(合肥通用機(jī)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(jì)70年代，我國(guó)壓力容器學(xué)會(huì)就牽頭組織國(guó)內(nèi)15個(gè)單位，采用6種方法對(duì)10種壓力容器用鋼進(jìn)行再熱裂紋敏感性的試驗(yàn)研究[4]。隨著改進(jìn)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(jì)80年代，西安交通大學(xué)在插銷試驗(yàn)中利用X-Y記錄儀記錄的載荷-位移曲線計(jì)算塑斷功，以此評(píng)價(jià)其再熱裂紋敏感性[5]。20世紀(jì)初期，中國(guó)一重結(jié)合加氫設(shè)備的制造，采用多種方法對(duì)加釩鋼及其焊材進(jìn)行再熱裂紋試驗(yàn)，并按API-A附錄B的要求作篩選[6]。

Gleeble試驗(yàn)是對(duì)一定直徑的試樣進(jìn)行高溫緩慢拉伸，在試樣斷裂后，測(cè)量斷口上3個(gè)截面的直徑，計(jì)算斷面收縮率來評(píng)價(jià)再熱裂紋敏感性。近年來，國(guó)內(nèi)外已有多篇關(guān)于再熱裂紋Gleeble試驗(yàn)的報(bào)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(píng)價(jià)材料的再熱裂紋敏感性。筆者在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)作為主要依據(jù)的斷面收縮率，其測(cè)量并不可靠，由于Gleeble試驗(yàn)是采用試樣本身的電阻熱對(duì)試驗(yàn)部位加熱，在試樣斷裂瞬間產(chǎn)生電弧，局部會(huì)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(zhǔn)確測(cè)量(見圖1)，受人為因素影響且評(píng)定結(jié)果容易產(chǎn)生爭(zhēng)議。

圖1 再熱裂紋篩選試樣試驗(yàn)后的斷口形貌

而在Gleeble試驗(yàn)中，若利用試驗(yàn)機(jī)記錄的載荷-位移曲線，計(jì)算載荷對(duì)位移的積分，得到試驗(yàn)從開始拉伸到斷裂全過程所消耗的功，可以定量評(píng)價(jià)材料抗變形的能力，這在早期的類似試驗(yàn)中都有采用，能否在Gleeble試驗(yàn)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(yàn)中采用內(nèi)積功作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以客觀地反映其再熱裂紋敏感性。本文試圖對(duì)此進(jìn)行探索研究。

1 試驗(yàn)用材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用材料

本次試驗(yàn)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(yàn)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值0.2680.0220.1610.00690.00310.0360.0007

表2 試驗(yàn)用材料的力學(xué)性能

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

1.2 再熱裂紋Gleeble試驗(yàn)程序

對(duì)母材進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)試樣進(jìn)行焊接熱循環(huán)的模擬[8]，然后再進(jìn)行再熱裂紋Gleeble試驗(yàn)；而對(duì)焊縫金屬則直接進(jìn)行Gleeble試驗(yàn)。Gleeble試驗(yàn)程序和試驗(yàn)過程曲線與文獻(xiàn)[8]相同。

1.3 內(nèi)積功計(jì)算方法

試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)過程中某點(diǎn)D而言，其與上一時(shí)間點(diǎn)C組成的ABCD包圍的面積S可簡(jiǎn)化計(jì)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(yàn)裝置對(duì)試樣所做的功，對(duì)整個(gè)拉伸過程進(jìn)行積分，得到的值即為在整個(gè)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(yàn)機(jī)所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，可以看到試驗(yàn)機(jī)所記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表3所示。

表3 Gleeble試驗(yàn)機(jī)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其中,time(sec)為試驗(yàn)時(shí)間計(jì)時(shí)，force(kgf)為載荷，stroke(cm)為變形，TC4(℃)為溫度。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，為處理該數(shù)據(jù)，編制了一個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序，程序框圖見圖3。程序首先計(jì)算屈服強(qiáng)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(gè)數(shù)據(jù)。按式(1),(2)計(jì)算當(dāng)前內(nèi)積功，繼續(xù)指針加1，讀取第3個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)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(yàn)的內(nèi)積功W。

圖3 由Gleeble試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)積功框圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 Gleeble試驗(yàn)中的內(nèi)積功與插銷試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的Gleeble試驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)采用內(nèi)積功作為參量，與插銷試驗(yàn)的結(jié)果[10]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，隨著試驗(yàn)溫度的升高，其內(nèi)積功和插銷試驗(yàn)的斷裂時(shí)間均呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢(shì)，兩種方法測(cè)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(yàn)與插銷試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比

2.2 Gleeble試驗(yàn)中的內(nèi)積功與斷面收縮率的對(duì)比

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

圖5 Gleeble試驗(yàn)中內(nèi)積功與ROA對(duì)比

由圖5,6可以看出，Gleeble試驗(yàn)得到內(nèi)積功和ROA作為參量的試驗(yàn)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(yàn)采用ROA及國(guó)外試驗(yàn)結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明Gleeble試驗(yàn)可采用內(nèi)積功參量測(cè)試材料的再熱裂紋敏感溫度。

圖6 焊縫金屬Gleeble試驗(yàn)中內(nèi)積功與ROA對(duì)比

2.3 Gleeble試驗(yàn)中采用內(nèi)積功作為再熱裂紋評(píng)價(jià)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(yàn)中，采用試樣拉斷時(shí)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?jǐn)?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(duì)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(duì)位移進(jìn)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(yàn)溫度的提高，材料的強(qiáng)度下降，拉伸載荷相對(duì)較低，載荷對(duì)位移積分所得到的內(nèi)積功呈下降趨勢(shì)；在再熱裂紋敏感溫度附近，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)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(duì)弱化的晶界首先產(chǎn)生空穴，且空穴長(zhǎng)大逐漸形成微裂紋。若繼續(xù)拉伸，裂紋會(huì)快速擴(kuò)展，直至斷裂，在敏感溫度附近，由于斷裂時(shí)間縮短，實(shí)際計(jì)算的內(nèi)積功較小。

當(dāng)試驗(yàn)溫度升高后，晶界與晶內(nèi)強(qiáng)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(shí)間延長(zhǎng)，積分得到的內(nèi)積功有所增加，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)得到一種“C”形曲線，對(duì)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(chǔ)備，相對(duì)而言，采用內(nèi)積功更能準(zhǔn)確反映材料的再熱裂紋敏感性[12]。對(duì)前期SA543鋼Gleeble再熱裂紋試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)的結(jié)果[13]進(jìn)行對(duì)比如圖7所示，可以看出，采用內(nèi)積功參量測(cè)得的再熱裂紋敏感溫度也與插銷試驗(yàn)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(cè)試其再熱裂紋敏感溫度。

圖7 SA543鋼Gleeble試驗(yàn)結(jié)果與插銷試驗(yàn)對(duì)比

目前各種材料的Gleeble試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，以現(xiàn)存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出內(nèi)積功的再熱裂紋敏感性判據(jù)尚不嚴(yán)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(yàn)內(nèi)積功與ROA的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見圖8)。

圖8 Gleeble試驗(yàn)中內(nèi)積功與ROA的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)圖8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的Gleeble試驗(yàn)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(rèn)為，當(dāng)ROA<20%時(shí)，認(rèn)為該材料對(duì)再熱裂紋敏感。這樣，ROA=20%，按式(3)計(jì)算得對(duì)應(yīng)的內(nèi)積功為11 760 N·mm，則可以認(rèn)為當(dāng)內(nèi)積功大于11 760 N·mm時(shí)，該材料對(duì)再熱裂紋不敏感，反之，則對(duì)再熱裂紋敏感。本次試驗(yàn)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(yàn)的結(jié)果基本吻合[10]。

在相同的試驗(yàn)條件下，內(nèi)積功受材料高溫強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的80%)下的變形量來比較，此項(xiàng)工作尚需諸多的試驗(yàn)研究以及大量的工程積累，才能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)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(duì)Gleeble試驗(yàn)過程中的載荷對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)處理表明：采用內(nèi)積功來測(cè)試材料的再熱裂紋敏感溫度是可行的。

(2)通過對(duì)ROA值與內(nèi)積功值對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析，可以采用現(xiàn)行評(píng)價(jià)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(yàn)數(shù)據(jù)的積累，期望得到更加準(zhǔn)確的內(nèi)積功判據(jù)來評(píng)價(jià)材料的再熱裂紋敏感性。