焊接熱循環(huán)對(duì)低合金鋼組織及性能的影響

(1.中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124;2.上海電氣核電設(shè)備有限公司,上海 201306)

0 引言

低合金鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、抗輻照性能以及較低的制造成本，作為核島主設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于壓力容器、蒸汽發(fā)生器以及穩(wěn)壓器的制造[1-6]。核島主設(shè)備一回路的服役環(huán)境為高溫高壓水介質(zhì)，為提高結(jié)構(gòu)材料的耐腐蝕性能，通常會(huì)在低合金鋼表面堆焊一定厚度的不銹鋼或鎳基耐蝕層[7-8]。為保證核島設(shè)備運(yùn)行的持續(xù)性，在產(chǎn)品制造過(guò)程中對(duì)堆焊層的性能提出較高的考核要求，對(duì)堆焊層中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷須完全去除并進(jìn)行補(bǔ)焊。對(duì)于挖除深度達(dá)到低合金鋼母材的情況，補(bǔ)焊時(shí)的多次熱循環(huán)可能會(huì)加速低合金鋼性能的退化，因此有必要就補(bǔ)焊過(guò)程中低合金鋼組織和性能的變化開(kāi)展研究。本文以SA508Gr.3Cl.2低合金鋼為研究對(duì)象，分析焊接熱循環(huán)對(duì)其力學(xué)性能、組織形貌的影響。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)?zāi)覆牟捎玫秃辖痄撳懓錝A508Gr.3Cl.2，材料的化學(xué)成分如表1所示，相應(yīng)要求值滿足ASME規(guī)范。采用Gleeble熱模擬機(jī)進(jìn)行不同熱循環(huán)組合下低合金鋼材料的組織和性能評(píng)價(jià)，其熱循環(huán)參數(shù)如表2所示。A(D),B(E),C(F)分別代表低合金鋼熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)以及靠近熱影響區(qū)的母材。第1次熱循環(huán)模擬低合金鋼初次焊接時(shí)的熱循環(huán)，第2,3次熱循環(huán)分別模擬初焊2次、3次過(guò)程中的熱循環(huán)。試樣分為6組，每組2個(gè)試樣，前3組試樣為兩次補(bǔ)焊試樣，后3組試樣為一次補(bǔ)焊試樣。每組試樣的設(shè)計(jì)溫度曲線和實(shí)際溫度曲線如圖1所示，層間溫度250 ℃，升溫速度30 ℃/s，降溫速度50 ℃/s，其中一個(gè)試樣直接做沖擊試驗(yàn)，另一個(gè)試樣熱處理后再做沖擊試驗(yàn)。

表1 SA508Gr.3Cl.2化學(xué)成分要求及實(shí)測(cè)值 %

表2 模擬工藝參數(shù)

(a)試樣A1,A2(b)試樣B1,B2(c)試樣C1,C2

(d)試樣D1,D2(e)試樣E1,E2(f)試樣F1,F2

圖1 Gleeble熱循環(huán)曲線

1.2 試樣分析

為清晰表征低合金鋼的組織形貌，利用電火花線切割制造金相樣品，采用400#～2000#砂紙依次磨制、拋光，隨后用Vilella′s試劑(1 g苦味酸、5 ml濃鹽酸、100 ml酒精)進(jìn)行腐蝕。利用Axiovert 40MAT光學(xué)顯微鏡(OM)及VEGAXMU掃描電鏡(SEM)表征金相試樣及沖擊斷口的顯微形貌。熱模擬試驗(yàn)完成后，將試樣加工成10 mm×10 mm×55 mm的ASTM標(biāo)準(zhǔn)夏比V形缺口沖擊試樣，V形缺口開(kāi)在Gleeble熱模擬試驗(yàn)的熱電偶接入處，即熱影響區(qū)內(nèi)溫度最高點(diǎn)。使用JB-30B/008擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，環(huán)境溫度為-21 ℃。

2 結(jié)果和討論

2.1 試樣沖擊韌性

圖2 Gleeble試樣的沖擊性能

經(jīng)不同熱循環(huán)處理試樣的沖擊性能如圖2所示，其中A1,B1,C1,D1,E1,F1為熱循環(huán)處理后無(wú)焊后熱處理試樣；A2,B2,C2,D2,E2,F2為經(jīng)610 ℃×4.5 h熱處理后的試樣?？梢钥闯?，每一組試樣中，經(jīng)過(guò)熱處理后的試樣沖擊韌性都優(yōu)于未處理的試樣，尤其是D,E,F三組試樣，熱處理可顯著提升試樣的沖擊韌性。此外，D,E,F三組試樣的沖擊性能均高于A,B,C，兩者相比較可知，A,B,C三組試樣經(jīng)歷了3次1 100 ℃以上的熱循環(huán)。因此，為保證SA508Gr.3Cl.2低合金鋼的沖擊韌性，補(bǔ)焊過(guò)程中應(yīng)盡量避免在同一位置經(jīng)受2次以上的1 100 ℃熱循環(huán)。

2.2 斷口形貌

采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)沖擊斷口進(jìn)行觀察。沖擊試樣斷口一般由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3個(gè)部分構(gòu)成。圖3，4分別示出了試樣無(wú)熱處理熱模擬試樣(D1)和熱處理后的熱模擬試樣(D2)的沖擊斷口形貌。由宏觀形貌可知，經(jīng)熱處理后試樣斷口的纖維區(qū)和剪切唇所占比例較大，即沖擊過(guò)程中能量消耗較多，其沖擊韌性較好。由微觀形貌可知，熱處理后試樣的斷口韌窩的尺寸大而深，無(wú)熱處理試樣的斷口韌窩較小并且存在較多的脆性斷口形貌。根據(jù)斷口的宏觀、微觀形貌可知，經(jīng)熱處理后試樣韌性得到明顯提升。此外，呂曉春等[9]研究了焊接熱循環(huán)低合金鋼臨界粗晶區(qū)組織和性能的影響，結(jié)果表明焊態(tài)的熱影響區(qū)粗晶組織的原奧氏體晶界處生成了項(xiàng)鏈狀的馬氏體組織,其韌性較差，使得粗晶區(qū)的性能惡化。經(jīng)過(guò)焊后熱處理后，馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，其沖擊韌性得到明顯的改善。

(a)宏觀形貌 (b)微觀形貌

圖3 無(wú)熱處理試樣沖擊斷口形貌

2.3 組織形貌

圖5,6分別示出了經(jīng)過(guò)兩次熱循環(huán)(試樣A)以及一次熱循環(huán)(試樣D)的試樣微觀形貌。

(a)試樣A1(b)試樣A2

圖5 試樣A1和A2微觀形貌

由圖5(a),6(a)中可以看出，試樣A,D的晶粒尺寸分別約為75 μm,35 μm，可知經(jīng)過(guò)兩次1 100 ℃熱循環(huán)可顯著增加材料的晶粒尺寸。粗大的晶粒減少了晶界所占的比例，在應(yīng)力作用下裂紋較易在晶界處萌生、擴(kuò)展，降低了材料對(duì)沖擊裂紋擴(kuò)展的阻礙作用，因此兩次熱循環(huán)后，試樣A的沖擊能量吸收值低于一次熱循環(huán)試樣D，如圖2所示。經(jīng)熱處理后，在晶界、亞晶界均有碳化物析出；此外，熱處理可促進(jìn)位錯(cuò)滑移，有效地提高了基體的韌性[9-10]，因此經(jīng)過(guò)熱處理后，試樣的沖擊吸收能量會(huì)有明顯提升(見(jiàn)圖2)。

(a)試樣D1(b)試樣D2

圖6 試樣D1和D2微觀形貌

3 結(jié)論

本文通過(guò)Gleeble熱模擬試驗(yàn)，研究了補(bǔ)焊過(guò)程中的焊接熱循環(huán)對(duì)SA508Gr.3Cl.2低合金鋼組織及性能的影響，得到如下結(jié)論。

(1)補(bǔ)焊過(guò)程中，多次高溫?zé)嵫h(huán)顯著降低了SA508Gr.3Cl.2低合金鋼的沖擊韌性。

(2)多次高溫?zé)嵫h(huán)促進(jìn)了SA508Gr.3Cl.2低合金鋼的晶粒尺寸增加，降低了材料的沖擊韌性。

(3)焊后熱處理可有效提高材料的沖擊能量吸收值。