焊后熱處理對SA 738 Gr.B鋼熱影響區沖擊性能和斷裂韌性的影響

張俊寶，柳勝華，谷 雨

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

0 引言

鋼制安全殼是先進壓水堆AP1000和CAP1400重要的核級設備之一，是防止放射性物質擴散的第三道安全屏障[1]。CAP1400鋼制安全殼筒體的厚度為52～55 mm，筒體直徑為43 m，由12環焊接而成，每環由12塊板焊接組成。根據鋼制安全殼的設計標準ASME規范(2007及2008補遺)第Ⅲ卷第1冊NE分卷的要求，當焊縫厚度大于44 mm時，應進行焊后熱處理[2]。

焊后熱處理的主要目的是釋放焊接殘余應力和改善熱影響區的性能。焊接殘余應力會影響結構的疲勞性能和抗應力腐蝕性能，對于鋼制安全殼來說，不存在這兩種運行工況[3]。目前的研究表明[4]，對于調質鋼，焊后熱處理后會導致斷裂韌性降低。焊后熱處理對組織的影響，導致近焊縫的熱影響區的斷裂韌性降低，其對結構的安全性更為重要。雖然焊后熱處理降低了焊接殘余應力，但由于斷裂韌性降低導致抗脆斷能力降低的情況，應予以關注。

本文對鋼制安全殼厚度為55 mm的SA 738 Gr.B調質鋼板的焊態和焊后熱處理態的斷裂韌性進行對比，確定焊后熱處理對熱影響區性能的影響程度。

1 試板的焊接

文中采用無拘束狀態焊接的試驗方案，焊接材料、母材、坡口加工及焊接工藝等均與CAP1400核電站鋼制安全殼的技術要求保持一致。其中，母材為厚度55 mm的SA 738 Gr.B鋼板，其化學成分、交貨態室溫拉伸和沖擊性能分別如表1，2所示。

表1 SA 738 Gr.B鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of SA 738 Gr.B steel %

表2 SA 738 Gr.B鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of SA 738 Gr.B steel

試板為對稱的雙V形坡口，坡口角度為60°，采用手工電弧焊焊接，焊條牌號為E9018-G，直徑為4.0 mm，每側焊接10層，其化學成分見表3，焊接參數見表4。焊接的預熱溫度最低為93 ℃，焊接位置為3G(立向上焊接)，焊接后的試件分為兩部分，一部分為焊態，另一部分進行焊后熱處理，母材的回火溫度為640 ℃，因此，確定焊后熱處理溫度為595～620 ℃。根據ASME第Ⅲ卷第1冊NE分卷的要求，厚度55 mm的焊接接頭需要焊后熱處理的時間為125 min，考慮產品允許進行2次返修，并留有一定的裕量，確定焊后熱處理保溫時間為600 min。

表3 E9018-G焊條的化學成分Tab.3 Chemical composition of E9018-G electrode %

表4 焊接參數Tab.4 Welding parameters

焊后熱處理后對焊縫進行打磨，以便進行無損檢測。按照ASME規范第Ⅲ卷NE分卷的要求進行了磁粉檢測(MT)、超聲檢測(UT)、射線檢測(RT)，檢測結果均滿足要求。

2 焊態及焊后熱處理態熱影響區沖擊韌性和斷裂試驗

2.1 試驗方法

ASTM于1997年頒布了主曲線法的試驗標準ASTM E1921—1997《確定鐵素體鋼在韌脆轉變區的參考溫度T0的標準測試方法》。該標準提供了單溫度法和多溫度法兩種參照溫度T0的方法。本文采用ASTM E1921—1997標準制定的主曲線法來表征SA 738 Gr.B鋼熱影響區在熱處理前后的斷裂韌性。

按照ASTM E1921—1997試驗研究材料的參考溫度T0，首先需要選擇材料在韌脆轉變區的斷裂韌性試驗溫度。ASTM E1921—1997規定試驗溫度T必須落在∣T-T0∣≤50 ℃的范圍內。由于T0在試驗之前是未知的，因此合理地初選斷裂韌性的試驗溫度T十分關鍵[5-7]。

因此，要得到試驗材料的T0，需要開展材料的夏比沖擊試驗，一般取8個溫度點，每個溫度下取3個夏比沖擊試樣進行試驗，依據夏比沖擊轉變曲線，得到28 J或41 J所對應的溫度，依據此溫度估測出進行斷裂韌性試驗的溫度。

T0可采用單溫度法或多溫度法進行測量，文中采用單溫度法測量，需要8～10個C(T)試樣?？紤]到焊接接頭熱影響區與實際尺寸的限制，用0.5T-C(T)試樣進行斷裂韌性試驗。斷裂韌性取樣如圖1所示，預制裂紋距離熔合線約0.8 mm，其擴展方向平行于熱影響區。試樣的結構尺寸見圖2。

(a)熱影響區C(T)試樣位置

圖2 0.5T-C(T)試樣的結構尺寸示意Fig.2 Schematic diagram of structural dimensions of 0.5T-C(T) specimen

2.2 焊態和熱處理態焊接接頭金相檢驗

通過焊接接頭的金相觀察，對比焊態和熱處理態的顯微組織，為確定熱處理后對顯微組織的影響提供參考;同時可以確定裂紋平面的組織狀態，為確定開槽位置提供參考。熱影響區(組織發生變化)的寬度約3.5 mm，分為粗晶區和細晶區，粗晶區在靠近熔合線(熔合區)處，金屬局部晶粒熔化，造成晶粒極其粗大且晶界和晶界內化學成分和組織不均勻。粗晶區的晶粒比細晶區的晶粒大得多，并且在粗晶區的晶粒邊界聚集著大量的碳化物，這導致粗晶區成為熱影響區的薄弱環節。在沖擊韌性和斷裂取樣時，應使裂紋平面盡可能地靠近粗晶區。在細晶粒區，該區的組織由細小均勻的鐵素體和珠光體組織以及未發生相變的粗大鐵素體組成。熱影響區粗晶區金相圖如圖3所示。

(a)焊態

2.3 焊態和熱處理態熱影響區沖擊試驗

熱影響區沖擊試驗按ASTM A370—2007《鋼制品力學性能的標準試驗方法和定義》進行。在試板中按T-L方向(裂紋擴展方向為焊接方向)取樣，加工標準夏比V形缺口試樣，試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。夏比沖擊試驗的溫度范圍為-190～50 ℃，沖擊能量600 J，沖擊速度約為5 m/s。

夏比沖擊吸收能量隨溫度的變化關系用雙曲正切函數擬合，如圖4,5所示。根據轉變曲線得到斷裂韌性試驗所需要的特征溫度點T28J，T41J，這兩個溫度分別表示沖擊吸收能量為28 J和41 J所對應的溫度(見表5)，據此確定熱影響區的斷裂韌性試驗溫度。

圖4 焊態HAZ沖擊吸收能量隨溫度變化曲線Fig.4 Impact absorption energy versus temperature curve of as-welded HAZ

圖5 熱處理態HAZ沖擊吸收能量隨溫度變化曲線Fig.5 Impact absorption energy versus temperature curve of postweld heat treated HAZ

表5 特征溫度點和試驗溫度Tab.5 Characteristic temperature points and test temperature

對比焊態和熱處理態沖擊試驗擬合曲線和特征溫度點，焊后熱處理的熱影響區特征溫度較焊態高約15 ℃，表明焊后熱處理對其沖擊韌性沒有改善。

2.4 熱影響區斷裂韌性試驗及結果

斷裂韌性試驗溫度參考熱影響區所對應的韌脆轉變曲線的特征溫度點T28J和T41J，最終確定的焊態熱影響區的試驗溫度為-130 ℃，熱處理態的試驗溫度為-120 ℃，在相應溫度下開展熱影響區0.5T-C(T)試樣的緊湊拉伸試驗，同時，也開展了熱影響區熱處理態-130 ℃的緊湊拉伸試驗。焊態和焊后熱處理態-130 ℃的緊湊拉伸試驗結果見表6。通過計算，焊態斷裂韌性的平均值為133 MPa·m1/2，熱處理態斷裂韌性的平均值為123 MPa·m1/2。

表6 焊態和焊后熱處理態熱影響區斷裂韌性試驗結果Tab.6 Fracture toughness test results of as-welded and postweld heat treated HAZ

采用單溫度法測定焊態和熱處理態的參考溫度T0，測得的參考溫度見表7。

表7 焊態和焊后熱處理態熱影響區參考溫度T0Tab.7 Reference temperature (T0) of as-welded and postweld heat treated HAZ

從以上結果可以得出，焊后熱處理后，斷裂韌性平均值減少了10 MPa·m1/2,參考轉變溫度T0提高了9.5 ℃，表明焊后熱處理對斷裂韌性沒有改善。

2.5 分析討論

從圖3可以看出，焊后熱處理態熱影響區晶粒顯著長大。取焊態和熱處理態的緊湊拉伸試樣的斷口進行掃描電鏡分析，結果顯示：與焊態相比，碳化物數量增多。在沖擊過程中，碳化物會成為裂紋源，從而顯著降低了熱影響區的沖擊性能。焊態和焊后熱處理態掃描電鏡的顯微組織如圖6所示。

另外，有研究表明：對于SA 738等含有Nb和V等合金元素的高強鋼，在焊后熱處理時會導致位錯密度的降低、碳化物的形成和長大[3,8-13]，形成的碳化物會導致沖擊性能和斷裂韌性降低[14-15]。因此，焊后熱處理對熱影響區的性能會帶來不利的影響。

(a)焊態

3 結語

(1)對比焊態和焊后熱處理態((595～620) ℃×10 h)的沖擊韌性試驗結果擬合曲線，焊后熱處理的熱影響區特征溫度較焊態高約15 ℃，表明焊后熱處理對其沖擊韌性沒有改善。

(2)對比焊態和焊后熱處理態((595～620) ℃×10 h)的參考溫度T0(焊態-133.3 ℃，熱處理態-123.8 ℃)，可見焊后熱處理的參考溫度T0較焊態高9.5 ℃，斷裂韌性平均值減少10 MPa·m1/2。說明焊后熱處理對鋼制安全殼SA 738 Gr.B鋼的斷裂韌性沒有改善，與沖擊試驗結果相對一致。

(3)與焊態相比，焊后熱處理態熱影響區晶粒有所長大，碳化物數量增多,在沖擊過程中碳化物會成為裂紋源，從而可降低熱影響區的沖擊性能。