（材料学专业论文）225cr1mo025v钢焊接热影响区组织和性能的物理模拟.pdf

摘要 摘要 2 2 5 c v l m o 0 2 5 v 钢主要用来制造热壁加氢反应器，具有强度高、抗高 温蠕变、氢蚀、氢脆、回火脆化性能好等特点。然而对该钢的应用基础研 究一直滞后于实际生产，进而影响对焊接工艺的进一步优化。 本文采用o l e e b l e 3 5 0 0 热模拟试验机进行一次和二次焊接热循环试验， 采用金相显微镜、s e m + e d s 、t e m 、低温冲击等手段，对焊接热影响区 ( h a z ) 粗晶区的组织和性能及第二相粒子的溶解和析出行为进行了系统的 研究。 研究结果表明，一次和二次焊接热循环后热影响区粗晶区均存在严重 的脆化倾向，晶粒尺寸和组织粗大是韧性恶化的主要原因。此外，条状碳 化物也是韧性变差的一个原因。其中二次循环峰值温度为1 0 0 0 和9 0 0 时沿原奥氏体晶界两侧生成细小晶粒，前者为奥氏体自发再结晶结果，后 者为球状奥氏体的晶粒边界效应。焊后热处理可显著提高c g h a z 区的低 温冲击韧性，且随回火时间的延长韧性进一步提高。断口形貌由回火前的 准解理断裂转为韧窝为主的韧性断裂特征。焊后热处理后第二相沿晶界链 状连接分布的试样，冲击功变化不大，断口还是准解理断口。 焊接热循环后的粒子尺寸范围在1 0 0 n m 左右。随热循环次数增多及二 次焊接热循环峰值温度的降低，粒子数目增多。其中方形粒子一般为中心 富钛，边缘富钒铌的碳氮化合物。板条间析出的条状粒子中含有铌。焊后 回火处理后，粒子尺寸范围在2 0 0 3 0 0 h m 之间，且形态变得规则。随回火 时间增加，粒子数目增多。回火后的粒子大部分在晶界上分布，其成分中 富含c r 、v 、f e 和m n 。 关键词2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢；焊接热循环：热影响区；低温韧性；第二相 粒子；物理模拟 燕山人学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e2 2 5 c r 一1 m o 0 2 5 vs t e e lh a db e e nw i d e l yu s i n gi nm a n u f a c t u r i n gh o t w a l lh y d r o g e nr e a c t o rf o ri t sh i g h e rs t r e n g t ha n ds t r o n g e rr e s i s t a n c et ot h eh i g h t e m p e r a t u r ec r e e p i n g ，a n dh y d r o g e n c o r r o s i o na n dt e m p e r e db r i t t l e n e s s h o w e v e r , t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c hw o r k so na p p l y i n ga l es t i l lb e h i n dp r a c t i c a l m a n u f a c t u r e ，f u r t h e r m o r e ，t h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o no fw e l d i n gp r o c e s sw e r e f h m l yr e t a r d e d i nt h i st h e s i s ，o n ea n dt w i c ew e l dt h e r m a lc y c l ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u tb yu s i n go fg l e e b l e - 3 5 0 0t h e r m a ls i m u l a t o r t h em i c r o s t r u c t u r e s ，p r o p e r t i e s a n ds o l u t i o na n dp r e c i p i t a t i n gb e h a v i o r so fs e c o n dp h a s ep a r t i c l e sw e f c i n v e s t i g a t e db yu s i n gm e t h o d so fo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e m + e d s ，t e ma n d c r y o g e n i ci m p a c tt e s t t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e rg o n et h r o u g ho n ea n dt w i c ew e l dt h e r m a lc y c l e s t h eg r a i ns i z ea n dm i c r o s t r u c t u r eb e c o m ec o a r s e ，w h i c hi sm a i nr e a s o nr e s u l t i n g i ns e v e rb r i t t l e m n tt e n d e n c y i na d d i t i o n ，t h es t r i pc a r b i d e sm a yb eo t h e rr e a s o n s s m a l lg r a i n sw e r ef o u n di nb o t hs i d e so fi n i t i a la u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r yw h e n t h ep e a kt e m p e r a t u r ei s1 0 0 0 a n d9 0 0 t h ef o r m e ro n er e s u l tf r o mt h e a u s t e n i t es p o n t a n e o u sr e c r y s t a l l i z a t i o na n dt h el a t e ro n er e s u rf r o mg r a i n b o u n d a r ye f f e c to fs p h e r i c a la u s t e n i t e t h ec r y o g e n i ci m p a c tv a l u e s c a l lb e o b v i o u s l yi n c r e a s e db yu s i n go fp o s tw e l dh e a tt r e a t m e n t ( p w h t ) ，躯w e l la s t h i sp r o p e r t yc a nb ef u r t h e ri n c r e a s e dw i t l lt h et e m p e r i n gt i m ei n c r e a s i n g t h e f r a c t u r es u r f a c e se x h i b i tq u a s i c l e a v a g ec h a r a c t e rb e f o r ep w h ta n dd u c t i l e f r a c t u r ea f t e rp w h t ，r e p e e t i v e l y b u tt os o m et e m p e r i n gs a m p l e s ，i ft h e p a r t i c l e sj o i n tt oe a c ho t h e ra m o n gg r a i nb o u n d a r y ，t h ei m p a c tv a l u ea n dt h e f r a c t u r es t y l ed i d n tc h a n g e n l ed i m e n s i o no ft h es e c o n dp h a s ep a r t i c l e sa f t e r g o n et h r o u g hw e l d t h e r m a lc y c l e si sa b o u tl o o n m w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e l d i n gp a s sa n dt h e a b s t r a c t d e c r e a s eo ft h ep e a j ct e m p e r a t u r eo fs e c o n dw e l d i n gt h e r m a lc y c l e s ，t h en u m b e r o ft h ep r e c i p r a t e si n c r e a s i nt h ec e n t e ro ft h es q u a r ec a r b o n i t r i d ei sr i c hi n t i t a n i u ma n dt h ee d g ci sr i c hi nn i o b i u ma n dv a n a d i u m t h es t r i pp a r t i c l e s b e t w e e nt h el a t h sa r er i c hi nn i o b i u m t h ep a r t i c l ed i m e n s i o n a lr a n g ei sa b o u t 2 0 0 - 3 0 0 r i ma n di t ss h a p eb e c a m er e g u l a ra f t e rg o n et h r o u g hp o s tw e m i n g t m p e d n g t h en u m b e r o fp r e c i p i t a t ei n c r e a s ew i mt h e t e m p e r i n gt i m e i n c r e a s i n ga n dt h ep r e c i p i t a t e sd i s t r i b u t i n ga m o n gt h eg r a i nb o u n d a r yi sr i c hi n c h r o m i u m ，v a n a d i u m ，i r o na n dm a n g a n e s e k e y w o r d s 2 2 5 c v l m o - 0 2 5 v s t e e l ，w e l d i n g t h e r m a lc y c l e s ，h a z ， l o w - t e m p e r a t u r ed u c t i l i t y ，s e c o n d - p h a s ep a r t i c l e ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢焊 接热影响区组织和性能的物理模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻 读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除 已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律 结果将完全由本人承担。 作者签字杨司c 绳日期：k 订年s 月f 。日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 2 2 5 c r - 1 m o - 0 2 5 v 钢焊接热影响区组织和性能的物理模拟系本人 在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文 的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单 位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：彳匆辱；| ：l ； 日期：豇岬年5 月日 导师签名：7 习以彳 日期：2 呻年；月扣日 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 加氢反应器是石油炼制装置关键设备之一，技术含量高，制造工序复 杂，造价高等特点使设计、制造、使用都给与极大关注。近年来石化行业 大力发展石油加氢工艺，使我国的石油加氢设备需求量不断增加，并且逐 渐趋于大型化，单台反应器的重量己达到1 0 0 0 吨以上。这类设备的大型化 使设计、材料、制造、检验、运输、安装等提出了新的挑战。影响热壁加 氢反应器制造质量的因素很多，主要因素有设计、原材料质量、焊接结构、 焊接工艺、焊接过程控制、以及严格质量检验等【”。 我国热壁加氢反应器技术开发比国外最早开发的时间晚2 0 年左右，在 消化吸收7 0 年代末至8 0 年代初相继引进的几套加氢裂化装置技术后，于8 0 年代初才起步【2 “。 针对热壁加氢反应器的使用特点和国外在使用中曾发生的诸如氢腐 蚀、氢脆、回火脆化、连多硫酸应力腐蚀开裂及奥氏体不锈钢堆焊层的剥 离现象等一些特殊问题和损伤，在起步阶段就充分意识到处理和解决好这 些问题的重要性。制造反应器的材料要具有良好的或特殊要求的性能，并 要控制好实际产品的应力分布与水平，提高结构设计的技巧。8 0 年代初， 原石油部组织有研究、设计、制造和使用单位参加的锻焊结构热壁加氢反 应器研制攻关组，比较全面地开展了设计、主体材料冶炼生产、产品制造 工艺及安全使用等技术内容的研究与攻关，突破了冶炼、铸锭、锻造、热 处理技术及有关焊接工艺与配套焊材的研制和各种设计技术等难关，为实 际产品的研制打下良好的基础。这些问题的解决，使参加联合攻关的第一 重型机器厂在1 9 8 6 年通过日本制钢所对其条件和能力的考察认可，并共同 合作制造了l 台热壁加氢反应器【5 】o 锻焊结构热壁加氢反应器其本身有很多焊缝，其焊接热影响区( r a z ) 的组织与性能的好坏，是决定加氢反应器质量的决定性因素。是其在研制 燕山_ 人学t 学硕士学位论文 和应用中的一个关键问题，许多研究者均采用焊接热模拟的方法对此开展 研究，并揭示了h a z 组织与性能之间的关系f 1 1 。考虑到实际生产中的焊接 均采用多道焊，后续焊道会对前面焊道的热影响区重新加热，使前面焊道 的热影响区再次经历焊接热循环。因此研究经历二次热循环后热影响区的 组织和性能变化更具有实际意义。此外，本文通过对2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢 中微合金析出物在焊接热循环过程中的溶解和析出行为进行了研究，讨论 焊接热循环对粒子尺寸、形状、成分、分布及性能的影响规律。本文研究 内容对进一步优化焊接工艺、提高焊接接头性能具有重要的参考价值。 1 2 加氢反应器的结构及发展阶段 1 2 1 加氢反应器的结构 目前国内外较为成熟的加氢反应器主要有三种结构形式，一是整体锻焊 式，二是单层卷板式，三是多层组合式6 1 。其中第一、二种目前国内已有 采用。整体锻焊式自7 0 年代末8 0 年代初相继引进了四套，并从8 0 年代初 开始研制，国内于1 9 8 9 年3 月制造出我国自行研究、自行设计，利用国产 材料自行制造的第一台锻焊结构热壁加氢反应器。其中大型及超大型加氢 反应器常采用锻焊式结构【8 - 9 。图1 1 为整体锻焊式加氢反应器的结构图。 匡w且l 且爹 触 w藿 _ 八m 婀阍 ； 瞄， + 7 ， 母 尥啪叩鼍1 图1 1 加氢反应器结构简图 f i g 1 ls t r u c t u r a ld i a g r a mo f h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r 2 第1 章绪论 1 2 2 加氢反应器的发展阶段 随着炼油厂在役设备的定期检查中各种问题的出现及其不断的研究解 决，设计研究单位对设备材料与结构不断做出改进，使设备不断向高温、 高压、大型化、长寿命方向发展。到目前为止，加氢反应器制造按技术、 质量和改进过程，可以划分为以下四个时代 1 0 1 ： 第一代是引进期( 1 9 6 5 1 9 7 2 ) ：这个时期的特点是：反应器的封头为拼 焊结构；反应器壳体初期内衬不锈钢筒逐渐发展为后期用不锈钢的带极堆 焊方法进行内壁堆焊不锈层；反应器壳体材料用c r - m o 钢钢板及锻件的j 系 数没有要求；反应器收口筒节( 下筒节) 通过锻造厚壁环经机械加工而成；反 应器用c r - m o 钢锻件初期采用正火( 奥氏体化后空冷) + 回火的热处理工艺， 随着科研工作的深入到后期将c r - m o 钢锻件才用正火( 奥氏体化后用尽可能 大的水冷强度卜回火热处理工艺。这个时期的反应器筒体最大壁厚2 6 0 m m 、 单台最大重量5 0 0 t 。 第二代是改良期( 1 9 7 3 1 9 8 0 ) ：这个时期的特点是：反应器的封头为整 体结构；现场组焊技术开发研究成功，在第二代初期就得到了应用，解决 了5 0 0 8 0 0t 反应器不能运输的问题，并建立了工地焊接、焊后热处理、射线 检查、水压机试验的现场施工方法；通过采用抗回火脆化效果较好的v c d 法冶炼的低硅c r m o 钢，并对钢材中的j 系数提出要求：回火倾向性评定 v t r 5 4 + 2 5 a v t r 5 4 5 5 j ( 允许一个最低值4 7 j ) 。这个时期反应器简体最大壁厚 2 8 2 m m 、单台最大重量为11 5 0 t 。 第四代是更新期( 1 9 8 8 现在) ：第四代是对长期服役2 0 多年的退役反应 燕山大学工学硕士学位论文 器进行设备更新，同时为满足新的精制和裂化工艺流程的需要以及设备大 型化的需要，开发了高强度c r - m o 钢和添加v 的改进型c r m o 钢，这些新钢 种即使在4 5 0 以上的条件下，也能具有较高的强度，并能长期连续运转， 发挥其良好的可靠性，使反应器技术进入一个新时代。这个时期的特点： 2 2 5 c r - l m o 钢反应器母材的j 系数冬1 0 0 ( ) ，回火脆化倾向性评定 v t r 5 4 + 2 5 a v t r 5 4 曼+ l o ；添加v 的改进型c r m o 钢分为3 c r - l m o v 系列钢和 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 系列钢，后者比前者的用途更广、发展前景更好。因此第 四代反应器主要是添j n v 的改进型c r - m o 钢加氢反应器的研制应用，所以称 为更新期。这个时期添加v 的改进型c r - m o 钢( 3 c r 1 m o v 系列钢) 加氢反应 器的内径4 5 0 0 r a m 、最大壁厚2 7 3 m m 、最大重量1 4 5 0 t 。 1 3 加氢反应器的焊接 1 3 1 加氢反应器采取的主要焊接方法 1 3 1 1 厚板窄间隙埋弧焊( n g b ) 此种焊接方法是近年发展起来的经济效 益很高的焊接方法。其坡口间隙窄，可以大大提高生产率。与普通的埋弧 焊比较，窄间隙焊所开坡口两侧面几乎平行，厚度1 0 0 3 5 0 m m 的板材焊接， 坡口间隙仅为1 8 2 4 m m ，可显著节省熔敷金属量，缩短焊接时间。窄间隙 焊的另一个主要特点是，由于焊接熔敷金属少焊缝收缩量小，焊接内应力 小，对热影响区组织影响也小，同时母材熔化量少，焊缝金属受母材成分 的影响较小，其杂质和合金成分等对焊缝作用较小。从焊接的致密性、焊 缝的强度和塑性来评定，窄间隙焊都是良好的。此外，整个焊接过程可完 全自动化，从焊缝底部到顶部可连续不停焊接，焊道外形美观，焊接缺陷 少。加氢反应器中采用此种方法的位置有筒节与筒节环焊缝焊接、封头与 筒节环焊缝焊接、凸台焊接及筒节与接管焊接等【l “”】。 1 3 1 2 手工电弧焊( s m a w ) 焊条电弧焊之所以成为应用最广泛的焊接方 法，主要是固为它的灵活性。由于焊条电弧焊设备简单、移动方便、电缆 长、焊把轻，因而广泛用于平焊、立焊、横焊、仰焊等各种空间位置和对 4 第1 章绪论 接、搭接、角接、丁形接头等各种接头形式的焊接。加氢反应器中采用手 工电弧焊的位置有封头与接管焊接、筒节与接管焊接及c 钢座与c r - m o 裙 座焊接等。 1 3 1 3 钨极氩弧焊( g t a w ) 此种焊接方法是在惰性气体的保护下，利用钨 极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝，形成焊缝的焊接方法。由 于其易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于薄件焊接或厚 件的打底焊。加氢反应器中采用钨极氩弧焊的位置有管路环焊缝焊接和 p w h t 后不锈钢堆焊层补焊。 1 3 1 4 药芯焊丝电孤焊( f c a w ) 此种焊接方法的焊接热是由药芯焊丝和工 件之间的电弧产生的，通过药粉燃烧和分解产生的体对电弧和焊接区进行 保护，或者通过药粉产生的气体与外加气体共同进行保护。加氢反应器中 采用药芯焊丝电孤焊的位置有内构件焊接、内部凸台安装部位的不锈钢焊 接及接管内壁不锈钢堆焊等【l 5 1 。 1 3 1 5 电渣焊( e s v o 此种焊接方法是利用电流通过液态熔渣产生的电阻 热边行焊接的。目前，电渣焊已成为大型金属结构制造的一种重要、成熟 的加工手段，在重型机械、钢结构、大型建筑、锅炉、石油化工等行业中 获得较为广泛的应用i l “。加氢反应器中采用电渣焊的位置有筒体内表面不 锈钢堆焊、封头内表面不锈钢堆焊及人孔内表面不锈钢堆焊等。 1 3 2 加氢反应器的焊接工艺 加氢反应器技术条件要求严格，制造工艺繁杂，因此必须参考和吸取 国外成熟工艺规范及实践经验，同时借鉴国内使用该钢制造各类压力容器 的经验，并在此基础上进行必要的焊接工艺试验、工艺评定试验及见证件 试验。加氢反应器焊接工艺评定的依据有：国家劳动总局颁发的压力容 器安全监察规程、j b 3 9 6 4 8 5 压力容器焊接工艺评定和j b 7 4 1 8 0 钢制 焊接压力容器技术条件掣1 7 1 。图1 - 2 为加氢反应器焊接工艺流程图，图1 3 为2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢加氢反应器w p s 与焊缝关系图，表1 1 为 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢焊接工艺规程目录。 燕山大学工学硕士学位论文 图l - 2 加氢反应器焊接工艺流程图 f i g 1 - 2w e l d i n gt e c h n o l o g yf l o wc h a r to f h y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nc h a m b e r 图1 - 32 2 5 c r - l m o - o 2 5 v 钢加氢反应器w p s 与焊缝关系 f i g 1 3t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ew p s a n dt h ew e l d i n gs e a l n s 6 第1 章绪论 表l - l2 2 5 c r - l m o - 0 2 5 v 钢焊接工艺规程目录 w p sn o 名称 焊接方法 w p 1 筒节与筒节环焊缝焊接 s a w w p 2 封头与筒节环焊缝焊接s a w w p - 3封头与接管焊接s m a w + s a w w p - 4 筒节与接管焊接s m a w + s a w w p - 5c r - m o 钢凸台堆焊s a w w p - 6 管路环焊缝焊接妞 j n + s 州 w p 7 c r - m o 裙座与筒节焊接s m a w + s a w w p - 8 裙座纵焊缝焊接s m a w w p - 9 c 钢座弓c r - m o 裙座焊接s m a w + s a w w p 1 0 固定焊接 s m a w w p 1 l 母材焊缝补焊s m a w w p - 1 2 内构件焊接f c a w w p - 1 3 筒体内表面不锈钢堆焊e s w w p 1 4封头内表面小锈钢堆焊e s w w p 1 5 人孔内表面不锈钢堆焊e s w w p 1 6 筒节收口处内表面及封头环焊缝不锈钢堆焊e s w w p 1 7 凸台( 斜角) 不锈钢堆焊e s w w p 1 8 内部凸台安装部位的不锈钢焊接f c a w w p 1 9 凸台( 直角) 不锈钢堆焊f c a w w p - 2 0 凸台( 直9 4 ) 不锈钢堆焊 f c a w w p 2 l 接管内壁不锈钢堆焊f c a w w p 2 2 弯接管内壁堆焊及管路不锈钢封根堆焊s m a w w p - 2 3密封槽不锈钢堆焊f c a w + s m a w w p 2 4密封槽不锈钢堆焊f c a w + s m a w w p 2 5p w h t 前小锈钢堆焊层补焊s m a w w p - 2 6 p w h t 后不锈钢堆焊层补焊 g t a w 7 燕山人学工学硕十学位论文 1 4 焊接热影响区的组织与性能及焊接热模拟 焊接热影响区是焊接接头的薄弱环节，其力学性能的好坏，将决定整 个焊接接头的性能。由于焊接时母材热影响区上各点距焊缝的远近不同， 所以各点所经历的焊接热循环不同，这就会出现不同的组织，因而就具有 不同的性斛”9 1 。由此看来，整个焊接热影响区的组织和性能是不均匀的。 1 4 1 焊接热影响区的组织分布 对于一般常用的低碳钢和某些低合金钢( 不易淬火钢) ，常见钢种有 1 6 m n 、1 5 m n v 、1 5 m n t i 等，在焊接热影响区根据组织上的特征。可分为 以下四个区：熔合区、过热区、完全重结晶区、不完全重结晶区。图1 - 4 为焊接热影响区的温度分布与状态图的关系【1 9 l 。 n t c o r ， 羞嚣区l母耐热髟响区l母耕 c b ， 图l - 4 焊接热影响区的温度分布与状态图的关系 f i g 1 - 4t h er e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc o n s t i t u t i o n a ld i a g r a mo f h a z 1 4 1 1 熔合区其在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，所以对 焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。在许多情况下熔合区是产生裂纹、 第i 章绪论 脆性破坏的发源地。 1 4 1 2 过热区此区的温度范围是处在固相线以下到1 1 0 0 左右，金属是 处于过热的状态。奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大 的组织。此区的韧性很低，通常要降低2 0 3 0 左右。因此，焊接刚度较 大的结构时，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。过热区也是焊接热模拟时 经常模拟的区域。 1 4 1 3 相变重结晶区( 正火区) 焊接时母材金属被加热到a c 3 以上的部位， 将发生重结晶( o p 铁索体和珠光体全部转变为奥氏体) ，然后在空气中冷却就 会得到均匀而细小的珠光体和铁索体。相当于热处理时的正火组织。此区 的塑性和韧性都比较好。 1 4 1 4 不完全重结晶区焊接时处于a c l 与a c 3 之间范围内的热影响区就是 属于不完全重结晶区。只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒 细小的铁素体和珠光体，因此力学性能不均匀【2 0 j 。 1 4 2 焊接热影响区( h a z ) 韧性劣化的成因 在焊接过程中，焊道附近的金属经受了强烈的焊接热循环过程，产生 了一系列物理和化学变化。显微组织的形态改变、晶粒粗化、二次相变及 微合金碳氮化物溶解和重新析出过程等，在焊接接头附近产生热应力、残 余应力及体积变形等，这些都将严重影响焊接接头，尤其热影响区的冲击 韧性。h a z 中的韧性劣化是在强烈的焊接热量作用下，熔合线附近的热影 响区晶粒严重粗化，在冷却过程中形成粗大的二次相变产物，如粗大的晶 界铁素体( g b f ) 、侧板条铁索体( f s p ) 及上贝氏体( b u ) 、m a 组元及沉淀析出 物等，即h a z 存在韧性很低的局部脆化区( l b z ) 【l “。下面对焊接热影响区 韧性劣化机理进行简要的论述。 1 4 2 1 粗晶热影响区( c g h a z ) 也称为过热区，其与熔合线( f u s i o nl i n e ) 相 邻，由于受焊接电弧热的强烈作用，c g h a z 中的奥氏体晶粒急剧长大，形 成晶粒粗大的热影响区组织。c g h a z 韧性劣化的成因是粗大的奥氏体晶粒 尺寸在冷却过程中通过转变温度区时，发生二次相变过程，形成粗大的晶 9 燕山大学丁学硕士学位论文 界铁素体( g b f ) 、侧板条铁素体( f s p ) 和上贝氏体( b u ) 以及冷却过程中重新析 出沉淀的碳氮化物等。改善c g h a z 韧性可以通过合金设计，降低碳当量和 n 含量，使晶界铁素体( g b f ) 、侧板条铁素体( f s p ) 和上贝氏体( b m 被多边铁 素体( p f ) - 下贝氏体或多边铁素体贝氏体珠光体组织替代。防止奥氏体晶粒 粗化，减少固溶 n 】以及添7 j n n i 等【2 2 埘】。 1 4 2 2 临界温度区间热影响区( i c h a z ) 其焊接热循环的峰值温度介于 a e l - a c 3 之间的单次热循环形成的区域。这一区域基本不存在任何晶粒粗化。 由于存在部分吖- a 循环相变过程，使碳在相变过程中向奥氏体富集( c 在奥 氏体中的化学位远低于铁索体中的化学位，由此造成c 从铁素体向奥氏体扩 散，形成c 富集的奥氏体) 。当奥氏体再分解时，易形成脆硬相( 如高碳孪晶 马氏体、m - a 组元等) ，造成脆化。通过研究，发现i c h a z 韧性取决于母材 金属的韧性。改善母材金属韧性，通过t m c p 或d q t q - 艺细化母材金属晶粒 并降低c e v 对于改善i c h a z 韧性极其有利 2 2 2 a | 。 1 4 2 3 临界温度区间粗晶热影响区( i c c g h a z ) 是c g h a z 在多道次焊接时 被后一道次焊接热循环再次加热到峰值温度a c l a c 3 之间形成的区域。该区 域可能是多道次焊接接头韧性最低的区域，在重新转变而形成的奥氏体中， c 高度集中，粗大的奥氏体晶粒提供很大的组织淬硬性。当奥氏体再分解时， 形成m a 组元，并以项链状分布在原粗大的奥氏体晶界。i c c g h a z 韧性不 仅取决于m “组元的体积百分数，也取决于m a 形貌和弥散度，如m a 组元 的形状因予和m a 组元之间的间距。m a 组元有两种形貌，即细长型和块 型。细长型分布于贝氏体板条之间的界面上，块型颗粒分布于铁素体与残 余奥氏体之间的界面上，但颗粒状m a 对韧性的危害性更大。m a 组元的c 含量很高，其硬度也很高，是裂纹萌生的起始点，脆性断裂常常从m a 组 元开始。因此，降低m a 体积百分数，改变其形态和分布是改善i c c g h a z 韧性的最有效手段。在较低线能量焊接时，易出现局部脆化区问题。在多 道次焊接过程中，如果第三次焊接热循环的峰值温度4 5 0 。c a e l 之间，因m a 组元分解成铁素体和渗碳体，韧性则可以得到部分恢复。研究表明，只有 当钢中s i 0 0 2 5 、中等s 含量的钢种。b 与n 一起合金化后，在钢中形成细小弥散的f e 2 3 ( c b ) 6 + t i n + m n s 复合粒子。在这 种复合粒子周围的基体相中，形成贫c 、贫m n 微区，从而提高了铁素体相 变温度( a c 3 ) ，增大了铁素体形核驱动力( a c 3 a t 3 ) ，进而促进铁素体晶粒形 核。此外，偏聚于奥氏体晶界上的数个p p m l 司溶【b 】，提高了钢的淬透性， 抑制了晶界粗大铁素体的形成。因此，f e 2 3 ( c b ) 6 + t i n + m n s 复合粒子可以作 为针状铁素体形核的有效位置，促进奥氏体晶内针状铁素体形核，细化h a z 组织，改善h a z 韧性。 1 4 3 5t i b 超低a i ( 质量百分含量( o 0 1 ) 中等n 含量技术n 和b 均是强氮 化物形成元素，但是在焊接热循环过程中，t i n 与b n 作用根本不同。t i n 在 相对较高的温度下( 1 3 5 0 ) ，t i n 粒子部分溶解，不能有效抑制c g h a z 晶粒长 大。虽然在高温下b n 粒子没有t i n 粒子稳定且全部固溶于钢中，但由于【b 】 在钢中的高扩散性，b n 在焊接热循环冷却过程中重新析出，b n 粒子因晶体 结构的特殊性，与铁素体具有低能位向关系，b n 粒子可成为铁素体形核的 有效位置，促进等轴铁素体晶粒在奥氏体晶内形核，细化c g h a z 组织。为 了充分利用t i n 和b n 粒子，降低钢中a 1 含量是必要的，因为 a q 也是氮化 物强形成元素，能在很大程度上抑制b n 粒子的形成。此外，降低 a 1 】含量 能促进奥氏体中的c 扩散，促进铁素体形成，抑制m a 组元形成，改善h a z 韧性。 1 4 3 6r e m b 技术在焊接热循环冷却过程中，由于 b 】的高速扩散性，在 焊接热循环冷却过程中， b 】与i n 迅速形成b n 粒子，b n 粒子由于晶体结构 的特殊性，与铁素体具有低能位向关系，b n 粒子能够成为铁素体形核的有 燕山大学工学硕士学位论文 效位置，促进等轴铁素体晶粒在奥氏体晶内形核。此外，偏聚于奥氏体晶 界上的数个p p m 固溶【b 】，提高钢的淬硬性，抑制晶界粗大铁素体形成，两 者的共同作用使h a z 组织得到充分细化，改善h a z 韧性。为使b n 粒子促进 形成细小的铁素体晶粒，首先要促进b n 的形成，达到一定的数量，采用r e m 处理，以形成超细微r e m ( o ，s ) 夹杂物，促进b n 的析出，即b n 常在r e m ( o ， s 1 夹杂物上非均匀形核 3 6 1 。 1 4 3 7 m g o t i n 复合冶金技术钢中加入微量m g 的目的是生成稳定性很高 的m g o 粒子。细小弥散分布的m g o 粒子可以抑制焊接熔合线附近 ( o 5 1 m m ) c g h a z 奥氏体晶粒长大和奥氏体晶界粗大铁素体( g b f ) 形成，促 进h a z 奥氏体晶内铁素体形成，改善焊接h a z 低温韧性。采用大线能量焊 接时，距离熔合线附近( o 5 1 0 m m ) c g h a z 范围，由于过热温度高达1 4 0 0 以上，甚至达1 4 5 0 以上，此时t i n 粒子几乎全部溶解而变得毫无作用。相 反，稳定性很高的m g o 粒子几乎不发生溶解而保留下来，抑制c g h a z 奥氏 体晶粒长大，促进奥氏体晶内铁素体形核，细化熔合线附近c g h a z 组织， 达到改善c g h a z 韧性作用，此项技术已在日本新日铁公司开发成功【3 5 1 。 1 4 3 8 合理的合金体系和制造工艺设计为提高h a z 韧性，在钢的合金体系 设计和制造阶段，需要对其进行全面考虑，首先降低c 含量和c e v 以及p 、s 、 n 、s i 含量，合理控制微合金t i 、n b 、v 、b 含量范围，再降低h a z 中m a 组元形成，促进m - a 组元分解以及减小二次沉淀硬化对h a z 韧性的有害作 用。采用c u - n i 合金化，以及t m c p 或d q t 技术弥补c e v 下降造成的强度降 低，优化钢的显微组织【2 1 2 ”。 1 4 3 9 合理焊接规范的选择在实际焊接过程中，根据工程施工进度、施工 条件、施工质量要求及钢材化学成分、组织和性能，选择合理的焊接规范， 以保证焊接接头的韧性，尤其是热影响区的韧性。对于采用大线能量焊接 规范，焊接过热区冷却速度较慢，处于高温区时问较长，奥氏体晶粒粗化 严重，易形成粗大晶界铁素体、晶界铁素体侧板条( 即魏氏组织) 和粗大的上 贝氏体。采用中小线能量焊接规范，焊接过热区冷却速度较快，处于高温 区时间较短，奥氏体晶粒粗化程度较小，易形成等轴铁素体、贝氏体甚至 马氏体( 随合金淬硬性不同而变化) 。采用大线能量焊接的钢材，适宜采用促 1 4 第1 章绪论 进奥氏体晶内大量铁素体形核( 等轴铁素体或针状铁素体) ，把奥氏体晶粒进 行分割，形成晶粒细小的热影响区组织。采用中小线能量焊接的钢材，宜 采用高稳定性的第二相粒子( 如钛的微合金碳氮化物) ，通过z e n e r 钉扎作用， 阻碍奥氏体晶粒或相变后的铁素体晶粒长大，