尚建路 石云哲 呂一仕 劉肖 成鵬 王淦剛 趙建倉

摘要： 采用插銷試驗(yàn)的方法研究不同貝氏體含量的12Cr1MoVG鋼對(duì)再熱裂紋敏感性的影響，結(jié)果表明在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，兩種原始組織狀態(tài)不同的12Cr1MoVG鋼隨著試驗(yàn)溫度的升高，其臨界斷裂初應(yīng)力呈現(xiàn)先下降后上升的基本趨勢(shì)，原始組織狀態(tài)為鐵素缽+貝氏體組織的12Cr1MoVG鋼的再熱裂紋最敏感溫度高于原組織粒狀貝氏體組織+少量鐵素體的再熱裂敏感溫度。

關(guān)鍵詞： 12Cr1MoVG鋼；插銷試驗(yàn)；貝氏體；再熱裂紋；組織

中圖分類號(hào)： TK225

Effect of the original microstructure on the reheated cracks sensitivity

of 12Cr1MoVG steel

Shang Jianlu，Shi Yunzhe， Lü Yishi， Liu Xiao， Cheng Peng， Wang Gan′gang， Zhao Jiancang

（Suzhou Nuclear Power Research Institute Co. Ltd.， Suzhou 215004，China）

Abstract： In this paper， the effect of different Bayesian content on reheat crack sensitivity of 12Cr1MoVG steel by implant test method is studied. The results show that within the experimental temperature range，The Critical initial stress shows a trend of rising after the first fall with the increase os the test temperature of 12Cr1MoVG steel with two kinds of original microstructure.The temperature of reheating crack of the 12Cr1MoVG steel with ferrite and bainite microstructure is higher than that of granular bainite and a small amount of ferrite.

Key words： 12Cr1MoVG steel， implant test， bayesian， reheat crack， microstructure

0前言

12Cr1MoVG鋼屬于低合金熱強(qiáng)鋼，該鋼種通過嚴(yán)格控制冶煉軋制等工藝使其具有較高的熱強(qiáng)性能和持久塑性，工作溫度可高達(dá)600 ℃，而且由于其具有較好的高溫性能，良好的焊接性以及較低的成本等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于火電站機(jī)組鍋爐過熱器和再熱器，集箱及管道等構(gòu)件的制造[1]。同時(shí)12Cr1MoVG鋼屬于CrMoV低合金耐熱鋼，含有一定的沉淀強(qiáng)化元素，存在一定的再熱裂紋敏感性，但薄壁件可采用多種焊接方法與相對(duì)寬泛的焊接工藝參數(shù)，均能保證接頭完整性并滿足使用性能的要求[2]。然而近幾年，厚壁部件發(fā)生了大量接頭開裂的現(xiàn)象。這些裂紋產(chǎn)生于焊后熱處理后或者接頭短期高溫運(yùn)行后，呈縱向裂紋形貌或橫向裂紋形貌[3，4]。文獻(xiàn)分析裂紋性質(zhì)后認(rèn)為[5，6]，該裂紋具有再熱裂紋特征。大多數(shù)的研究認(rèn)為12Cr1MoVG鋼產(chǎn)生再熱裂紋的原因與其具有較高的殘余應(yīng)力，焊接與PWHT工藝不當(dāng)有關(guān)[7，8]，而對(duì)于其原始組織狀態(tài)的不同對(duì)其再熱裂紋的影響卻鮮有報(bào)道。本文就以在某電廠超超臨界鍋爐機(jī)組12Cr1MoVG低過進(jìn)口集箱角焊縫出現(xiàn)裂紋的工程實(shí)例為對(duì)象，研究了該電廠12Cr1MoVG鋼所涉及的集箱管接頭存在的裂紋問題，對(duì)于此問題該電廠若未及時(shí)處理而投入運(yùn)行，不僅對(duì)電廠鍋爐的正常運(yùn)行造成威脅，且裂紋一旦擴(kuò)展形成斷裂，將會(huì)對(duì)電廠設(shè)備和人員帶來重大損失。為了獲得由于12Cr1MoVG材料組織差異對(duì)接管座裂紋產(chǎn)生的影響程度，本文采用插銷試驗(yàn)的方法進(jìn)行了以貝氏體組織為主的與以鐵素體組織為主的12Cr1MoVG耐熱鋼再熱裂紋敏感性試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)方法

插銷試驗(yàn)所用試驗(yàn)材料是12Cr1MoVG，本文所用的該鋼種的兩種組織分別為鐵素體+少量貝氏體和貝氏體+少量鐵素體，分別編號(hào)為A和B。焊接方法為手工焊條電弧焊，焊材為CHH317電焊條，焊條直徑32mm。分別在475 ℃、600 ℃、650 ℃、690 ℃、725 ℃、760 ℃進(jìn)行插銷試驗(yàn)，得到不同預(yù)熱溫度下的臨界斷裂應(yīng)力。將試驗(yàn)所用材料A與B按圖1進(jìn)行加工。A試樣與B試樣焊接再熱裂紋試驗(yàn)所用底板均為Q235材質(zhì)。插銷試驗(yàn)參照ISO 17642-3—2005進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為本實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的ICT-09插銷試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。

圖1插銷試樣尺寸

圖2試驗(yàn)用智能插銷試驗(yàn)機(jī)2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1金相組織

按照表1中的參數(shù)對(duì)A類材料插銷試樣進(jìn)行施焊，所獲得的焊接接頭宏觀形貌如圖3所示，其中a處為焊縫區(qū)域，b處為熱影響區(qū)（HAZ）粗晶區(qū)，c處為HAZ細(xì)晶區(qū)，d處為母材區(qū)。

焊接接頭各區(qū)的金相組織如圖4所示：A組鋼母

表1焊接工藝參數(shù)表焊接電

流I/A焊接電

壓U/V焊接速度v/

（mm·min-1）焊接熱輸入E/

（kJ·cm-1）1102515011

圖3A組12Cr1MoVG鋼焊接接頭宏觀形貌圖材組織為鐵素體+貝氏體組織，焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)主要為板條狀馬氏體+少量粒狀貝氏體組織，但是由于焊接過程中受熱程度不同，原奧氏體晶粒尺寸存在較大的差異，所得到的板條馬氏體束的尺寸存在較大的差異，如圖4b、圖4c所示，焊縫組織主要為板條馬氏體組織，如圖4a所示。

圖4A材料焊接接頭各區(qū)域金相組織

按照表1的參數(shù)對(duì)B材料插銷試樣進(jìn)行施焊，所獲得的焊接接頭宏觀形貌圖如圖5所示，其中a處為焊縫區(qū)域，b處為HAZ粗晶區(qū)，c處為HAZ細(xì)晶區(qū)，d處為母材區(qū)。B組12Cr1MoVG鋼焊接接頭各區(qū)的金相組

圖5B組12Cr1MoVG鋼焊接

接頭宏觀形貌圖織如圖6所示：B組12Cr1MoVG鋼母材組織為粒狀貝氏體組織+少量鐵素體，如圖6d所示；焊接HAZ的粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)組織與A組相比有一定的差異，B組焊縫熱影響區(qū)組織主要為板條狀馬氏體。因?yàn)楹附舆^程中的受熱程度不同，粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)原奧氏體晶粒尺寸存在較大的差異，所得到的板條馬氏體束的尺寸存在較大的差異，焊縫組織主要為板條馬氏體。

2.2試驗(yàn)溫度對(duì)A組臨界斷裂應(yīng)力的影響

不同試驗(yàn)溫度下，隨外加應(yīng)力的下降插銷試樣斷裂時(shí)間隨之加長(zhǎng)，當(dāng)初應(yīng)力下降到某一值后，插銷試樣將不發(fā)生斷裂，不發(fā)生斷裂的最高初應(yīng)力稱為“臨界斷裂初應(yīng)力”。不同的試驗(yàn)溫度下A組12Cr1MoVG鋼對(duì)應(yīng)不同的臨界斷裂初應(yīng)力值不同，如圖7所示。

從圖7可知，A組12Cr1MoVG鋼在不同試驗(yàn)溫度下，隨著試驗(yàn)溫度的升高，臨界斷裂初應(yīng)力呈現(xiàn)先下降

圖6B組材料各區(qū)域金相組織

后上升的基本趨勢(shì)；在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，650 ℃的臨界斷裂初應(yīng)力最低，為130.4 MPa，因此，650 ℃是A組12Cr1MoVG鋼對(duì)再熱裂紋最敏感的溫度。

圖7A組插銷試樣在不同試驗(yàn)溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力

2.3試驗(yàn)溫度對(duì)B組臨界斷裂應(yīng)力的影響

不同的試驗(yàn)溫度下B組12Cr1MoVG鋼對(duì)應(yīng)不同的臨界初應(yīng)力值，如圖8所示。從圖中可知，B組12Cr1MoVG鋼隨試驗(yàn)溫度的升高，臨界斷裂初應(yīng)力呈現(xiàn)先下降后上升的基本趨勢(shì)；在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，690 ℃的臨界斷裂初應(yīng)力最低，為82.0 MPa。因此，690 ℃是B組12Cr1MoVG鋼對(duì)再熱裂紋最敏感的溫度。

圖8B組插銷試樣在不同試驗(yàn)溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力

2.4兩種原始組織狀態(tài)下的臨界斷裂初應(yīng)力比較

本文針對(duì)12Cr1MoVG鋼，進(jìn)行了兩種原始組織狀態(tài)（A、B狀態(tài)）的再熱裂紋敏感性試驗(yàn)研究，分別獲得了這兩種材料在475 ℃、600 ℃、650 ℃、690 ℃、725 ℃、760 ℃溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力值。將兩種原始狀態(tài)下的臨界斷裂應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種原始組織狀態(tài)下的臨界斷裂初應(yīng)力值存在一定的差異。

兩種原始組織狀態(tài)對(duì)不同試驗(yàn)溫度下插銷試驗(yàn)臨界斷裂初應(yīng)力的影響從圖9可知：A狀態(tài)12Cr1MoVG鋼的臨界斷裂初應(yīng)力值整體高于B狀態(tài)，兩種原始組織狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)溫度的再熱裂紋敏感性有一定的影響，其中A組再熱裂紋最敏感溫度為650 ℃，而B組再熱裂紋最敏感溫度690 ℃。由此可知，盡管試驗(yàn)材料均為12Cr1MoVG鋼，化學(xué)成分相同，但材料的原始組織狀態(tài)不同，導(dǎo)致其對(duì)再熱裂紋敏感性的影響存在較大差異。

圖9A組和B組材料在不同溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力

從這兩種狀態(tài)下的12Cr1MoVG鋼的焊接HAZ粗晶區(qū)的組織對(duì)比可知，二者存在一定的差異，即A組主要為板條狀馬氏體+少量粒狀貝組織，B組主要為板條狀馬氏體，如圖4和圖6所示。這兩者組織的差異，對(duì)引起其粗晶區(qū)抗再熱裂紋敏感的能力有很大影響。而這兩種原始態(tài)組織的差異引起的焊接HAZ粗晶區(qū)組織的差異，進(jìn)而影響其在焊接快速加熱過程中的組織遺傳、碳化物重新分解、合金元素均勻化等。在再熱裂紋插銷試驗(yàn)過程中，所施加的再熱溫度是導(dǎo)致粗晶區(qū)發(fā)生回火的直接原因?；鼗鸷笃渥畲蟮慕M織變化就是碳化物的析出和基體組織的再結(jié)晶等?；鼗饻囟燃霸冀M織不同，引起其回火程度的差異，所以當(dāng)試驗(yàn)溫度變化時(shí)，不同原始組織狀態(tài)的12Cr1MoVG鋼就表現(xiàn)出不同的再熱裂紋抗力。在插銷試驗(yàn)過程中，所施加的載荷及開在粗晶區(qū)的缺口是導(dǎo)致粗晶區(qū)發(fā)生高溫形變的直接原因，這一點(diǎn)可以被試驗(yàn)過程中隨時(shí)間延長(zhǎng)初始載荷呈現(xiàn)逐步下降的現(xiàn)象所證明。當(dāng)原始組織狀態(tài)和試驗(yàn)溫度不同時(shí)，其下降程度不同?？傊?，12Cr1MoVG鋼原始組織狀態(tài)不同，導(dǎo)致焊接HAZ粗晶區(qū)組織的差異，進(jìn)而導(dǎo)致晶界晶內(nèi)高溫形變能力出現(xiàn)差異，必然引起其對(duì)再熱裂紋抗力的差異。

3結(jié)論

（1）母材組織為鐵素體+貝氏體組織的12Cr1MoVG鋼焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)組織主要為板條狀馬氏體+少量粒狀貝氏體組織，母材組織為粒狀貝氏體組織+少量鐵素體的12Cr1MoVG鋼焊接熱影響區(qū)主要為板條狀馬氏體。

（2）在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，兩種原始組織狀態(tài)不同的12Cr1MoVG鋼隨著試驗(yàn)溫度的升高，其臨界斷裂初應(yīng)力呈現(xiàn)先下降后上升的基本趨勢(shì)。

（3）在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)原始組織為鐵素體+貝氏體組織的12Cr1MoVG鋼的臨界斷裂初應(yīng)力值基本上整體高于組織為粒貝組織+少量鐵素體的臨界斷裂初應(yīng)力值；再熱裂紋最敏感溫度高于原始組織為粒狀貝氏體組織+少量鐵素體的再熱裂紋最敏感溫度。參考文獻(xiàn)[1]王香云.鋼焊接接頭熱裂紋原因分析及對(duì)策[J].焊管，2010， 33（ 4）：13-17.

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