方式為降K法，試驗(yàn)預(yù)裂過(guò)程中K值逐漸減小，初始K值為25.7 MPa·m1/2，最終K值為19 MPa·m1/2。在室溫下預(yù)制裂紋并對(duì)試樣進(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn)各材料狀態(tài)的C(T)試樣未加載到最大力值Fm便出現(xiàn)脆性斷裂，根據(jù)GB/T 21143《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》規(guī)定此時(shí)不能測(cè)試該試樣的JIC值，僅能測(cè)試該試樣的J0值和δ0值。故本文測(cè)試S500Q焊接接頭和B780CF焊接接頭的斷裂韌度J0值和δ0值。斷裂韌性J是圍繞裂紋前緣從裂紋的一側(cè)表面到另一側(cè)表面的線(xiàn)積分或面積分，用以表征裂紋前緣地區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)，亦即是不可忽略的裂紋尖端塑性變形條件下的斷裂韌度，J0是穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的未修正的J值。斷裂韌性δ是在預(yù)制疲勞裂紋尖端，裂紋兩表面相對(duì)于原始未變形的裂紋平面的垂直位移，及裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD，δ0是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的未修正的δ值[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭組織分析

對(duì)退火后S500Q鋼板焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，見(jiàn)圖2。S500Q焊縫組織為細(xì)小的島狀貝氏體+針狀鐵素體+少量珠光體，沿晶界無(wú)析出物，晶粒未明顯粗化，晶粒度約6級(jí)。S500Q焊接接頭在熱影響區(qū)獲得片狀馬氏體組織，組織中存在孿晶。S500Q母材組織為回火索氏體。

圖2 S500Q焊接接頭組織

對(duì)退火后B780CF鋼板焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，見(jiàn)圖3。B780CF焊縫組織為先共析鐵素體+碳化物+少量第二相顆粒。B780CF焊接接頭在熱影響區(qū)獲得板條馬氏體組織，組織中含有較多位錯(cuò)。B780CF母材組織為回火索氏體+粒狀貝氏體。

圖3 B780CF焊接接頭組織

分別從母材到焊縫對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)鋼板退火后的焊接接頭進(jìn)行連續(xù)的顯微維氏硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)間隔為0.5 mm，結(jié)果見(jiàn)圖4(1-5點(diǎn)是鋼板母材，6-11點(diǎn)是熱影響區(qū)，12-14點(diǎn)是焊縫)。從圖中可以看出，兩者的硬度分布規(guī)律相同，在熱影響區(qū)處硬度最低，但S500Q焊接接頭的硬度整體高于B780CF焊接接頭的硬度。B780CF焊縫硬度與母材相當(dāng)，S500Q焊縫硬度高于母材硬度。

圖4 不同強(qiáng)度等級(jí)鋼板焊接接頭硬度分布

2.2 S500Q斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程采用位移控制，加載速率0.01 mm/s，通過(guò)COD引伸計(jì)記錄缺口張開(kāi)位移，同時(shí)存儲(chǔ)COD及載荷數(shù)據(jù)。S500Q焊縫、熱影響區(qū)和母材C(T)試樣的力與缺口張開(kāi)位移COD曲線(xiàn)見(jiàn)圖5所示。

圖5 S500Q焊接接頭試樣的力-缺口張開(kāi)位移COD曲線(xiàn)

斷裂韌度J0值和δ0值對(duì)尺寸敏感，與試樣厚度B直接相關(guān)。表5是S500Q焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的斷裂韌度J0計(jì)算值和δ0計(jì)算值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，S500Q母材的斷裂韌性最低，J0值和δ0值分別為28.89 kJ/m2和0.028 mm；焊縫的斷裂韌性最高，J0值達(dá)到了224.75 kJ/m2，δ0值達(dá)到了0.160 mm。

表5 S500Q焊接接頭不同部位的J0值和δ0值

2.3 B780CF斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程采用位移控制，加載速率0.01 mm/s，通過(guò)COD引伸計(jì)記錄缺口張開(kāi)位移，同時(shí)存儲(chǔ)COD(mm)及載荷(kN)數(shù)據(jù)，B780CF焊縫、熱影響區(qū)和母材C(T)試樣的力與缺口張開(kāi)位移COD曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 B780CF焊接接頭試樣的力-缺口張開(kāi)位移COD曲線(xiàn)

表6是B780CF焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的斷裂韌度J0計(jì)算值和δ0計(jì)算值，J0值和δ0值是尺寸敏感的，與試樣厚度B直接相關(guān)。由結(jié)果可知，B780CF焊縫的斷裂韌性最低，J0值和δ0值分別為262.7 kJ/m2和0.157 mm，而熱影響區(qū)的斷裂韌性最高，J0值達(dá)到了451.6 kJ/m2，δ0值達(dá)到了0.244 mm。

表6 B780CF焊接接頭不同部位的J0值和δ0值

2.4 討論

有研究表明，鋼的顯微組織與斷裂韌性存在一定關(guān)系。S500Q焊縫組織為細(xì)小的島狀貝氏體+針狀鐵素體+少量珠光體，具有較高的斷裂韌性，是由于鐵素體作為塑性相，使裂紋尖端發(fā)生鈍化，從而增大裂紋擴(kuò)展的阻力。B780CF焊縫組織為先共析鐵素體+碳化物+少量第二相顆粒，斷裂韌性較低，這是由于碳化物和第二相粒子使裂紋沿低能消耗的晶界路徑迅速擴(kuò)展[6]。S500Q熱影響區(qū)為孿晶馬氏體，B780CF熱影響區(qū)為位錯(cuò)馬氏體，位錯(cuò)板條馬氏體改善斷裂韌性，是由于板條束對(duì)裂紋傳播有阻礙作用，孿晶的存在是提高強(qiáng)度的因素而對(duì)韌性不利，鋼的韌性隨孿晶密度的增高而降低，故而B(niǎo)780CF熱影響區(qū)的斷裂韌性顯著高于S500Q熱影響區(qū)[7]。S500Q母材組織為回火索氏體，其斷裂韌性最低，B780CF母材組織為回火索氏體+粒狀貝氏體，其斷裂韌性較高，這是由于生成回火索氏體的過(guò)程中，組織均勻性受到影響出現(xiàn)了斷裂韌性低谷，而粒狀貝氏體出現(xiàn)阻礙了裂紋擴(kuò)展，從而提高斷裂韌性[8]。

材料在斷裂時(shí)主要從材料最薄弱的部位，即其斷裂韌性較低的地方起裂，然后裂紋擴(kuò)展最終發(fā)生斷裂，因此在研究焊接接頭的斷裂韌性時(shí)應(yīng)重視斷裂韌性較低的部位。研究發(fā)現(xiàn)S500Q焊接接頭與B780CF焊接接頭斷裂韌性J0值和δ0值的趨勢(shì)一致，都與硬度無(wú)明顯聯(lián)系。S500Q焊接接頭抵抗裂紋擴(kuò)展能力最弱的位置是母材，最易在母材處起裂，而B(niǎo)780CF焊接接頭抵抗裂紋擴(kuò)展能力最弱的位置是焊縫，最易在焊縫中心處起裂。

3 結(jié)論

(1) 本文獲得了S500Q焊接接頭與B780CF焊接接頭在退火熱處理后，其焊縫、熱影響區(qū)和母材的斷裂韌性J0值和δ0值，并分析了焊縫組織與斷裂韌性的關(guān)系。結(jié)果表明，S500Q焊接接頭母材位置的斷裂韌性最低，J0值和δ0值分別為28.89 kJ/m2和0.028 mm，B780CF焊接接頭焊縫位置的斷裂韌性最低，J0值和δ0值分別為262.7 kJ/m2和0.157 mm。

(2) 本文解決了抽蓄機(jī)組進(jìn)行高強(qiáng)度等級(jí)鋼板S500Q焊縫和B780CF焊縫缺陷斷裂力學(xué)分析時(shí)存在的只能參照其他材料斷裂韌性的問(wèn)題，為抽蓄機(jī)組高強(qiáng)鋼板焊接部件的強(qiáng)度分析與壽命計(jì)算提供了重要依據(jù)。