Gleeble試驗中再熱裂紋敏感性評價方法探討

(合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

再熱裂紋是Cr-Mo鋼壓力容器安全使用的威脅之一[1-3]，早在20世紀70年代，我國壓力容器學(xué)會就牽頭組織國內(nèi)15個單位，采用6種方法對10種壓力容器用鋼進行再熱裂紋敏感性的試驗研究[4]。隨著改進型含V的Cr-Mo鋼的研發(fā)和使用，其再熱裂紋傾向更為突出，20世紀80年代，西安交通大學(xué)在插銷試驗中利用X-Y記錄儀記錄的載荷-位移曲線計算塑斷功，以此評價其再熱裂紋敏感性[5]。20世紀初期，中國一重結(jié)合加氫設(shè)備的制造，采用多種方法對加釩鋼及其焊材進行再熱裂紋試驗，并按API-A附錄B的要求作篩選[6]。

Gleeble試驗是對一定直徑的試樣進行高溫緩慢拉伸，在試樣斷裂后，測量斷口上3個截面的直徑，計算斷面收縮率來評價再熱裂紋敏感性。近年來，國內(nèi)外已有多篇關(guān)于再熱裂紋Gleeble試驗的報道[7-10]，在這些研究中，均是采用斷面收縮率(ROA)作為參量來評價材料的再熱裂紋敏感性。筆者在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)作為主要依據(jù)的斷面收縮率，其測量并不可靠，由于Gleeble試驗是采用試樣本身的電阻熱對試驗部位加熱，在試樣斷裂瞬間產(chǎn)生電弧，局部會發(fā)生熔化，斷口位置的電流很大，導(dǎo)致不規(guī)則的斷口截面難以準確測量(見圖1)，受人為因素影響且評定結(jié)果容易產(chǎn)生爭議。

圖1 再熱裂紋篩選試樣試驗后的斷口形貌

而在Gleeble試驗中，若利用試驗機記錄的載荷-位移曲線，計算載荷對位移的積分，得到試驗從開始拉伸到斷裂全過程所消耗的功，可以定量評價材料抗變形的能力，這在早期的類似試驗中都有采用，能否在Gleeble試驗中利用此變量來判斷材料的再熱裂紋敏感性?在焊縫金屬或熔敷金屬的再熱裂紋篩選試驗中采用內(nèi)積功作為評價指標(biāo)，可以客觀地反映其再熱裂紋敏感性。本文試圖對此進行探索研究。

1 試驗用材料和試驗方法

1.1 試驗用材料

本次試驗采用厚度為280 m的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件，供貨狀態(tài)為正火+回火，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1,2。

表1試驗用材料的化學(xué)成分%

元素CSiMnPSCrMoASTMA336要求值0.11～0.15≤0.100.30～0.60≤0.015≤0.0102.00～2.500.90～1.10實測值0.1330.070.560.00940.00322.450.99元素VCuNiTiBNbCaASTMA336要求值0.25～0.35≤0.20≤0.25≤0.030≤0.002≤0.07≤0.015實測值0.2680.0220.1610.00690.00310.0360.0007

表2 試驗用材料的力學(xué)性能

試驗采用規(guī)格為?4.0 mm、牌號US-521H的埋弧焊絲，配套焊劑牌號為PF-500，符合JIS Z3352 SACG1的要求。

1.2 再熱裂紋Gleeble試驗程序

對母材進行試驗時，先對試樣進行焊接熱循環(huán)的模擬[8]，然后再進行再熱裂紋Gleeble試驗；而對焊縫金屬則直接進行Gleeble試驗。Gleeble試驗程序和試驗過程曲線與文獻[8]相同。

1.3 內(nèi)積功計算方法

試驗過程中采用的是恒速拉伸直至試樣斷裂，其載荷與變形的關(guān)系如圖2所示。

針對試驗過程中某點D而言，其與上一時間點C組成的ABCD包圍的面積S可簡化計算如下：

Si=0.5(Pi-Pi-1)(Xi-Xi-1)

(1)

W=S0+S1+……

(2)

式中P——載荷，N；

X——變形量，mm；

W——內(nèi)積功，N·mm。

圖2 載荷與變形的關(guān)系示意

面積S表示在試樣變形從X1到X2期間，試驗裝置對試樣所做的功，對整個拉伸過程進行積分，得到的值即為在整個拉伸過程中試樣變形所做的功Wt，在此稱為內(nèi)積功。內(nèi)積功在一定程度上反映試樣在高溫拉伸過程中承受變形的能力，也可以看成反映材料抗再熱裂紋的能力。

打開Gleeble試驗機所記錄的試驗數(shù)據(jù)文件，可以看到試驗機所記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表3所示。

表3 Gleeble試驗機記錄的試驗數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其中,time(sec)為試驗時間計時，force(kgf)為載荷，stroke(cm)為變形，TC4(℃)為溫度。由于試驗數(shù)據(jù)量較大，為處理該數(shù)據(jù)，編制了一個試驗數(shù)據(jù)處理程序，程序框圖見圖3。程序首先計算屈服強度，得到變形的起始位置X0，將指針移至X0，讀取force字段和stroke字段的數(shù)據(jù)作為初值，然后指針加1，讀取第2個數(shù)據(jù)。按式(1),(2)計算當(dāng)前內(nèi)積功，繼續(xù)指針加1，讀取第3個數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前內(nèi)積功，并與上次內(nèi)積功合并，得到當(dāng)前累積的內(nèi)積功，依次類推，直至全部數(shù)據(jù)處理完，最后得到本次試驗的內(nèi)積功W。

圖3 由Gleeble試驗數(shù)據(jù)計算內(nèi)積功框圖

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 Gleeble試驗中的內(nèi)積功與插銷試驗結(jié)果的對比

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的Gleeble試驗結(jié)果處理時采用內(nèi)積功作為參量，與插銷試驗的結(jié)果[10]進行對比，結(jié)果見圖4。可以看出，隨著試驗溫度的升高，其內(nèi)積功和插銷試驗的斷裂時間均呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢，兩種方法測得的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件的再熱裂紋“C”形曲線十分接近，敏感溫度基本相同，均在690 ℃左右。

圖4 Gleeble試驗與插銷試驗的結(jié)果對比

2.2 Gleeble試驗中的內(nèi)積功與斷面收縮率的對比

在Gleeble試驗中分別以內(nèi)積功和斷面收縮率(ROA)為參量對試驗結(jié)果進行處理，分別對2.25Cr-1Mo-0.25V鋼及其焊縫金屬進行再熱裂紋敏感溫度的測量，其中，焊縫金屬試驗數(shù)據(jù)與比利時焊接研究所(BWI)的試驗結(jié)果[11]進行對比，見圖5,6。

圖5 Gleeble試驗中內(nèi)積功與ROA對比

由圖5,6可以看出，Gleeble試驗得到內(nèi)積功和ROA作為參量的試驗結(jié)果基本一致，其再熱裂紋敏感溫度也相同，其中2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊縫金屬采用內(nèi)積功的結(jié)果與本次試驗采用ROA及國外試驗結(jié)果有很好的對應(yīng)關(guān)系，說明Gleeble試驗可采用內(nèi)積功參量測試材料的再熱裂紋敏感溫度。

圖6 焊縫金屬Gleeble試驗中內(nèi)積功與ROA對比

2.3 Gleeble試驗中采用內(nèi)積功作為再熱裂紋評價的可行性分析

斷面收縮率是衡量材料塑性變形能力的指標(biāo)，Gleeble再熱裂紋試驗中，采用試樣拉斷時斷裂部位的截面積與原始截面積之差，除以原始截面積之商的百分數(shù)即為斷面收縮率。斷面收縮率越小，說明拉伸過程中僅發(fā)生少量的變形即發(fā)生斷裂，材料高溫下抵抗變形的能力較差，對再熱裂紋敏感性高。所以，斷面收縮率一定程度上可以反映材料的再熱裂紋敏感性。

內(nèi)積功是將Gleeble高溫拉伸過程中的載荷對位移進行積分，其表征的是材料在高溫下抵抗變形的能力。隨著試驗溫度的提高，材料的強度下降，拉伸載荷相對較低，載荷對位移積分所得到的內(nèi)積功呈下降趨勢；在再熱裂紋敏感溫度附近，晶界強度低于晶內(nèi)強度，拉伸產(chǎn)生的變形主要集中于晶界，隨著拉伸應(yīng)力的持續(xù)，相對弱化的晶界首先產(chǎn)生空穴，且空穴長大逐漸形成微裂紋。若繼續(xù)拉伸，裂紋會快速擴展，直至斷裂，在敏感溫度附近，由于斷裂時間縮短，實際計算的內(nèi)積功較小。

當(dāng)試驗溫度升高后，晶界與晶內(nèi)強度趨于一致，材料抗高溫變形能力增加，雖然載荷有所下降，但斷裂時間延長，積分得到的內(nèi)積功有所增加，在試驗溫度范圍內(nèi)得到一種“C”形曲線，對應(yīng)最小內(nèi)積功的溫度為再熱裂紋敏感溫度。由于內(nèi)積功反映的是HAZ粗晶區(qū)在不同溫度下的塑性儲備，相對而言，采用內(nèi)積功更能準確反映材料的再熱裂紋敏感性[12]。對前期SA543鋼Gleeble再熱裂紋試驗過程數(shù)據(jù)進行處理，采用內(nèi)積功作為參量的再熱裂紋“C”形曲線與插銷試驗的結(jié)果[13]進行對比如圖7所示，可以看出，采用內(nèi)積功參量測得的再熱裂紋敏感溫度也與插銷試驗結(jié)果吻合。這說明，不同的材料均可采用內(nèi)積功參量來測試其再熱裂紋敏感溫度。

圖7 SA543鋼Gleeble試驗結(jié)果與插銷試驗對比

目前各種材料的Gleeble試驗數(shù)據(jù)較少，以現(xiàn)存的試驗數(shù)據(jù)提出內(nèi)積功的再熱裂紋敏感性判據(jù)尚不嚴密?？上葏⒄誖OA判據(jù)間接推算內(nèi)積功的判據(jù)，例如2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的Gleeble試驗內(nèi)積功與ROA的對應(yīng)關(guān)系(見圖8)。

圖8 Gleeble試驗中內(nèi)積功與ROA的對應(yīng)關(guān)系

對圖8中的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的Gleeble試驗中內(nèi)積功與ROA的關(guān)系式如下：

內(nèi)積功=850×ROA-5240

(3)

一般認為，當(dāng)ROA<20%時，認為該材料對再熱裂紋敏感。這樣，ROA=20%，按式(3)計算得對應(yīng)的內(nèi)積功為11 760 N·mm，則可以認為當(dāng)內(nèi)積功大于11 760 N·mm時，該材料對再熱裂紋不敏感，反之，則對再熱裂紋敏感。本次試驗中敏感溫度下的內(nèi)積功為3 398 N·mm，可見該材料有一定的再熱裂紋敏感性，這與插銷試驗的結(jié)果基本吻合[10]。

在相同的試驗條件下，內(nèi)積功受材料高溫強度的影響，若采用內(nèi)積功來衡量再熱裂紋敏感性需考慮材料高溫強度的影響，也可將內(nèi)積功折合成最大殘余應(yīng)力(約為高溫屈服強度的80%)下的變形量來比較，此項工作尚需諸多的試驗研究以及大量的工程積累，才能準確地評價材料的再熱裂紋敏感性，并避免再熱裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1)對Gleeble試驗過程中的載荷對位移的積分，可得到內(nèi)積功參數(shù)。通過2.25Cr-1Mo-0.25V鋼材和焊縫金屬以及SA543鋼的Gleeble試驗數(shù)據(jù)處理表明：采用內(nèi)積功來測試材料的再熱裂紋敏感溫度是可行的。

(2)通過對ROA值與內(nèi)積功值對應(yīng)關(guān)系的分析，可以采用現(xiàn)行評價再熱裂紋敏感性的ROA判據(jù)來推算內(nèi)積功臨界值，隨著試驗數(shù)據(jù)的積累，期望得到更加準確的內(nèi)積功判據(jù)來評價材料的再熱裂紋敏感性。