T91钢焊接热影响区粗晶区韧性研究

· 38 · 造 船 技 术 2005年第 3期(总第 265期) T9 1钢焊接热影响区粗晶区韧性研究 曹能 ，冯涛 ，薛小怀 ，楼松年 (1-上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200030；2．宝山钢铁股份有 限公司，上海 201900) 提 要 利用热模拟机对 T91钢焊接过程热循环 进行模拟。热处理后试样 的硬度试验 、冲击韧性试验 和显微组织分析表明，焊接热模 拟后在 T91钢热影响 区粗 晶区形成的粗 大马 氏体组 织是 引起 韧性 显著下 降、硬度增加的主要原 因。采 用热处理使 马氏体转变 为组 织细小的回 火索 氏体组织，改善 了热影响 区粗晶 区的性能。采用 t 。为 8～10s获得有利于韧性的组织 晶粒 ，770℃+4h热处理提高热影响区粗晶区的韧性 。 主题词 钢 焊接接头 模拟试验 热处理 微观组织 韧性 l 前言 T91钢具有良好的高温强度、高温抗氧化性和 抗腐蚀性，是锅炉完成主蒸汽温度由538℃向566℃ 过渡的首选材料，也是锅炉主蒸汽温度由 566~C向 593℃过渡的关键材料，可用于制造金属壁温< 650℃的高压锅炉再热器、过热器等受热面管_lj’L 。 T91钢是一种新型马氏体耐热钢，以其良好耐 高温性能广泛用于锅炉受热管系 (完全能满足 600℃以上高温状态下长期服役的要求)。但对焊接 要求极高，主要存在冷裂纹、热裂纹和焊接热影响区 粗晶脆化的问题 ]。焊接热影响区是一个小范 围的局部区域 ，一般宽度只有几毫米 ，其中粗晶区更 为狭小。而焊接热模拟试样则是在计算机控制的热 模拟机上，对试样施加与实际焊接时相同或相近的 热循环 ，从 而在 一个 相 当大 的区域 (一 般为 2～ 5ram)获得与实际粗晶区相 同或相近的组织状态． 因而可以制备足够尺寸的试样，对其进行组织和性 能的研究。并且由热模拟试样测试的结果与实际粗 晶区的真实值有相当的一致性，所以本文采用焊接 热模拟的方法来研究 T91钢的焊接粗晶区的组织 与韧性。 2 试验材料与试验方法 本次试验中所用 T91钢的化学成分见表 1，常 温力学性能见表 2。 表 1 T91钢主要化学成分 化学元素 C Mn Si Cr MO V S P Ni Nb N 成分 比(重量 ) 0．09 0．65 O．22 9．O 1．1 0．20 0．01 0．02 0．8O O．O5 0．04 表 2 1"91钢常温(2O℃ )力学性能 项目 拉伸强度 屈服强度 伸长率 6，． 冲击值 鲰 性能值 706 MPa 571 MPa 26 105．33 J 本试验使用的热模拟试验设备是日本产 Ther— morestor—W型高频感应加热热模拟试验机，根据火 力发电厂常用的 T91钢小口径锅炉管的不同焊接 条件和焊接工艺参数，以及不同的焊接热处理制度 进行焊接热模拟试验，热模拟试样尺寸为：10．5ram × 10．5ram × 55ram。 ， 冲击试验是在吴忠材料试验机厂生产的 JB30B 型冲击能量为 30／15 kgf·m的材料冲击试验机上 作者筒 ：曹能(1964一)，男．高级工程师。 进行的。本次试验用的电解抛光机为 POLIPOW— ER型双喷电解抛光机，抛光液为 5 高氯酸乙醇 精细结构分析，采用日本 JEO[ 公司制造的JEM一 200CX型透射电子显微镜进行。 3 试验结果及分析 3．1 热模拟试验 试验中所用的热模拟试验参数见表 3所示。为 了研究热处理对试样性能的影响，本次试验中0号 试样在模拟之后没有进行热处理。1号和2号试样 的热模拟加热曲线如图 1所示。图2所示为 1号和 2号试样的热模拟后热处理曲线。 维普资讯 http://www.cqvip.com 曹能，等：Tgl铜焊接热影响区粗晶区韧性研 究 · 39 · 表3 1"91钢焊接热模拟试验参数 试样编号 预热温度(℃) 焊接层数 层 间温度(℃) 焊后热处理温度(℃) 保温时间(h) 0 3 ≥450 —— 1 3 ≥450 750±10 1 2 3 ≥450 770±10 4 v-6cm／mln 图 1 1号和 2号试样热模拟加热曲线 b 图 2 试样热模拟后热处理温度曲线 a 1号试样 _b～2号试样 3．2 热模拟试样冲击试验 为了检验热处理之后模拟试样的力学性能，对 热处理之后的试样在室温进行了冲击韧性试验，在 每一个热处理工艺下都进行了 4次冲击试验 ，试验 数据见表 4所示。 表 4 热处理后 20℃冲击韧性试验数据值 单位：J 试样编号 第一组 第二组 第三组 第四组 平均值 1 1O 14 8 18 12．5O 2 58 92 64 166 95．00 由表 4可见，当模拟试样的热处理工艺参数不 同时，试样的冲击韧性相差很大。当采用 750℃保 温 1h的工艺参数时，冲击韧性平均值只有 12．5J， 而采用 770℃保温 4h的工艺参数时，冲击韧性的数 值能达到 95J。这表明，随着保温温度的升高和保 温时间的延长，试样的冲击韧性随之提高。 3．3 模拟试样显微组织分析 冲击试样的性能因热处理工艺的不同而出现了 明显的不同，这就表明由于热处理工艺的不同，模拟 试样的金相组织也不同。本次试验中对模拟试样的 显微组织进行了金相分析和透射电镜分析。图3所 示为 1号热模拟试样热处理前后的金相组织；图 4 为 2号热模拟试样热处理前后的金相组织。 T91钢母材为低碳回火索氏体组织，马氏体形 貌基本消失，但是仍呈现马氏体板条特征，晶粒细 小，晶粒度达 8级，以固溶强化、弥散强化、碳化物 M! C 等析出强化多种方式提高母材的性能。由图 3和图 4可见，焊接热影响区热模拟试验后热影响 区晶粒粗化，重新产生马氏体板条。焊后经不同热 处理温度处理后的马氏体板条的存在形貌不同；较 低温度热处理试样仍存在较多的马氏体板条与较多 的位错，而较高温度热处理试样的马氏体板条基本 分解，位错密度降低。 为了能更加清楚地说明热模拟试样精细结构的 不同，对试样进行了透射电镜分析。图 5所示为 0 号试样的透射电镜照片，图 6所示为 l号试样的透 射电镜照片，图 7所示为 2号试样的透射电镜照片。 由图5可见，未经热处理的0号试样其组织主 要为粗大的板条马氏体。在热影响区粗晶区中，焊 接时的峰值温度高，加热时间生成粗大的奥氏体组 ＼ 一八 ～ ＼ l_ 一入 一 ＼ 、惦 维普资讯 http://www.cqvip.com · 40 · 造 船 技 术 2005年第 3期(总第 265期) b 图 3 l号热模拟试样热处理前后金相组织 a 热处理前．b 热处理后 b 图 4 2号热模拟试样热处理前后金相组织 a一热处理前 Ib一热处理后 图 5 0号试样透射电镜照片 图 6 1号试样透射电镜照片 维普资讯 http://www.cqvip.com 曹能，等：T91钢焊接热影响区粗晶区韧性研究 · 41 · 图 7 2号试 祥 透射 电镜 照 片 织，随后冷却到马氏体转变温度，粗大的奥氏体转化 成粗大的马氏体组织。马氏体板条粗大，使得韧性 下降。由图4a可见，在马氏体板条中位错密度较 大，应力较大，这是因为在形成马氏体时问，共格畸 变和体积膨胀产生大量位错，导致韧性下降。此外， 图中还可以见到碳化物析出，这种析出的碳化物也 会降低韧性。试验材料在迅速加热到焊接时的峰值 温度，此时发生碳的扩散与迁移，随着奥氏体化的进 行，碳向奥氏体中偏聚，在随后的快速冷却条件下， 已经转变的奥氏体中偏聚了较高的碳量，使得奥氏 体向铁素体的转变受阻，从而使转变过程向马氏体 点靠近，偏向于形成马氏体组织。由于该过程比较 快，碳来不及进行扩散，故而得到的马氏体含有大量 的碳。 以比较高的温度进行热处理时，在形成马氏体 过程中来不及扩散的碳获得足够的动力，使饱和的 碳脱溶从而发生马氏体向铁素体的转变，脱溶扩散 的碳与附近的合金元素就可能形成碳化物分布在晶 界附近(图6)。但是，由于热处理温度不够高，所以 只有部分马氏体发生了转变，形成回火索氏体组织。 不仅如此，回火还使得板条细化(图 6)，从而对改善 材料的性能有利。 增加2号试样的热处理温度，并延长保温时问， 使材料的板条组织大大细化，『『『『且使马氏体组织发 生完全转变，形成索氏体组织(图 7)，从而显著地改 善了T91钢的热影响区粗晶I25=的韧性。 4 结论 (1)T91钢热影响区粗晶区中形成粗大的马氏 体组织是引起韧性下降，硬度增加的主要原因。小 线能量多道多层焊有利于获得比较细小的热影响区 粗晶区组织晶粒 ； (2)当选用小线能量多道多层焊，对应的 t 为 8410s，焊后经 770℃+4h的后热处理 ，可以改善 T91钢热影响区粗晶区的组织，提高韧性并降低硬 度； (3)采用 770℃+4h的后热处理，使 T91钢焊 接热模拟试样形成细小均匀的回火索氏体组织，是 改善热影响区粗晶区韧性的主要原因。 5 参考文献 1 I i Yajiang，Wang Jffan，zhou Bing，et a1．XRD and TEM analysis of microstructure in the welding zone of 9Cr 1 Mo-V—Nb heat—resisting stee1．Bul1．Mater．Sei．2002，25 (3)：213 2 郁福祥．T91钢的焊接．焊接技术，1997，(3)：36 3 Bergquist E I，．Consumables and welding modified 9Cr一 1Mo stee1．Svetsaren 1999，(1～ 2)：22 4 徐德 录．T91／P91钢 焊接 材 料的 发展 及应 用．焊接 ， 2002，(8)：10 5 郭大展 ，李汾兰 ，朱蕊花，等．9Cr一1Mo-V—Nb耐热钢焊接 接头组织分析．西安交通大学学报 ，1998，32(2)：66 [上接第33页] 地发现和处理船舶进出船坞的各种参数以及运行状 态的变化，从而能够作出相应的处理。通过实际应 用 ，系统运行状态 良好，能够保证浮船坞的平稳性和 正常浮沉，保证了船坞工作的安全和提供了操作依 据，并且能够实现超限报警的功能。 6 参考文献 1 方言．中国造船业软件配套是重中之重．中国水运，2003， (12)： 2 NuDAQ PCI一91 14DG User's Guide．ADI，ink Technology Inc． 维普资讯 http://www.cqvip.com