基于深度敏感壓痕研究高溫時效對HR3C/T92異種鋼焊接接頭局部力學(xué)性能的影響

孔文博　周正強　鄭宏曄　葉篤毅

摘 要 應(yīng)用深度敏感壓痕技術(shù)（DSI）研究了高溫時效對HR3C/T92焊接接頭局部力學(xué)性能的影響。通過引入壓痕特征參量來表征焊接接頭各區(qū)域的強度、塑性與韌性，采用Oliver和Pharr方法計算彈性模量，并結(jié)合微觀組織結(jié)構(gòu)演化對時效后HR3C/T92焊接接頭局部力學(xué)性能的變化進行了分析。結(jié)果表明：高溫時效后，HR3C側(cè)與焊縫的強度增強，塑性與韌性下降，但在T92一側(cè)，力學(xué)性能的變化與之相反；高溫時效后，HR3C側(cè)與焊縫中析出大量的第二相粒子；在T92一側(cè)，馬氏體板條出現(xiàn)回復(fù)，位錯出現(xiàn)湮滅。

關(guān)鍵詞 HR3C/T92異種鋼 深度敏感壓痕 高溫時效 焊接接頭 局部力學(xué)性能

中圖分類號 TQ050.4+1? ?文獻標(biāo)識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0148?10

近年來，隨著超（超）臨界火電機組的發(fā)展，一些新型耐熱鋼（如HR3C奧氏體耐熱鋼、T92馬氏體耐熱鋼等）及其焊接接頭已被廣泛應(yīng)用于鍋爐再熱器、過熱器等關(guān)鍵設(shè)備中［1］。對于HR3C/T92異種鋼焊接接頭，由于受焊接溫度梯度的影響，接頭各區(qū)域（如焊縫（WM）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）），尤其是相鄰區(qū)域的交界處微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能均存在較大差異，例如T92熱影響區(qū)可進一步細分為粗晶區(qū)（CGHAZ）和細晶區(qū)（FGHAZ）。上述接頭區(qū)域組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的不均勻性往往會造成HR3C/T92異種鋼焊接接頭的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象［2］，并嚴(yán)重影響接頭的服役安全性。目前有關(guān)HR3C/T92異種鋼焊接接頭的力學(xué)性能已開展了一些研究工作，例如SONG Y M等研究了不同溫度下接頭的拉伸力學(xué)性能［3］；陳國宏等研究了時效時間對HR3C/T92焊接接頭力學(xué)性能的影響等［4，5］。但已有的研究工作主要是針對焊接接頭整體的力學(xué)性能，較少涉及焊接接頭各區(qū)域的局部力學(xué)性能。由于傳統(tǒng)的拉伸試驗很難獲得焊接接頭的局部力學(xué)性能，因此研究學(xué)者［6～10］采用新型力學(xué)試驗技術(shù)——深度敏感壓痕（DSI）來測試焊接接頭各區(qū)域的力學(xué)性能。例如PHAM THAI?HOAN等應(yīng)用DSI測試并結(jié)合逆向算法研究了結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭的局部力學(xué)性能［7，8］；WU S等應(yīng)用球形壓頭獲得了304奧氏體鋼焊接接頭的局部力學(xué)性能［9］；KHARACHENKO V V等應(yīng)用DSI測試確定了10GN2MFA焊接接頭的局部力學(xué)行為等［10］。這些研究表明，應(yīng)用深度敏感壓痕測試來獲得焊接接頭局部力學(xué)性能具有較高的可靠性。

考慮到超（超）臨界機組中HR3C/T92異種鋼焊接接頭大多在高溫環(huán)境下長期服役，焊接接頭的局部力學(xué)性能會隨著服役時間的增加而發(fā)生改變。因此，為了確保電廠設(shè)備能夠安全服役，有必要研究高溫時效對HR3C/T92異種鋼焊接接頭局部力學(xué)性能的影響，從而為高溫部件的金屬監(jiān)督提供試驗依據(jù)。在此，筆者應(yīng)用DSI技術(shù)，結(jié)合壓痕特征參量，研究高溫時效對HR3C/T92異種鋼焊接接頭局部力學(xué)性能（包括強度、塑性和韌性）的影響，并結(jié)合微觀組織結(jié)構(gòu)演化進一步對其物理機制進行分析。

1 基于壓痕載荷-壓入深度（P?h）曲線的力學(xué)性能

圖1為典型的彈塑性材料的壓痕載荷-壓入深度（P?h）曲線。

P?h曲線包含加載段和卸載段兩部分，從該曲線中可以提取出一些壓痕特征參量，例如最大壓入深度h、卸載剛度S、殘余深度h和塑性功W。材料的硬度為P/A，其中P為最大載荷，A為對應(yīng)的真實投影面積。對于維氏壓頭，A=24.5h，其中，h=h-0.75×P/S［11］。TABOR D認為，材料的硬度與其強度是相關(guān)的［12］，一些研究表明，對于韌性材料其硬度值是其屈服強度的3倍左右［13，14］。卸載剛度S是與材料彈性模量有關(guān)的參數(shù)［14］，材料的彈性模量E可通過O?P法［11］獲得：

其中，β為與壓頭形狀有關(guān)的系數(shù)（對于維氏壓頭，β=1.012），E為等效彈性模量，E、ν為材料的彈性模量、泊松比，E、ν為壓頭的彈性模量、泊松比。

KIM JUNG J等研究表明殘余深度hr表征的是材料的變形能力，可以廣義地解釋為材料的塑性［8，13］；YE D Y等認為塑性功W為材料在整個壓痕過程中能量耗散的能力，與材料的韌性是相關(guān)的［13］。因此，采用上述壓痕特征參量可以獲得材料局部的彈塑性性能。

2 實驗材料與方法

本課題研究的異種鋼焊接接頭由?45 mm×9.5 mm的HR3C和T92無縫鋼管構(gòu)成母材，焊絲為ERNiCrMo?3，其化學(xué)成分見表1。

采用鎢極氬弧焊（GTAW），V型坡口，單邊坡口角度為30～35°，鈍邊為0.5～1.0 mm，對口間隙為3～4 mm，氬氣純度為99.99%，氣體流量為6～9 L/min。焊前預(yù)熱溫度為150～200 ℃，焊接時的焊接電流與電壓分別是80～110 A與10～14 V，焊后熱處理溫度為760 ℃，保溫時間為1.5 h。試驗前用X射線和超聲波對焊接接管進行無損檢測，將檢測合格的焊接接管放入加熱爐內(nèi)，在700 ℃下時效5 000 h。

采用線切割對時效前后焊接接管（包含HR3C、WM和T92）進行取樣，試樣包括兩側(cè)母材、熱影響區(qū)與焊縫，并將試樣表面進行拋光處理。采用DUH?210S超顯微動態(tài)硬度計對拋光后的試樣進行壓痕試驗，最大載荷為1 000 mN，保載時間為15 s。圖2為上述接頭試樣的壓痕測點布置，其中，T92粗晶區(qū)和細晶區(qū)相鄰壓痕點之間的距離為0.15 mm，其他區(qū)域相鄰壓痕點的間隔為0.30 mm。采用光學(xué)顯微鏡（Keyence VHX?1000C）和透射電鏡TEM（Hitachi H?900）分別對時效前后HR3C/T92焊接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)進行觀察。

3 實驗結(jié)果

3.1 HR3C/T92異種鋼焊接接頭局部力學(xué)性能

圖3為HR3C/T92異種鋼焊接接頭的壓痕圖以及時效前后HR3C/T92焊接接頭各區(qū)域（BM、HAZ、WM）的典型P?h曲線。從圖3中可以看到，時效后，HR3C母材、HR3C熱影響區(qū)、焊縫處的最大壓入深度h和殘余深度h皆下降，但是在T92一側(cè)上述兩個壓痕特征參量出現(xiàn)了上升現(xiàn)象。同時也可以看出，時效對焊縫和T92熱影響區(qū)的P?h曲線的影響較其他區(qū)域更加顯著。

通過P?h曲線可以獲得時效前后HR3C/T92焊接接頭各區(qū)域的壓痕特征參量分布（圖4）。

圖4a為時效前后HR3C/T92焊接接頭硬度分布圖，可以看出，時效前，在T92熱影響區(qū)中，隨著距焊縫距離的增加硬度降低，臨近焊縫處的T92 CGHAZ硬度為整個焊接接頭中的最高值，在T92 HAZ與母材交界區(qū)域，T92一側(cè)硬度最低，該區(qū)域被稱為軟化區(qū)（圖4a中藍色箭頭處），而在焊接接頭的其他區(qū)域，硬度分布較為均勻；時效后，焊縫的硬度為整個焊接接頭中的最高值，約為HV350，與時效前相比，增加了約40%，HR3C一側(cè)硬度值上升了19%左右，但在T92熱影響區(qū)中，硬度發(fā)生了顯著下降，尤其是臨近焊縫處的T92粗晶區(qū)中，硬度值下降約26%，T92母材處的硬度下降約9%。由于硬度與強度是相關(guān)的，所以長期高溫時效會增加HR3C與焊縫的強度，而降低T92的強度。從圖4b、c中可以看到，時效前后h、W在焊接接頭各區(qū)域上的分布規(guī)律基本相同，時效后焊縫的h、W值為整個焊接接頭中的最低值，與時效前相比，其值分別下降了12%和16%，HR3C一側(cè)的h、W值分別下降了5%和11%。在T92一側(cè)的熱影響區(qū)中，尤其是T92臨近焊縫的粗晶區(qū)處，h、W值顯著上升，分別上升了25%和28%。在T92母材處，h、W分別上升了5%和6%。上述結(jié)果表明，時效后HR3C一側(cè)以及焊縫的塑性和韌性都會下降，但是在T92一側(cè)這兩個力學(xué)性能是上升的。對于彈性模量E而言（圖4d），時效并不會影響HR3C一側(cè)以及焊縫的彈性模量，但是會使得T92一側(cè)的彈性模量上升?？傮w而言，時效對HR3C和焊縫的強度、塑性以及韌性的影響與對T92的影響相反，且對焊縫和T92熱影響區(qū)的影響相較其他區(qū)域更為顯著。

3.2 HR3C/T92異種鋼焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)

3.2.1 HR3C母材（BM）和熱影響區(qū)（HAZ）

圖5為時效前后HR3C一側(cè)的金相圖。

從圖5a、b中可以看出，時效前HR3C母材和熱影響區(qū)為典型的奧氏體組織。一些第二相粒子在晶內(nèi)析出，在其熱影響區(qū)中存在一些退火孿晶，母材處沒有發(fā)現(xiàn)孿晶。從圖5c、d可看出，時效后HR3C依然為奧氏體結(jié)構(gòu)，與時效前相比，時效后母材與熱影響區(qū)中析出的第二相粒子數(shù)目明顯增多，且晶界發(fā)生了明顯粗化，母材處出現(xiàn)了孿晶。HR3C母材與HAZ處的奧氏體晶粒尺寸并沒有發(fā)生明顯變化，表明時效對HR3C晶粒的影響較小但是對第二相粒子的析出影響較大。TEM和EDS（圖6）結(jié)果表明，時效前（圖6a、b），晶內(nèi)的第二相粒子為圓形的NbCrN（Z相），其直徑尺寸約為200 nm。時效后（圖6c、d），晶界處存在兩種形狀的粒子，文獻［14］表明晶界處鏈狀的粒子為M23C6，EDS結(jié)果表明圓形的粒子為MX（圖6d、e），在晶內(nèi)析出的第二相粒子形態(tài)為觸須狀（圖6f），文獻［14，15］表明這種粒子為Z相。

3.2.2 焊縫（WM）

圖7為時效前后焊縫的微觀組織結(jié)構(gòu)圖。時效前（圖7a），焊縫為典型的枝晶結(jié)構(gòu)，在晶界上析出了一些第二相粒子MC［16］（圖7b）。時效后（圖7c），大量的針狀組織在枝晶界附近析出，從圖7d中可以看出，有兩種類型的粒子在基中析出，分別為橢球狀的γ″和針狀的δ相［16～18］，長度分別為0.5、3.0 μm。

3.2.3 T92熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）

圖8、9為時效前后T92一側(cè)的微觀組織結(jié)構(gòu)圖。T92的熱影響區(qū)（HAZ）包含粗晶區(qū)（CGHAZ）和細晶區(qū)（FGHAZ），從圖8中可以看出，粗晶區(qū)與母材具有明顯的馬氏體板條但是在細晶區(qū)中板條結(jié)構(gòu)不夠明顯。從TEM圖中可以看出，時效前T92母材的馬氏體板條內(nèi)具有的位錯密度較高，在一些晶體內(nèi)部出現(xiàn)了位錯網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一些圓棒狀第二相粒子在其板條晶界處析出，研究表明該粒子為M23C6粒子［19～21］（圖8e）。時效后，T92中馬氏體板條發(fā)生了回復(fù)，特別是在T92粗晶區(qū)內(nèi)，馬氏體板條基本完全消失（圖9a、b），基體中析出了一些第二相粒子（圖9b～d）。TEM和EDS結(jié)果（圖9e、f）顯示，時效后T92馬氏體板條轉(zhuǎn)化為塊狀的鐵素體（亞晶），且在大多數(shù)亞晶中并未發(fā)現(xiàn)位錯，在其晶界處析出尺寸較大的Laves相粒子，約1 000 nm。

4 分析與討論

結(jié)合微觀組織結(jié)構(gòu)的演化對時效前后焊接接頭局部力學(xué)性能變化機制進行分析與討論。

在高溫時效過程中，HR3C母材和熱影響區(qū)晶內(nèi)析出大量的Z相粒子（圖6f），一般認為其是由MX粒子轉(zhuǎn)變而來［15］。從圖6f中可以看到，Z相周圍聚集著大量的位錯，表明Z相具有較強的釘扎位錯能力。這些彌散分布的第二相粒子會阻礙位錯的移動，從而提高材料的強度［22］。由于HR3C層錯能較低［15］，在長期高溫條件時效下，孿晶數(shù)目將增加，從而進一步增加HR3C一側(cè)的強度。上述微觀組織結(jié)構(gòu)演化最終使得時效后HR3C一側(cè)強度增加。時效后HR3C塑性下降與其強度的上升是相關(guān)的（圖4a、b），其原因主要與晶界和晶內(nèi)析出的粒子有關(guān)。晶界相對于晶內(nèi)而言具有較高的界面能［15］，從而使得一些MC和MX粒子優(yōu)先在晶界上析出（圖6c、d）。在時效過程中MC粒子沿著晶界生長最終導(dǎo)致其形狀為棒狀（圖6c），這些第二相粒子（MC、MX、Z相）阻礙了位錯的運動，從而造成位錯在該粒子周圍堆積，難以發(fā)生運動，使得粒子周圍發(fā)生應(yīng)力集中，進而造成孔洞的形核，降低HR3C的塑性［15］。同時，由于時效后晶界處MC析出，該粒子沿著晶界長大會降低晶界之間的內(nèi)聚力，從而使得HR3C一側(cè)更加容易發(fā)生沿晶斷裂［15］，降低HR3C一側(cè)的韌性。對于彈性模量，其受到第二相粒子的影響較小，所以其值在時效后并沒有發(fā)生明顯的變化。

對于焊縫ERNiCrMo?3，根據(jù)文獻［17］，在700 ℃下時效10 h后γ″粒子開始形核，隨著時效時間的增加，γ″粒子逐漸長大粗化，其形狀由球形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球形（圖7d）。但是由于γ″粒子為亞穩(wěn)定粒子，在長期時效過程中會重新溶解，造成其周圍的Nb含量增加，最終導(dǎo)致δ相析出［18］。δ相在700 ℃時效100 h時在晶界處開始形核，其最終的形狀為針狀［16］。時效后γ″析出（圖7c、d），由于該粒子與基體之間的界面為半共格，從而造成位錯在切過該粒子時界面能增加，使得焊縫強度提高［23］。同時，δ相的析出也會阻礙焊縫中位錯的運動，最終造成時效后焊縫硬度大幅上升（圖4a），但是這些粒子使得位錯移動更加困難，最終導(dǎo)致焊縫的塑性下降（圖4b）。在晶界處析出的δ相降低焊縫晶界的內(nèi)聚力，最終導(dǎo)致焊縫的韌性下降（圖4c）。與HR3C一側(cè)相似，除析出第二相粒子外，時效后的焊縫組織結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變，所以其彈性模量并沒有發(fā)生明顯改變。

T92的強化機制主要為固溶強化、彌散強化、亞結(jié)構(gòu)強化和位錯強化［24］。在焊接過程中，隨著距焊縫距離的增加，T92熱影響區(qū)溫度逐漸下降，造成溶解的碳化物數(shù)目逐漸下降［21］，導(dǎo)致其固溶強化逐漸降低，從而使得T92熱影響區(qū)強度逐漸下降。在T92熱影響區(qū)與母材交界的區(qū)域，由于該處的溫度沒有達到T92的AC1線，故焊接過程中該處并沒有發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，且其溫度與回火溫度接近，在焊接過程中該區(qū)域相當(dāng)于進行了一次回火處理［25］，從而造成該處硬度為T92一側(cè)最低值（圖4a）。在700 ℃下長期時效過程中，原溶解的合金原子會重新析出，導(dǎo)致T92一側(cè)尤其是粗晶區(qū)中馬氏體板條發(fā)生回復(fù)［26］，造成T92基體釘扎位錯的能力下降，時效后，晶體內(nèi)部大量位錯發(fā)生回復(fù)［24］，尤其是位錯網(wǎng)的消失（圖9e），會顯著降低T92一側(cè)強度。時效過程中合金原子在晶界上的擴散速度要快于晶內(nèi)，Laves相優(yōu)先在晶界處析出（圖9e），由于該粒子的尺寸較大，根據(jù)Orawan機制，第二相粒子尺寸越大，位錯越容易繞過，并且由于Laves相的析出與粗化又會消耗基體內(nèi)的合金原子，從而使得固溶強化降低。上述一系列微觀組織結(jié)構(gòu)的演變最終導(dǎo)致T92一側(cè)在時效后硬度發(fā)生了明顯下降。這些微觀組織結(jié)構(gòu)演化又使得位錯運動更加容易，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中和孔洞的形核，所以時效后T92塑性也相應(yīng)的上升了。對于韌性而言，一些研究表明時效處理會降低T92的韌性［27］，其原因是粗化的Laves相弱化了晶界，但是在本文中時效后韌性的上升可能與馬氏體轉(zhuǎn)化為塊狀鐵素體有關(guān)。彈性模量一般受晶格畸變的影響［28］，時效后一些原溶解在基體內(nèi)部的原子又重新析出，造成晶體內(nèi)晶格畸變下降，最終導(dǎo)致彈性模量上升。

5 結(jié)論

5.1 HR3C/T92焊接接頭高溫時效后，T92一側(cè)強度呈下降趨勢，塑性與韌性則有所提高，而HR3C一側(cè)以及焊縫處，上述力學(xué)性能呈現(xiàn)相反變化趨勢。同時，高溫時效會顯著影響T92一側(cè)的彈性模量，但對焊接接頭其他區(qū)域的彈性模量影響不顯著。

5.2 高溫時效后，HR3C晶界發(fā)生粗化，晶界處析出鏈狀M23C6粒子和圓形MX粒子，在其晶內(nèi)析出觸須狀的Z相粒子；焊縫晶界附近析出橢球狀的γ″和針狀的δ相。在T92側(cè)，高溫時效使得馬氏體板條發(fā)生回復(fù)并逐漸向塊狀鐵素體轉(zhuǎn)變，晶體內(nèi)部的位錯消失，在其晶界處會析出尺寸較大的Laves相。

5.3 高溫時效后，HR3C與焊縫強度增加主要是由基體中析出的第二相粒子阻礙了位錯運動而引起的；T92一側(cè)，馬氏體板條的回復(fù)、晶體內(nèi)部的位錯密度下降以及晶界處Laves相的析出共同造成了其強度下降。在時效過程中，T92一側(cè)合金元素析出，晶格畸變程度降低，最終導(dǎo)致T92側(cè)彈性模量有所上升。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-04-11，修回日期：2023-03-08）

DSI?based Studies of the Effects of High?temperature Aging?on Local Mechanical Properties of HR3C/T92 Dissimilar?Steel Welded Joint

KONG Wen?bo1， ZHOU Zheng?qiang2， ZHENG Hong?ye2， YE Du?yi1

（1. College of Energy Engineering， Zhejiang University；

2. Electric Power Research Institute， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.）

Abstract? ?In this paper， depth?sensing indentation （DSI） testing was used to study the effect of long?term high?temperature aging on local mechanical properties of HR3C/T92 dissimilar welded joints. The strength， ductility and toughness in particular zones of the welded joints were characterized by employing indentation characteristic parameters， and the elastic modulus was calculated by using Oliver and Pharr method. The change of local mechanical properties of HR3C/T92 was also analyzed by observing the microstructural evolution. The results show that， after the high?temperature aging， the strength in the HR3C side and weld metal became increased but the ductility and toughness in these zones decreased， while in the T92 side， a contrary tendency was found； in addition， after the hign?temp?eratore aging， extensive second phase particles become precipitated in HR3C and weld metal； and in the T92 side， the recovery of martensitic laths and the disappearance of dislocations were also observed.

Key words? ?HR3C/T92 dissimilar steel， DSI， high?temperature aging， welded joint， local mechanical property

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51675475）。

作者簡介：孔文博（1992-），碩士研究生，從事異種鋼焊接接頭力學(xué)性能與微觀組織結(jié)構(gòu)的研究。

通訊作者：葉篤毅（1963-），教授，從事金屬材料力學(xué)與微觀機制的研究，duyi_ye@zju.edu.cn。

引用本文：孔文博，周正強，鄭宏曄，等.基于深度敏感壓痕研究高溫時效對HR3C/T92異種鋼焊接接頭局部力學(xué)性能的影響［J］.化工機械，2023，50（2）：148-157.