再熱裂紋敏感性實驗研究方法

劉俊松

（合肥工業大學 材料學院，安徽合肥230009）

壓力容器制造中，為了消除焊接殘余應力，降低焊接接頭的硬度和改善其力學性能，需進行焊后去應力熱處理。但是，對于含Cr、Mo、V等元素的低合金高強鋼，焊后去應力熱處理往往會產生再熱裂紋。這類裂紋有可能躲過無損檢測，在水壓試驗或服役中造成災難性的失效。因此，對這類裂紋的研究具有重要意義，國內外科研工作者做了大量的研究工作，本文介紹幾種曾經使用過的幾種實驗研究方法，以供相關研究時參考與改進。

1 高溫恒應變松弛試驗

早在上世紀七八十年代，哈爾濱焊接研究所和上海汽輪機廠，曾采用高溫恒應變松弛法研究了Cr-Ni-Mo-V系低合金鋼再熱裂紋問題[1～2]。他們采用如圖1所示的由機械式線材拉力機改裝而成的應力松弛試驗機，對一組Cr-Ni-Mo-V系鋼的消除應力裂紋傾向進行了測定。

圖1 應力松弛試驗機

試驗時，為了盡可能接近實際構件的條件，選用了實際焊接接頭。試樣制備時，先按圖2加工試樣板坯，然后以相同的焊接規范在坡口內熔敷一道焊縫，再按圖3加工試樣。

圖2 應力松弛試驗試樣板坯

圖3 應力松弛試驗試樣

將試樣放置于加熱爐內加熱到試驗溫度，到試樣和夾頭溫度穩定，不再因升溫而膨脹時加載，當載荷達預定值后停止加載。由記錄儀記錄應力松弛曲線，并測定試樣破斷時間。根據試驗結果結合掃描電鏡、能譜對晶界斷面形態和成分的分析，他們對二次沉淀硬化弱化晶界和回火脆性因素的說法提出了異議，指出消除應力裂紋的產生主要取決于晶界高溫強度的下降和一次過熱中的晶界脆化。

2 三點彎曲試驗

國外曾采用三點彎曲試驗來研究焊接再熱裂紋[3]。與哈爾濱焊接研究所制備高溫恒應變松弛試樣類似，先將被測材料被加工成15 mm厚的平板，在中間位置開高度為厚度一半的凹槽，在凹槽中施以一道或多道焊，然后將平板切成一些10 mm的薄片，將這些薄片在如圖4所示的工具上彎曲，對其進行預定的去應力熱處理工藝，然后在室溫下解剖觀察是否有裂紋產生，并且可進一步做金相檢測。

圖4 三點彎曲試驗

類似地，也有先用熱模擬的方法獲得試樣，然后將試樣在工具上加載彎曲，再將試樣連同工具放入爐中進行熱處理，最后，取出試樣觀察是否有裂紋產生。還可以對處理過的試樣做沖擊試驗，用掃描電鏡和透射電鏡照相分析等來做進一步研究。

3 高溫緩慢拉伸試驗

C.F.Meitzner證明里海拘束試驗中的裂紋擴展程度，與高溫恒速拉伸試驗后的斷面收縮率有很好的對應關系，A.G.Vinckier又進一步做了許多工作，并制定了相應的標準用于核容器鋼材的評選，如表1所示。

表1 再熱裂紋敏感性評定標準

國內曾用此方法對14MnMoNbB等國產壓力容器用鋼進行了試驗，峰值溫度（℃）為1100、1200、1250和1350，代表焊接熱影響區的不同部位，800～500℃冷卻時間取10～12 s。試樣經熱模擬后加工成高溫拉伸所需的尺寸，然后將試樣升溫到600℃保溫30 min后以1mm/min的速度將試樣拉斷。但試驗結果除14MnMoNbB外與其他試驗有一定出入[4]。

類似地，也曾用此方法對國產CF鋼的再熱裂紋敏感性進行了研究。經過相當于焊接HAZ的模擬熱循環后，再加熱到一定的去應力熱處理溫度（580℃、600℃、620℃）并保溫，同時緩慢加載拉伸，直至拉斷，最后根據A.G.Vinckier提出的4條標準進行評定。

研究發現，在熱處理溫度為600℃的條件下，當熱模擬峰值溫度TM=1300℃時，斷面收縮率ψ=5.1%，低于敏感的ψ值10%，而TM=1200℃時，ψ=29.67%，高于非常敏感的ψ值5%，因此，CF鋼的再熱裂紋敏感性屬于“敏感”級別。但當去應力熱處理溫度降為580℃時，TM=1300℃時的斷面收縮率ψ=16%，則再熱裂紋敏感性似可評定為“稍敏感”級別[5]。

4 插銷試驗

插銷試驗主要用于定量地研究焊接冷裂紋的敏感性，也有不少單位將其改裝后用于再熱裂紋研究。改裝后的插銷試驗機，類似高溫恒應變松弛裝置，插銷上的缺口用以模擬實際焊接接頭根部或焊趾部位的應力集中，底板和插銷焊接后，應保證插銷的缺口根部處于熔合線附近的過熱粗晶區內，缺口的形狀一般采用單“V”形深缺口，其所模擬的焊接狀況最惡劣，其他情況可以放心地使用這一試驗結果。

試驗時先將插銷試樣安裝試驗機上，利用加熱電爐加熱，保溫至溫度均衡時開始加載，記錄下加載應力和插銷斷裂時間。一般采用最短斷裂時間和最低臨界初應力兩個判據，來研究材料的再熱裂紋敏感性。國內曾對武鋼產CF鋼、舞鋼產12MnNiVR鋼以及寶鋼P460NL1等鋼種進行過相關研究[5～6]。

5 小鐵研試驗

小鐵研試驗即斜Y坡口焊接裂紋試驗，主要用于鋼材焊接冷裂紋敏感性的研究，曾制定有相應的國家標準。也可以將其用于再熱裂紋的研究，其原理是采用提高預熱溫度或其他方法，在小鐵研試驗過程中，確保不產生焊接冷裂紋，然后對小鐵研試樣進行焊后熱處理，經過熱處理的試樣按GB4675.1的要求進行解剖，根據裂紋率來判斷材料的再熱裂紋敏感性。

試驗采用如圖5所示的150 mm×200 mm的板料，先焊接拘束焊縫，再焊接試驗焊縫，經消除應力熱處理以后，在顯微鏡下檢查有無裂紋，并觀察裂紋的宏觀特征及取向。國內再熱裂縫課題協作組曾用此方法,對7種國產壓力容器用鋼和3種國內常用的國外鋼種進行了大量試驗[7]。

圖5 小鐵研試件的形狀和尺寸

6 模擬HAZ粗晶區應力釋放試驗

這種試驗隨著熱模擬試驗機的應用近來做的比較多。一般來說，試驗首先模擬出焊接HAZ粗晶區組織，再采取一定的技術措施模擬試樣的殘余應力狀態，然后進行去應力熱處理模擬，直到試樣發生斷裂或設定的保溫階段結束為止。

這種試驗方法可以求出一定再熱處理溫度下的裂紋臨界應力值，可得到應力-斷裂時間曲線，也可在同一應力水平下求出材料再熱裂紋的敏感溫度區。帶缺口試樣的再熱裂紋臨界應力值，比不開缺口者低，開缺口試樣更利于模擬實際焊接接頭的應力集中特征，但試樣的缺口角度及深度要嚴格保證，否則將影響試驗結果，特別是應力-斷裂時間曲線的重現性將受到影響[8～9]。

7 結束語

由上可見，對于焊接再熱裂紋研究，實驗方法很多。總的來講，就研究的對象而言，不外乎實際焊接接頭和模擬HAZ兩大類；就試驗基本原理來說，也就是高溫下應力松弛試驗。但是，應力產生的形式、加載時機以及組織的差異等因素，造成評價的結果并不完全一致，評價材料再熱裂紋敏感性的試驗方法，仍需進一步改進。

[1]郭壽汾，俞繼倫，陶祖潛，等.Cr-Ni-Mo-V系鋼再熱裂縫的研究——再熱裂縫敏感性的測試和恒應變應力松弛試驗方法的介紹[J].焊接，1979，(3)：12-18.

[2]郭壽汾，俞繼倫，陶祖潛，等.低合金高強度鋼消除應力裂縫的研究[J].焊接學報，1981，(3)：35-45.

[3]A Vinckier&A Dhooge.Reheat Cracking in Welded Structures During Stress Relief Heat Treatments[J].Heat Treating，1979，（1）：72-80.

[4]陳 楚，張月嫦.焊接熱模擬技術[M].北京：機械工業出版社，1986.

[5]《大型球罐用CF鋼的應用研究》課題協作組.CF-62鋼焊接性試驗研究[J].壓力容器，1987，(5)：20-26.

[6]汪 輝，鄭云龍，卜華全，等.12MnNiVR鋼板焊接裂紋敏感性的試驗研究[J].壓力容器，2003，(6)：19-23.

[7]再熱裂縫課題協作組.壓力容器用鋼再熱裂縫研究[J].壓力容器，1981，(10)：1-14.

[8]Seth Jason Norton.Development of A Glebe based Test for Post Weld Heat Treatment Cracking in Nickel Alloys[D].Ohio：Ohio State University，2002.

[9]Phung-on Isaratat.An Investigation ofReheat Cracking in the Weld Heat Affected Zone ofType 347 Stainless Steel[D].Ohio：Ohio State University，2007.