吳海峰　李勃　熊建坤　牛靖　曹天蘭　張建勛　楊林　徐健　許德星

摘要：采用CTOD方法測試汽輪機(jī)12Cr/30Cr2Ni4MoV異質(zhì)轉(zhuǎn)子焊接接頭微區(qū)斷裂韌性，研究微觀組織與微區(qū)斷裂韌性的關(guān)系，并分析裂紋擴(kuò)展阻力特征。結(jié)果表明，異質(zhì)焊接接頭的整體強(qiáng)度低于母材，屬于低匹配，拉伸斷裂位置位于過渡層;異質(zhì)焊接接頭微區(qū)斷裂韌性不均勻，母材12Cr和過渡層均發(fā)生了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，熱影響區(qū)斷裂韌性優(yōu)于母材;埋弧焊焊縫的裂紋擴(kuò)展阻力低于30Cr2Ni4MoV;母材12Cr和過渡層中的富Mo硬質(zhì)相是裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的主要原因。

關(guān)鍵詞：12Cr;30Cr2Ni4MoV;異質(zhì)接頭;斷裂韌性;斷口分析

中圖分類號(hào)：TG457.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0035-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.07

0 前言

在我國電力能源結(jié)構(gòu)中，60%以上的電能由汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組電站提供，汽輪機(jī)作為電力工業(yè)的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，研究其制造工藝及服役性能對(duì)于我國電力工業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1-2]。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)的核心結(jié)構(gòu)部件，其性能決定了汽輪機(jī)服役性能的關(guān)鍵。在焊接轉(zhuǎn)子制造過程中，焊接熱源的局部和瞬時(shí)作用、局部快速加熱和快速冷卻導(dǎo)致焊接接頭中不可避免地存在組織及力學(xué)性能的不均勻性，使得焊接接頭成為整個(gè)焊接轉(zhuǎn)子中最薄弱區(qū)域[3]。

焊接接頭的抗脆性斷裂性能一直是學(xué)術(shù)界和技術(shù)人員關(guān)心的重要問題[4]。為了避免焊接接頭的脆性斷裂，一般要求焊接接頭滿足起裂性能準(zhǔn)則和止裂性能準(zhǔn)則。前者是指接頭薄弱區(qū)域的材料應(yīng)該具備一定的抵抗裂紋開裂能力;后者要求一旦裂紋產(chǎn)生，材料應(yīng)該具備阻止裂紋擴(kuò)展的能力[5]。材料的斷裂一般分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂又稱延性斷裂，是指斷裂前發(fā)生明顯塑性變形的斷裂，它是一個(gè)比較緩慢的過程，伴隨著大量的塑性變形，在斷裂過程中需要不斷地消耗能量。脆性斷裂是指無明顯塑性變形、突然發(fā)生的一種斷裂，在實(shí)際中難以察覺，往往造成重大的人身財(cái)產(chǎn)損失[6]。

天津大學(xué)吳世品[7]研究了海洋結(jié)構(gòu)用鋼DH36厚板焊接接頭CTOD試驗(yàn)中失穩(wěn)效應(yīng)的原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端存在粗大的板條鐵素體，當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與板條鐵素體生長方向一致時(shí)會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)效應(yīng);裂紋尖端的網(wǎng)狀碳化物的存在造成局部脆化，引起裂紋失穩(wěn);同裂紋失穩(wěn)對(duì)溫度敏感，當(dāng)溫度升高7～8 ℃，失穩(wěn)效應(yīng)消失。

本文測試了12Cr/30Cr2Ni4MoV異質(zhì)焊接接頭的微區(qū)斷裂韌性，研究了焊接接頭的微觀組織對(duì)微區(qū)斷裂韌性的影響。

1 試驗(yàn)材料與過程

1.1 試驗(yàn)材料

以東方汽輪機(jī)有限公司制造的汽輪機(jī)高中低壓一體式異質(zhì)焊接轉(zhuǎn)子試驗(yàn)環(huán)為研究對(duì)象，其尺寸及焊接接頭截面區(qū)域劃分如圖1所示。試驗(yàn)環(huán)由高中壓轉(zhuǎn)子材料BM1（12Cr）和低壓轉(zhuǎn)子材料BM2（30Cr2Ni4MoV）焊接而成[8]，過渡層（BL）焊材為TG-S2CMH和ER110S-G。母材和焊材化學(xué)成分如表1所示。由圖1可知，焊接接頭有7個(gè)區(qū)域：BM1、HAZ-1（BM1側(cè)熱影響區(qū)）、BL、SAW、HAZ-2（BM2側(cè)熱影響區(qū)）、BM2和TIG。BL平均尺寸為6 mm，SAW焊縫為21 mm，HAZ-1約為2 mm，HAZ-2約為1.5 mm。

首先采用埋弧焊（SAW）在12Cr坡口側(cè)堆焊過渡層，厚度6～8 mm，完成后對(duì)過渡層進(jìn)行650 ℃×8 h回火熱處理;然后采用氬弧焊（TIG）進(jìn)行根部打底焊;隨后采用SAW進(jìn)行填充焊接;最后對(duì)整體試驗(yàn)環(huán)進(jìn)行580 ℃×20 h回火熱處理。

1.2 試驗(yàn)過程

依據(jù)GB/T21143-2014，采用多試樣法進(jìn)行斷裂韌性CTOD試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，尺寸120 mm×20 mm×10 mm。斷裂韌性試樣取樣位置為圖2中虛線處，分別在BM1、BM2和焊接接頭取斷裂韌性和室溫拉伸試樣。

試樣缺口位置依次處于BM1、HAZ-1、BL、SAW、HAZ-2、BM2。為安裝夾持引伸計(jì)，在試樣缺口處加工燕尾槽。采用GPS-200高頻試驗(yàn)機(jī)預(yù)制裂紋，裂紋長度3 mm，時(shí)間15～20 min。

采用多試樣法測試CTOD斷裂韌性。試驗(yàn)在Instron1195萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，首先對(duì)每組第一個(gè)試樣進(jìn)行完整三點(diǎn)彎曲，確定該試樣發(fā)生屈服時(shí)的缺口張開位移和載荷快速下降時(shí)的缺口張開位移，將其6等分，對(duì)后續(xù)試樣分別加載到計(jì)算好的缺口張開位移處停止，記錄不同試樣的P-V曲線。完成后，加熱氧化試樣并進(jìn)行裂紋擴(kuò)展區(qū)著色處理，然后在液氮冷卻并砸斷。利用九點(diǎn)法在影像儀下測量試樣的初始裂紋長度a0和標(biāo)稱裂紋長度a。測量過程按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014，測量準(zhǔn)確度±0.025 mm。

依次使用無水乙醇、丙酮對(duì)斷口進(jìn)行超聲波清洗，去除表面雜質(zhì)和油污。然后采用日立SU3500鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行材料微觀組織及斷口分析。微觀組織分析試樣拋光后分別選用4%HNO3和CuSO4-HCl（CuSO4 5 g+HCl 50 mL+H2O 50 mL）腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，時(shí)間分別為25 s和20 s。其中BM-1、HAZ-1、BL、SAW用CuSO4-HCl腐蝕;HAZ-2、BM-2用4%HNO3腐蝕。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 母材微觀組織

母材的微觀組織如圖3所示。BM-1（12Cr）在掃描電鏡下的微觀組織為板條狀回火馬氏體（見圖3a），碳化物形狀不同、大小也存在差異，主要沿著馬氏體板條的邊界呈鏈狀分布。30Cr2Ni4MoV（BM-2）為常用的低壓轉(zhuǎn)子材料，淬透性較好，其顯微組織為下貝氏體和針狀鐵素體（見圖3b）。BM-2中的Ni元素含量較高，而Ni元素能夠促進(jìn)具有高密度位錯(cuò)、大角度晶界的針狀鐵素體形成，下貝氏體和針狀鐵素體交叉分布，組織穩(wěn)定性良好。

2.1 焊接接頭微觀組織與力學(xué)性能

焊接接頭微觀組織如圖4所示。過渡層顯微組織為粒狀回火貝氏體（見圖4a），其晶粒粗大，碳化物尺寸不均勻，主要呈鏈狀沿原奧氏體晶界分布，基體上幾乎沒有碳化物。粒狀回火貝氏體在外部載荷作用下變形不均勻，易產(chǎn)生微裂紋，韌性較差。SAW焊縫顯微組織為粒狀回火貝氏體（見圖4b），碳化物在晶界和基體上彌散分布。HAZ-1的微觀組織為回火馬氏體（見圖4c），馬氏體中有碳化物析出。HAZ-2的顯微組織為粒狀回火貝氏體+回火馬氏體（見圖4d）。熱影響區(qū)的組織尺寸較小，無明顯長大。

BM-1、BM-2和焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，母材和焊接接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的分布不均勻;焊接接頭的強(qiáng)度低于母材，屬于低匹配，試樣拉伸中的斷裂位置位于過渡層（BL），說明過渡層強(qiáng)度較低。

2.2 CTOD斷裂韌性

BM-1和BM-2的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，BM-2的斷裂韌性優(yōu)于BM-1。從組織上分析，BM-2的顯微組織是下貝氏體和針狀鐵素體，下貝氏體為含碳過飽和的鐵素體和滲碳體的混合物，鐵素體與滲碳體之間成一定角度，細(xì)小的碳化物彌散分布在基體上，起到彌散強(qiáng)化的效果，因此具有良好的強(qiáng)度和韌性[9];12Cr組織為板條狀回火馬氏體，馬氏體板條間距較大，碳化物脆化了馬氏體板條邊界。

BL和SAW焊縫的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。過渡層的斷裂韌性遠(yuǎn)低于SAW焊縫。過渡層組織為粒狀回火貝氏體，碳化物沿晶界鏈狀分布，脆化了晶界[10];SAW焊縫所用焊材中Mn含量較高，它能降低焊接熱裂紋的形成幾率，抑制晶粒長大[11]，且塊狀鐵素體基體上分布著細(xì)小彌散的第二相，形成彌散強(qiáng)化效果，同時(shí)埋弧焊焊縫中因多層多道焊的影響，柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)交替分布，增大了裂紋擴(kuò)展的阻力，因此埋弧焊焊縫斷裂韌性優(yōu)于過渡層。

HAZ的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，HAZ無明顯的脆化。因焊接線能量較小，HAZ-1、HAZ-2的組織晶粒尺寸較母材細(xì)小，因此其斷裂韌性也較優(yōu)。

綜上可知，焊接接頭各微區(qū)斷裂韌性存在不均勻性。12Cr和BL在斷裂韌性三點(diǎn)彎曲過程中均發(fā)生了脆性失穩(wěn)現(xiàn)象，在失穩(wěn)點(diǎn)之前，裂紋為穩(wěn)定擴(kuò)展，隨著載荷的增大，當(dāng)達(dá)到失穩(wěn)點(diǎn)時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)很小。HAZ的斷裂韌性優(yōu)于母材。焊縫的裂紋擴(kuò)展阻力小于BM-2和HAZ。

2.3 CTOD斷口分析

CTOD試樣宏觀斷口如圖8所示。由于熱著色兩者的斷口表面分布著不同顏色區(qū)域，由上至下依次為機(jī)加工缺口、疲勞擴(kuò)展區(qū);疲勞擴(kuò)展區(qū)后在三點(diǎn)彎曲過程中發(fā)生了裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展，宏觀斷口表現(xiàn)為大塊“U”型的失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)及“月牙”狀的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)[12]。

斷裂韌性試樣的微觀斷口形貌如圖9所示。圖9a為韌性斷口穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的微觀斷口，該斷口表現(xiàn)為韌窩特征，因?yàn)槿c(diǎn)彎曲過程中裂紋尖端的應(yīng)力分布是非均勻的，韌窩形狀為橢圓形，屬于撕裂型韌窩。圖9b為圖9c的拍攝位置示意，拍攝位置選擇在裂紋尖端鈍化區(qū)和失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)的交界處。圖9c為典型的失穩(wěn)試樣失穩(wěn)擴(kuò)展起始區(qū)域的微觀斷口，圖中右上側(cè)為裂紋尖端鈍化區(qū)，并非所有的失穩(wěn)試樣在剛開始加載時(shí)就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展，所以會(huì)有一部分區(qū)域韌窩特征，該區(qū)域雖然為韌窩斷口特征，但是韌窩尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于韌性斷口穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的，而韌窩尺寸越大，則韌性越好，這就說明失穩(wěn)試樣失穩(wěn)前斷口雖然為韌窩特征，但是韌窩尺寸細(xì)小，韌性較差。圖9c中左下側(cè)為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，是解理斷裂特征，在韌性區(qū)和解理區(qū)的過渡區(qū)域中存在著長條狀貫穿解理面，該解理面上幾乎沒有解理臺(tái)階，這說明裂紋尖端在該長條狀貫穿解理面上的擴(kuò)展幾乎未受到阻礙，比一般的解理脆斷裂紋擴(kuò)展更為迅速。

韌性是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，材料的強(qiáng)度越高、塑性越好，則其韌性越好[13]，在材料力學(xué)中常常以斷后伸長率5%作為材料塑韌性的界限[14]。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，12Cr、過渡層的斷后伸長率分別為5.3%和5.1%，其強(qiáng)度均低于30Cr2Ni4MoV，其中過渡層強(qiáng)度最低。這表明12Cr和過渡層材料的整體脆性較大。組織方面，對(duì)于12Cr而言，粗大的板條狀馬氏體及沿馬氏體板條界分布的碳化物降低了裂紋擴(kuò)展的阻力[15];對(duì)于過渡層而言，晶粒尺寸粗大，碳化物沿原奧氏體晶界分布，同樣降低了材料韌性，說明這兩個(gè)區(qū)域韌性較差，易于發(fā)生脆性斷裂。

圖9d為失穩(wěn)斷口的高倍形貌，可以發(fā)現(xiàn)尺寸較大的硬質(zhì)相。位置1處的能譜結(jié)果顯示，該硬質(zhì)相主要含Cr、Mo、C元素，富集的Mo元素和C、Cr、Fe元素共同形成富Mo硬質(zhì)相。大尺寸的硬質(zhì)相提高了基體性能的不連續(xù)性，且自身硬度較高，脆性較大。12Cr和過渡層的整體脆性較大，三點(diǎn)彎曲過程中，裂紋擴(kuò)展至硬質(zhì)相處難以繞過，產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著應(yīng)力集中的加大，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

3 結(jié)論

（1）異質(zhì)焊接接頭的整體強(qiáng)度低于母材，屬于低匹配，拉伸中的斷裂位置位于過渡層。

（2）異質(zhì)焊接接頭微區(qū)斷裂韌性不均勻。母材12Cr和過渡層均發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，熱影響區(qū)斷裂韌性優(yōu)于母材;埋弧焊焊縫的裂紋擴(kuò)展阻力低于30Cr2Ni4MoV。

（3）母材12Cr和過渡層中的富Mo硬質(zhì)相是裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的主要原因。裂紋擴(kuò)展至富Mo硬質(zhì)相處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得硬質(zhì)相自身破碎或與基體脫離，引起裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

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