10MnNi2MoV低合金鋼管接頭裂紋性質(zhì)分析

劉剛,杜愛國,王威琦,馬連驥,張靈文

（1. 西安熱工研究院有限公司，西安 710065； 2. 江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042；3. 華能酒泉發(fā)電有限公司，甘肅 酒泉 735000）

0 前言

10MnNi2MoV低合金鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且在長期使用下組織穩(wěn)定，因此，常用于電廠機(jī)組主蒸氣管道。但是10MnNi2MoV低合金鋼管焊接時，往往需要采用鎳基合金焊材或不銹鋼焊材進(jìn)行堆焊，該堆焊層在高溫環(huán)境下長期服役時容易產(chǎn)生高溫失塑裂紋（Ductility dip cracking， DDC），這將嚴(yán)重影響電廠蒸汽管道的安全運(yùn)行[1-2]。

DDC常出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)和多層多道焊的焊縫中，對于不銹鋼和鎳基合金而言，其出現(xiàn)的溫度范圍為800～1150 ℃。在該溫度范圍內(nèi)材料組織中的晶界易發(fā)生滑移，當(dāng)晶界上無析出物時，晶界平直；當(dāng)遇到T型晶界時，晶界滑移受阻，在T型晶界位置形成應(yīng)變集中，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時形成顯微孔洞，并沿晶界擴(kuò)展形成DDC[3-4]，該裂紋一旦形成，將嚴(yán)重威脅電廠機(jī)組的安全可靠運(yùn)行[5-7]。然而，截至目前，關(guān)于國內(nèi)在役的10MnNi2MoV低合金鋼管道接頭裂紋的研究鮮有報道，因此，對在役10MnNi2MoV低合金鋼管接頭裂紋的分析和研究，可為電廠蒸氣管道安全運(yùn)行措施的制定提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

10MnNi2MoV鋼管焊接接頭表面和橫截面形貌如圖1所示。1區(qū)域?yàn)?0MnNi2MoV，2區(qū)域?yàn)?ЭА-395/9堆焊層，3區(qū)域?yàn)椐咖?400/10T堆焊層及對接焊縫。依據(jù)GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》對接頭的母材、ЭА-395/9堆焊層和ЭА-400/10T堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。依據(jù)NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》對接頭表面進(jìn)行滲透檢測，并采用線切割在焊接接頭截取金相試樣，置于丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，吹干后在冷鑲模具中鑲嵌，靜置30 min后取出，依次采用240號、500號、800號、1200號、1500號和2000號砂紙打磨，經(jīng)拋光和腐蝕處理后，用酒精沖洗吹干備用。采用Аxio-Vert.А1型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，采用EVO-MА25型掃描電鏡進(jìn)行裂紋形貌和裂紋斷口分析，采用JEM-200CX型透射電鏡進(jìn)行顯微組織形態(tài)、結(jié)構(gòu)、析出相和位錯分布的觀察等。

表1 母材、ЭА-395/9堆焊層和ЭА-400/10T堆焊層成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

圖1 10MnNi2MoV鋼管焊接接頭表面和橫截面形貌

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭滲透檢測結(jié)果

采用滲透檢測方法對10MnNi2MoV鋼管焊接接頭表面缺陷進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖2所示。可以看出試樣上滲透劑的顯示均在蓋面焊縫附近的預(yù)堆焊邊界，表面呈現(xiàn)沿周向連續(xù)的網(wǎng)狀或密集的鋸齒狀裂紋缺陷。

圖2 10MnNi2MoV接頭滲透檢測結(jié)果

2.2 接頭裂紋形貌分析

對10MnNi2MoV鋼管焊接接頭上的裂紋進(jìn)行金相檢查，結(jié)果如圖3所示。可以看出ЭА-395/9堆焊層上出現(xiàn)了大量的裂紋，且以沿彎曲的晶界開裂為主。

圖3 焊接接頭ЭА-395/9堆焊層金相組織

進(jìn)一步對試樣沿橫截面解剖，得到組織如圖4所示。可以看出沿剖面?zhèn)认蛴^察到明顯的柱狀晶結(jié)構(gòu)，裂紋沿柱狀晶擴(kuò)展。柱狀晶間的晶界與彎曲的樹枝晶略有差異，其總體方向與熔合線垂直、沿散熱方向長大，說明在第二層、第三層預(yù)堆邊焊接過程中，ЭА-395/9堆焊層晶界會發(fā)生遷移，晶粒長大。

圖4 焊接接頭剖面?zhèn)认颉⒔砻骈_裂裂紋的金相組織

圖5為未經(jīng)過ЭА-400/10T堆焊和經(jīng)過ЭА-400/10T堆焊的ЭА-395/9堆焊層的晶界位置，可以看出未經(jīng)過ЭА-400/10T堆焊的ЭА-395/9堆焊層的晶界干凈，幾乎沒有較大尺度的析出相。經(jīng)過ЭА-400/10T堆焊的ЭА-395/9堆焊層晶界存在大量串狀析出物，且在析出物附近堆積了大量位錯，若位錯進(jìn)一步堆積將導(dǎo)致析出物位置開裂。這也說明了ЭА-395/9堆焊層在后續(xù)堆焊和焊接過程中會發(fā)生位錯的運(yùn)動，引起晶界遷移，而此類平直的遷移晶界在高溫環(huán)境下工作時易發(fā)生運(yùn)動，這就為DDC的萌生提供了組織條件[8]。

圖5 ЭА-395/9堆焊層晶界

2.3 接頭裂紋組織分析

對10MnNi2MoV鋼管焊接接頭的ЭА-395/9堆焊層進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖6所示。可以看出試樣在晶界和晶內(nèi)存在有顆粒狀和條狀的析出物，阻礙了熱應(yīng)變過程中的晶界遷移。在一定變形量下開裂，使晶界產(chǎn)生運(yùn)動的動力在于多道焊過程中產(chǎn)生的熱量及熱應(yīng)變，這2個因素使得晶界產(chǎn)生相對的切向運(yùn)動，當(dāng)晶界析出物產(chǎn)生的阻力小于切向力時裂紋形成并擴(kuò)展。從圖6a可見，堆焊層表面的樹枝晶（凝固晶界）邊界處有圓形析出物（4點(diǎn)），枝晶內(nèi)有尖錐形析出物（5點(diǎn)），在遷移晶界處存在長條形析出物（6點(diǎn)）。堆焊層內(nèi)部組織如圖6b所示，樹枝晶的晶內(nèi)、晶界均有圓形析出物（紅色）、尖錐形析出物（黃色），在該遷移晶界處未觀察到條形析出物。與此同時，對析出物進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果如圖7所示。可以看出析出物為富C，Cr和Mo的相。進(jìn)而對析出物進(jìn)行選區(qū)電子衍射分析，結(jié)果如圖8所示，可以看出析出相為M23C6。

圖6 ЭА-395/9堆焊層材料SEM組織形貌

圖7 ЭА-395/9堆焊層及EDS分析結(jié)果

圖8 析出物的選區(qū)電子衍射圖

圖9 給出了裂紋區(qū)域的掃描結(jié)果，包括了3個處于不同擴(kuò)展階段的裂紋，裂紋處均存在明顯的滑移現(xiàn)象或扭轉(zhuǎn)，在晶界運(yùn)動過程中遇到條狀析出物或顆粒狀析出物時形成孔洞（圖9中X處所示），并最終使析出物與基體斷開，形成裂紋的擴(kuò)展。可知裂紋的產(chǎn)生與析出物存在密切關(guān)系，其中C裂紋的X位置存在一個阻礙裂紋擴(kuò)展的顆粒狀析出物，因此，在X處首先形成孔洞；B裂紋中存在條形析出物，且裂紋剛剛通過析出物；А裂紋中也存在條形析出物，裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到較遠(yuǎn)位置，在析出物位置裂紋的寬度較大。

2.4 接頭裂紋斷口分析

10MnNi2MoV鋼管焊接接頭裂紋斷口形貌如圖10所示。可以看出存在與主裂紋方向不同的裂紋分支，而且可以觀察到多個不同方向的晶粒，因此可以確定該位置為三向晶界的交匯處（T型晶界），晶界遷移阻力非常大，因此在這樣的位置會堆積大量的位錯，形成應(yīng)力集中，當(dāng)集中程度達(dá)到臨界值時晶界分離，從而形成多個獨(dú)立的晶粒狀斷裂面。由于存在大量變形，因此在該位置可以觀察到波紋狀變形痕跡（圖10e），該晶粒的頂端均為韌窩狀斷口，說明該晶粒在與其他晶粒發(fā)生整體分離時，該部分在撕裂作用下發(fā)生了大量塑性變形。

圖10 接頭裂紋斷口不同位置的微觀形貌

2.5 接頭裂紋成因分析

DDC在（0.5～0.8）Tm（熔點(diǎn)）溫度范圍內(nèi)由于晶界弱化導(dǎo)致塑性降低而形成沿晶裂紋，通常出現(xiàn)在受再熱影響的多層焊縫或近縫區(qū)金屬中，晶界處不存在液化膜。當(dāng)前，DDC的形成機(jī)理主要有以下3種理論[8]：雜質(zhì)元素偏聚理論、碳化物析出誘導(dǎo)裂紋和晶界滑移機(jī)制。在對ЭА-395/9堆焊層裂紋的分析過程中，發(fā)現(xiàn)一些與DDC形成機(jī)制相吻合的微觀特征，如圖11a中觀察到柱狀晶的遷移晶界，當(dāng)該晶界遷移到析出物的位置時析出物阻礙遷移晶界的進(jìn)一步移動，使得基體與條狀析出物之間開裂（圖11b）；同樣，當(dāng)遷移晶界移動到T型晶界時，T型晶界的交叉點(diǎn)將產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)變集中，使得晶界很難實(shí)現(xiàn)移動，因此也容易開裂（圖11c）。由此可見，ЭА-395/9堆焊層產(chǎn)生DDC裂紋的主要原因是后續(xù)堆焊層熱作用引起的熱應(yīng)力使得ЭА-395/9堆焊層中的晶界產(chǎn)生了滑移，當(dāng)滑移晶界遇到障礙物（析出物、T型晶界等）時，在障礙物附近聚集產(chǎn)生孔洞，待孔洞長大后便形成了裂紋。

圖11 DDC微觀特征

3 結(jié)論

（1）在10MnNi2MoV低合金鋼管接頭焊縫附近ЭА-395/9堆焊層中易產(chǎn)生周向連續(xù)的網(wǎng)狀或密集的鋸齒狀缺陷。

（2）在后續(xù)堆焊層的熱作用下，ЭА-395/9堆焊層中晶粒長大產(chǎn)生的遷移晶界為DDC的萌生提供了顯微組織條件。

（3）由于后續(xù)堆焊層的熱作用和長期高溫環(huán)境下的服役，ЭА-395/9堆焊層中產(chǎn)生的M23C6析出相和T型晶界會阻礙遷移晶界的移動。

（4）10MnNi2MoV低合金鋼管接頭裂紋性質(zhì)為DDC，產(chǎn)生裂紋的根本原因?yàn)椐咖?395/9堆焊層中的晶界產(chǎn)生滑移時，障礙物（析出物、T型晶界等）阻礙了晶界的移動，進(jìn)而在析出物和T型晶界處產(chǎn)生了孔洞與裂紋。