（材料加工工程专业论文）t91钢焊接热影响区粗晶区韧性研究.pdf

摘要 i t 9 1钢焊接热影响区粗晶区韧性研究 摘 要 t91 钢具有良好的高温强度 高温抗氧化性和抗腐蚀性是超临界发 电机组完成主蒸汽温度由 538向 566过渡的首选材料t91 钢的开发 和研制对提高我国火力发电行业锅炉机组的容量和发电效率降低发电 成本解决我国电力紧张的现状和我国国民经济与社会的发展具有重要 的意义 本文所研究的控制和预测 t91 钢的焊接 cg haz 的组织和性能 及合适的焊接焊后热处理规范成果为国产 t91 钢材制造超临界发电 机组提供技术支撑 本文以 t91 钢焊接 cg haz 为主要研究对象 采用焊接热模拟技术 冲击试验硬度试验研究了 t91 钢 cg haz 的性能通过金相分析扫 描电镜透射电镜等研究了焊接热输入焊接层数焊后热处理等对 t91 钢 cg haz 的显微组织精细结构及性能的影响规律研究结果表明 t91 钢 cg haz 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 cg haz 的性能控制焊接热输入获得利于韧性的 cg haz 组织 晶粒并采用 770+4 小时的热处理可以使 t91 钢在 cg haz 中获得 高韧性 关键词t91 钢焊接热模拟热影响区粗晶区cg haz组织和性 能热处理 a b s t r a c t ii study the cg haz toughness of t91 steel by welding thermal simulation abstract t91 steel has well strength, oxidation resistance and corrosion resistance in high temperature. it is the preferred material for the boiler steam transferring from 538 to 566 in the supercritical generating set. it is beneficial to improve the boiler unit capacitance and improve the generating efficiency of the thermal power generation by research and development of the t91 steels, which can settle the short supply of the electric power and can service better to the development of our national economic and social development. research in this paper provide a useful reference for controlling and prediction of the supercritical generating set t91 steel welding cg haz and obtain a proper welding conditions. the cg haz was selected as the research object to study by means of welding thermal simulation in this paper. mechanical properties of cg haz were measured by tensile tests and hardness tests. the optical microscopy (om), scanning electron microscopy (sem) and transmission electron microscopy (tem) were employed to analysis the effects of the welding heat input, number of weld bead and heat treatment on the cg haz toughness and microstructure of the t91 steel. the research results showed that the coarse martensite is the main reason of the increasing hardness and impairing to the cg haz toughness, which was improved with heat treatment through promoting the transformation of the coarse martensite to the small grain of the tempered sobitic. the final thermal cycle of multiplayer welds have no influence on the microstructure and mechanical of the cg haz of the t91 steel. the welding heat input is controlled and the microstructure which is good for the tensile is gottenthe heat treatment after welding is 770+4h, the high toughness can get in the cg haz. on the basis of the research results in this paper, t8/5=810s and heat treatment with 770+4 hour are recommended to achieve the smaller microstructure and high toughness of the cg haz of the t91 steel. keywordst91 steel, welding thermal simulation, cg haz, microstructure 上海交通大学工程硕士学位论文 iii and properties, heat treatment 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名曹能 日期 2004 年 8 月 20 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 曹能 指导教师签名楼松年 日期2 0 0 4 年 8 月 2 0 日 日期 2 0 0 4 年 8 月 2 0 日 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 前言 电力工业不仅是一个国家国民经济的基础 而且是各国未来数年的国民经济 发展的前奏当今电力的三大主力是火电核电水电其中火电占了很大的比 例各国在可持续发展的要求下一方面不断增加核电水电比例另一方面不 断提高火力发电机组的效率 对火电机组来讲在同样主蒸汽温度条件下超临界压力锅炉发电机组比亚 临界压力锅炉发电机组的效率高 1.7%左右在相同主蒸汽压力条件下锅炉主 蒸汽温度/再热蒸汽温度由 538/566提高到 600/610火电机组热效率则可提 高 3.5%左右由此可见提高锅炉主蒸汽温度和压力是提高火电机组效率最有 效的方法之一其中主蒸汽温度对发电机组效率影响更显著在相同的温度下 提高锅炉出口主蒸汽压力 对锅炉高温部件的材料要求可以通过提高材料的厚度 来满足要求 但从锅炉的经济性来考虑可以通过使用高性能的材料来降低初建 时的一次性投入提高锅炉运行时的启停速度来降低运行费用提高可用率在相 同的压力下提高锅炉出口主蒸汽温度时锅炉部分高温部件就必须使用高温性 能更为优越的耐热钢 随着锅炉容量的增加发电机组的总效率是一个先增加后缓慢下降的过程 火电机组单机容量在 900mw 以下时随着机组容量的增加机组的效率在不断 增加但当火电机组容量超过 1200mw 时由于电厂自备电费用的增加机组 的总效率将缓慢下降目前世界上较为认同的单机火电发电机组的最佳容量在 900mw1200mw 之间 随锅炉容量的增加为降低锅炉工质水和蒸汽流动阻力锅炉受压件的 尺寸将相应地增加在相同的锅炉工况下受压件的尺寸增加必须增加材料的 壁厚或采用更高档次的材料来降低材材料的壁厚才能满足要求 同时锅炉的安全 性更显重要 锅炉的安全性一方面可以通过提高锅炉运行的控制系统的质量来保 证 另一方面可以使用性能更好的耐热钢增加壁厚安全裕度来保证这样如何通 过研制高性能的新材料来保证火力发电机组在提高效率的同时保证锅炉使用过 上海交通大学硕士学位论文 2 程中的安全性是各国科技工作者需要解决的课题 而 t91钢就是由于这个背景而 产生的新型耐热钢种 1.2 t91钢在国外的研究与应用 随着对电力需求的急剧增加大容量高参数机组设计和制造必然会改变 材料的使用要求对钢厂的要求主要来自三个方面1钢种全2规格多 3质量好美国德国日本法国等国家对大容量机组锅炉受热面用高 压锅炉管的研发纳标就是一例 上世纪七十年代美国国立橡树岭实验室 ornl 与美国燃烧工程公司 ce 联合进行 9cr1mo 钢的改进开发计划通过电炉冶炼加二次精炼获得成功 八十年代第一批试用材料代替 tp321h 用于电站机组的过热器制造1982 年 ornl 介绍了在 astm a213 t9 钢基础上改进的 t91 钢的研究成果引起各国 的关注同年法国参加了 ornl 和 ce 关于改进了的 9cr1mo 钢与 em12 和 x20crmov121 钢的对比研究项目x20crmov121 钢是欧洲在 t91 钢之前开发 的钢种1983 年改进的 9cr1mo 钢纳入 astm a213 t911985 年纳入 asme sa213 t911 八十年代中期法国德国也完成了 nfa49213 tuz10cdvnb0901 din17175 x10crmovnb91 纳标日本钢厂建立了 t91 企标2我国也于 1995 年将 t91 钢纳入标准 gb5310牌号为 10cr9mo1vnb但目前国内仍然大量的 依赖进口 t91 钢是在 t9 钢9cr-1mo基础上添加 vnb 和控制适量的 n 元素进行 合金化通过合金固溶强化和形成 m23c6碳化物mx 型nbvcn 化合物m2x 型crv 2n氮化物质点的沉淀强化提高钢的高温蠕变强度 考虑到制造工艺性能特别是焊接性能要求碳含量比 t9 钢低一些同时为了 保证钢材性能的均匀性和提高钢的抗时效性能严格控制钢中的残余元素 ni cusnsb 等降低 sp 含量以获得最佳的综合性能及焊接性能为获得 最佳综合性能对合金化成分的比例世界各国的钢厂结合自身特点和冶金条件 制订内控成分范围表 1-1 列出了几个实例46 上海交通大学硕士学位论文 3 表1-1 t91与类似钢号的化学成分比较 table 1-1 chemical composition comparison of the similar steels with t91 steel 牌号 c mn si p s cr mo v nb n ni t91 astm a213 0.08 0.12 0.30 0.60 0.20 0.50 0.020 0.010 8.00 9.50 0.85 1.05 0.18 0.25 0.06 0.10 0.030 0.070 0.40 x20crmov121 din17175 0.17 0.23 1.00 0.50 0.030 0.030 10.00 12.50 0.80 1.20 0.25 0.35 0.30 0.55 - 0.30 0.80 em12 nfa49213 0.15 0.80 1.30 0.20 0.65 0.030 0.030 8.50 10.50 1.70 2.30 0.20 0.40 0.30 0.55 - 0.30 t9 astm a213 0.15 0.30 0.60 0.25 1.00 0.030 0.030 8.00 10.00 0.90 1.10 - - - - 随着 t91 钢的应用大口径 p91 钢在集箱部件中的应用日趋增多一些锅 炉厂结合生产实际 对该材料进行了全面的焊接性和工艺性试验 由于加入了 v nb 等合金元素高温回火后的组织为回火马氏体加稳定的碳化物具有较高的 抗蠕变断裂强度抗热疲劳性能和抗氢脆性能可用于温度高达 650过热器 再热器以及 600以下的集箱和导管部件在一个较宽的冷却速度范围内可得到 单一马氏体结构在 625时的持久强度与 tp304 和cr18ni9ti 钢等强用于 代替奥氏体不锈钢时 可避免与奥氏体不锈钢管焊接制成的异种金属接头早期失 效的问题 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 主要存在下列几个问题1冷裂纹2热裂纹3焊接热影响区粗晶脆化7 伴随者钢铁冶炼水平的提高钢质纯净度越来越高psnho 含量 低有害元素进一步降低针对目前普遍采用的焊接方法 tig/mig 焊通过研 究已基本解决了冷热裂纹问题而对于 mag 焊接过程造成的焊接接头脆化问 题国内外的许多学者还在不断的深入研究之中8 crmov 等合金元素的加入降低钢材的临界冷却温度提高了过冷奥 氏体的稳定性 由于焊接冷却速度快在热影响区粗晶区不易发生奥氏体向珠光 上海交通大学硕士学位论文 4 体转变而在更低的温度下发生马氏体转变从而形成淬硬组织 1.3 t91钢在国内的研究与应用 随着国内对电力需求的急剧增加 电站锅炉压力容器制造在未来几年将有 一个突飞猛进的发展经过我国制造业广大技术人员的多年努力我国的大型电 站机组从原来的以 125mw 为主发展到现在的 300mw 和 600mw并朝着 900mw 的方向发展该钢种也将成为锅炉管用钢的主力钢种按 300mw 机组 每台 230 吨600mw 机组每台 400 吨计算我国每年的需求量约为 10000 多吨 装机容量 1200 万 kw还不包括维修更换用量 由于我国自行研制出了新型的低合金耐热钢 12cr2mowvtib钢 102和 12cr3movsitib(11 钢) 所以六十年代初国内就选用钢 102 或11 钢代替奥氏 体钢应用于锅炉高温段金属计算壁温在 620区间的钢管9九十年代之前我国 高压超高压乃至亚临界压力锅炉机组都广泛应用了这两种低合金耐热钢替换 部分奥氏体钢锅炉管这是我国耐热钢发展史上的一大业绩考虑到锅炉运行过 程中金属管壁的温度可能波动较大钢的工艺性能热强性能耐腐蚀性能以 及经济性等因素并经长期锅炉运行验证发现这两种钢应用于 600以下金属 实际壁温更为恰当 八十年代初在我国引进美国 ce 公司锅炉设计制造技术制造的 300mw 机组 锅炉及在此基础上我国自主开发的 600mw 机组锅炉中 当锅炉受热面管子的金 属壁温580时选用的是奥氏体不锈钢管1987 年上海锅炉厂在国内首先 从日本引进 t91钢管 在对其进行了成功的焊接性能和冷作工艺性能试验研究的 基础上 将其作为 125mw 常规火电煤粉锅炉的过热器和再热器等受热面管系加 以应用 使锅炉高温段的材料使用温度得到一定的提高减少了锅炉运行过程中 的烟温偏差引起的锅炉高温段管子的爆管同时减少了奥氏体tp304h tp347h与珠光体钢间的异种钢焊接难题而同样化学成分的 sa-335 p91 大口 径管道钢在其热强性能方面的应用大大降低了集箱等厚壁受压组件的壁厚给 锅炉制造锅炉的快速启停及调峰锅炉的安全运行创造了条件同时也降低了 锅炉的制造成本 随着 t91 管材在国内火力发电机组锅炉上的广泛应用原机电部把t91 上海交通大学硕士学位论文 5 钢管国产化研究列为八五重点科技攻关项目之一为此国内一些钢厂(如上 海钢铁五厂上海钢管厂四川成都无缝钢管厂大冶钢厂长城钢厂江苏诚 德钢管厂等10)都对 t91 钢进行了大量国产化试验研究上海宝钢钢铁股份有限 公司也是其中之一 这些单位投入大量精力于 t91钢管的材料冶金 材料热穿孔 等方面的研制并相继或即将进行批量生产 由于 t91 钢具有良好的高温强度高温抗氧化性和抗腐蚀性且 t91 钢与 奥氏体钢焊接接头没有早期失效敏感性这些特性决定了 t91 钢适合应用在 600650区间9将成为我国制造大容量锅炉替代 tp304htp347h 的优选钢 种1995 年该钢以10cr9mo1vnb牌号纳入 gb5310 高压锅炉管标准中 1.4 t91钢在焊接过程中存在的问题 t91 钢从其被开发投入使用的那一天开始国外的材料开发商材料供应商 就对其进行了大量的研究1978 年美国 ornl 实验室最早对 t91 钢的焊接性进 行研究11,主要进行焊接裂纹的研究美国原 ce 公司主要研究 t91 钢的手工电 弧焊工艺12而且给出了较成熟的焊接工艺和方法德国 alstom 公司严格规 定 t91 管的焊前预热温度在 180250之间,层间温度350,每一焊道厚度 要求2.5mm,建议焊后即时热处理13alstom 认为 t91 管材冷裂敏感性强 大多数国外材料供应商在供应材料的同时 均能提供其材料焊接参数规范的 推荐值 但提供的焊接规范范围太宽 同时材料的焊接性 焊接区的各方面性能 焊接区韧性机理的研究却没有太多地进行报道 t91 钢是一种新型马氏体耐热钢具有较高的抗蠕变断裂强度抗热疲劳性 能抗氢脆性能和良好的持久强度代替奥氏体不锈钢避免了与奥氏体不锈钢 管焊接制成的异种金属接头早期失效的问题 随着 t91 钢在电站机组上的推广大口径 t91 钢在集箱部件中的应用日趋 增多对该材料进行全面深入的焊接试验研究有助于更好地掌握该钢种使用 性能 t91 钢以其良好的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主要存在下列几个问题1 冷裂纹 2热裂纹3焊接热影响区粗晶脆化 上海交通大学硕士学位论文 6 伴随者钢铁冶炼水平的提高通过精确的成分控制炉外精炼真空脱气等 现代的炼钢技术钢质纯净度越来越高psnho 含量低有害元素大 大降低针对目前普遍采用的焊接方法 tig/mig 焊通过研究冷热裂纹问题 已基本得到解决而对于焊接过程造成的焊接接头脆化问题国内外的许多学者 还在不断的深入研究之中 以进一步揭示焊接热影响区的脆化机理 提高cghaz 的韧性水平 crmov 等奥氏体稳定化合金元素的加入降低钢材的临界冷却温度 提高了过冷奥氏体的稳定性 由于焊接冷却速度快在热影响区粗晶区不易发生 奥氏体向珠光体转变而在更低的温度下发生马氏体转变从而形成淬硬组织 直接导致热影响区硬度上升韧性下降 从工程应用角度看 人们更多的采用实际焊接接头取样进行韧性试验而采 用焊接热模拟试验其试验条件更为苛刻 真实的反映了焊接热影响区粗晶区组织 的韧性水平 焊后合理的热处理工艺可有效的降低焊接残余应力同时对改善焊接接 头的性能具有积极的作用 t91 钢进入我国已有多年 通过此间上海锅炉厂有限公司等单位多年来的生 产应用 有关电厂的锅炉运行 国内已基本掌握了进口 t91 钢管的焊接工艺性能 并取得了明显的社会经济效益 但总体来说我国使用和研究此材料的时间还不 够长 经验也不够丰富 且实际生产应用的 t91钢管和相应焊接材料多数为国外 进口 t91 钢在焊接过程中 邻近焊缝的母材受焊接热过程的作用而发生组织和性 能的变化这一区域称为焊接热影响区haz由于热影响区各部分距离焊缝 远近不同 所经受的热循环相差较大因而热影响区是一个具有组织梯度和性能 梯度的非均匀连续体一般该区分为粗晶区cg重结晶区不完全重结晶区 和时效脆化区与其它各区比较粗晶区具有较高的强度但是塑性和韧性却显 著的下降 这是由于焊接粗晶区处在焊缝和母材的过渡地带不仅具有明显的物 理和化学不均匀性 而且常在焊趾和焊根处出现咬边和裂纹等几何不均匀性所造 成的应力集中 因而焊接粗晶区是整个焊接接头中的一个薄弱环节14焊接时采 取较高的预热温度较大的热输入可以减缓淬硬倾向但热输入过大预热温 上海交通大学硕士学位论文 7 度过高 一方面会造成晶粒长大 另一方面对调质钢会形成接头强度和硬度明显 降低的软化带所以焊接接头中的粗晶不仅使韧性降低而且增加过冷奥氏 体的稳定性 使其分解推移到更低的温度 从而使淬硬组织产生 焊接接头的 软 化带一般在 ac1600区段该区可能成为高温服役设备的薄弱环节6 由此可以看出t91 钢焊接接头的韧性劣化成为焊接的主要困难其原因在 于母材的性能受到焊接的高温循环haz 性能必然明显劣化而这种劣化的程 度随焊接热输入的增大而加剧 任何新钢种如果不能解决因焊接加工对其产生的 不利影响必将阻碍该钢种在工程应用中的大范围推广和使用 所以对任何新钢种 进行热影响区 尤其是粗晶区的组织与性能研究是开发和研制新钢种的重要研究 课题之一 1.5 焊接热影响区组织与性能的研究 在材料确定的条件下影响焊接热影响区性能的因素主要有非平衡焊接加 热和冷却过程中形成的组织类型组织晶粒度的大小和焊前和焊后的热处理一 般来说焊接热影响区中的组织主要有孪晶马氏体低碳马氏体粒状贝氏体 m-a 组元以及采用热处理时可能出现回火马氏体索氏体以及铁素体组织等 如果形成孪晶马氏体或这存在呈一定位向分布的大量 m-a 组元导致 cg haz 产生组织脆化这时焊接热影响区的韧性将显著恶化有时对韧性的损害超过粗 晶脆化的影响与母材的组织晶粒度相比焊接热影响区的组织晶粒度都要大一 些根据 holl-petch 关系材料的强度和韧性与晶粒等效直径的负二分之一次方 呈正比即 k d-1/2 所以材料的组织晶粒越大其强度和韧性则越低从而引起粗晶脆化对热 影响区的韧性影响比较显著 1.5.1 孪晶马氏体 孪晶马氏体的性能最差其特点是硬度高而且很脆这是由于孪晶马氏体 中的碳含量很高其过饱和度也很大从而使马氏体产生严重的晶格畸变在淬 火应力下形成大量的显微裂纹 孪晶马氏体主要出现在高碳钢焊接过程中使焊 接热影响区的韧性大大降低而且很容易造成冷裂纹一般在焊前进行预热减 上海交通大学硕士学位论文 8 缓焊后的冷却速度避免大的焊接应力进行焊后热处理形成回火马氏体1516 现在的研究表明 孪晶马氏体不仅在高碳钢焊接过程中出现在焊接某些低 碳钢时也可能出现比如在焊接 2.25cr-1mo 钢时其碳含量在 0.15%左右由 于该钢种对焊接热输入敏感如果焊接规范选择不当导致过热区韧性大幅度降 低另外由于钢的脆硬倾向很大在大板厚的情况下一方面形成孪晶马氏体另 一方面在拘束应力作用下也容易产生裂纹17 低碳马氏体板条本身含碳量比较低 而且在马氏体板条上分布有高密度的位 错所以其强度很高但是综合性能很好与孪晶马氏体相比cg haz中的低 碳马氏体则具有比较好的韧性 1.5.2 粒状贝氏体 粒状贝氏体 bg 是在贝氏体铁素体上分布着粒状或块状的富碳小岛 1822 有人按 bg 中小岛的形态将所对应的贝氏体铁素体分为两类一类是贝氏体铁素 体上无规律分布着的不规则块状小岛晶内晶界都有其对应的贝氏体铁素体具 有块状亚结构块间为位错胞所间隔这种贝氏体铁素体称做块型铁素体另一 类是贝氏体铁素体上分布着相互趋于平行的并且不连续分布的长条小岛 其对应 的贝氏体铁素体具有板条亚结构相互趋于平行排列与小岛排列方向相同这 种贝氏体铁素体称做条型铁素体在多数情况下这两种粒状贝氏体并存23 对于 bg 的定义是在光学显微镜下可观察到的组织形貌得出的一般定义为 贝氏体铁素体上分布的岛状组织这种岛状组织是 m-a 组元属于二次转变的 产物 在透射电镜下也可以看到两个或多个贝氏体铁素体板条间存在 m-a 组元 则呈现岛状或条状而且还有条状的残余奥氏体甚至碳化物析出相这些也属 于二次转变的产物所以有些研究这将 bg 视为一次相变过程中形成的贝氏体铁 素体和二次相变过程中形成的第二相组成第二相包括 m-a 组元马氏体残 余奥氏体碳化物或这些组织的混合物 粗晶区中的 bg 转变首先在母相奥氏体中的贫碳区形核并长大 贝氏体铁素 体板条的长大速度和形态与转变温度有关19在加热和冷却条件相同的情况下 转变温度与材料的化学成分有关一般使奥氏体稳定化的元素都降低转变温度 转变温度越低则贝氏体铁素体纵向长大速度越快 横向长大的速度就越缓慢此 时形成的条状形态就越明显如果转变温度越高则贝氏体铁素体纵向和横向长 上海交通大学硕士学位论文 9 大的速度就越接近其条状形态就越不明显甚至形成块型的贝氏体铁素体随 着贝氏体铁素体的形成和长大伴随有碳原子通过相界面向附近的奥氏体区富 集使得奥氏体内出现了碳浓度梯度靠近相界面的碳浓度高远离相界面的区 域就接近原奥氏体浓度 在贝氏体铁素体的长大过程中伴随着向奥氏体排碳以及 奥氏体中碳均匀化扩散 随着该过程的进行 奥氏体中碳扩散的能力越来越困难 此时贝氏体铁素体的长大就失去驱动力而停止长大 在贝氏体铁素体的排碳过程 中 碳向奥氏体区扩散的的速度在不同方向是不同的在贝氏体铁素体板条长大 前沿端部的碳原子向未转变的奥氏体进行远程扩散 此时未转变奥氏体中存在有 较大的浓度梯度所以扩散较快板条长大的也快在该过程中碳的远程扩散形 成大的富碳奥氏体小岛 随后进行二次相变在贝氏体铁素体板条之间由于相互 排碳使得铁素体板条横向长大受阻所以形成了条状的富碳奥氏体带以上是 bg 的一次相变过程 在一次相变过程中当碳含量低时在冷却过程中奥氏体的稳定性较高碳 时的稳定性差在较高温度发生贝氏体铁素体相变此时由于转变温度高碳能 较快的向奥氏体实现远程扩散 所以在转变的贝氏体铁素体板条间很少有富碳奥 氏体的存在相反在碳含量较高的材料中由于碳含量增加贝氏体铁素体开 始转变温度降低 在转变过程中碳向未转变奥氏体实现远程扩散困难就在已转 变贝氏体铁素体板条之间中富集形成残余奥氏体带 随着贝氏体铁素体转变过程 的进行保留下来 随着转变温度的降低伴随着富碳奥氏体区及富碳奥氏体带按照其本身化 学成分对应的 cct曲线进行转变即 bg 的二次相变 二次相变的组织是一种含 碳量极不相同的富碳马氏体奥氏体或其混合物其碳含量远远超过基体中的平 均碳含量24所以 bg 的二次相变主要与富碳奥氏体中碳的富集有关首先如 果碳含量富集的程度达到碳化物析出的浓度则直接从富碳奥氏体中析出碳化 物如果没有达到足以形成碳化物的浓度时碳含量又相对较高此时富碳奥氏 体的稳定性比较高 保留到室温状态以残余奥氏体的形式存在当碳含量相对较 低而且分布均匀时富碳奥氏体中发生马氏体转变如果碳含量分布不均匀则 在碳含量较低的区域发生马氏体转变 剩余的富碳奥氏体由于受周围已转变马氏 体体积效应的影响再发生马氏体相变已经很困难则保留到室温形成 m-a 组 上海交通大学硕士学位论文 10 元 由上述可知 粒状贝氏体的存在对热影响区韧性的影响主要取决于中温转变 过程中第二相的性质如果第二相中有碳化物析出则大大恶化热影响区的韧性 如果为 m-a 组元其细小并呈无规则分布对韧性的影响很小如果成颗粒状 而且具有一定的位向分布则显著损害韧性 1.5.3 m-a组元 一般情况下粒状贝氏体的韧性取决于贝氏体铁素体及岛状组织可以是马 氏体m-a 组元碳化物或以上几种产物并存这两个部分控制岛状组织的 大小数量分布及形态会对韧性有很大的影响在光镜下岛状组织一般指 m-a 组元m-a 组元与碳含量有关一般情况下碳含量增加时 m-a 组元的含 量增加 文献22 25 26的研究结果表明碳在 m-a 组元中发生了偏聚 经试验测定 m-a 组元中的碳含量明显高于周围的基体随钢中碳含量的增加偏聚进一步增 加虽然在透射电镜观察时未发现孪晶马氏体但是随着碳含量的增加其硬度增 加塑性降低在形变过程中与基体之间的变形协调能力越差越易在它与基体 之间的界面上产生微裂纹所以随着碳含量的增加m-a 组元的含量增加其 中的马氏体的硬度增加塑性下降粗晶区的冲击韧性下降 1.6 研究内容和意义 随着我国国民经济和社会的发展我国对电力资源的紧缺日益增加而 t91 钢的开发和研制必将提高我国火力发电行业锅炉机组的容量提高发电效率降 低发电成本更好地解决我国电力紧张的现状为我国国民经济和社会的发展做 出贡献 本文对 t91钢的焊接热影响区粗晶区组织与韧性的研究对控制和预测钢 材 cg haz 性能提出较佳焊接规范具有十分重要的意义同时对国产 t91 钢 的推广和应用提供技术支撑 也为提高国产 t91钢的市场竞争力 增加产品市场 份额扩大市场占有率促进我国经济的快速发展具有重要的意义为此本文主 要研究以下内容 1采用焊接热模拟技术研究 t91 钢焊接热影响区粗晶区cg haz的 组织与性能 2焊接规范对 t91 钢 cg haz组织和性能的影响 上海交通大学硕士学位论文 11 3焊前和焊后热处理对 t91 钢 cg haz组织和性能的影响 4t91 钢 cg haz精细结构对韧性的影响 5焊接工艺的优化 上海交通大学硕士学位论文 12 参考文献 1 徐德录. t91/p91 钢焊接材料的发展及应用焊接2002810 13 2 郁福祥. t91 钢的焊接焊接技术19973710 3 王同芬.9cr1mov 钢焊接性试验及其应用焊接1995169 4 li yajiang. xrd and tem analysis of microstructure in the welding zone of 9cr-1mo-v-nb heat-resisting steelbull.mater.sci.vol.25no.3 june 2002 5 eva-lena bergquist. consumables and welding modified 9cr-1mo steel svetsaren no12 1999 6 brozda j,zeman m. an investigation into the properties of the heat affected zone simulation in 9cr-1mo-nb-v(p91) steel intended for service at elevated temperture welding research abroad,1995,12(9) 7 郭大展. 9cr-1mo-v-nb 耐热钢焊接接头组织分析西安交通大学学报 1998 3226670 8 邹增大. 低合金调质高强钢焊接及工程应用化学工业出版社2000 9 张瑞于显龙吾之英等. 宝钢 t91 高压锅炉管性能评定上海发电设备成 套设计研究所2001 年 8 月 10 杨钢程世长林肇杰国内外 t91 耐热钢管质量对比分析机械工程材 料200226(2)2630 11 徐德录郭军陈玉成t91钢的性能及在我国电站锅炉中的应用前景电 力建设199920(2)1222 12 周冰.电站 9cr-1mo-m 耐热钢焊接区组织性能研究.硕士学位论文.济南 山 东大学2000 13 astom. critical zones of the weld joint with material x10crmovnb9-1 14 高惠临. 管线钢组织性能焊接行为陕西科学技术出版社1995 15 崔忠圻. 金属学与热处理机械工业出版社1996 16 郭面焕邵德春董占贵等. 铁路钢轨与辙叉过渡层焊接的研究材料科学 与工艺19977增刊193196 17 尹士科郭怀力王移山. 焊接热循环对 10ni5crmov 钢组织的影响焊接 学报19961712530 上海交通大学硕士学位论文 13 18 方鸿生等. 粒状贝氏体和粒状组织的形态与相变金属学报1986224 a283a288 19 李承基 胡梦怡. 关于粒状贝氏体的形成机理 金相形态及识别依据的探讨 金属热处理学报1981211829 20 王福明李景慧. 粒状贝氏体的形貌分析金属热处理学报19911230 2329 21 胡玉和. 中温转变的粒状贝氏体组织 金属热处理学报 1980 1 11525 22 张弘等. 微合金化粒状贝氏体钢的显微组织和力学性能钢铁198621 802936 23 田德蔚. 微合金元素 vtib 对 hsla80 钢 haz 组织与性能的影响金 属研究所硕士论文沈阳1990 24 康沫狂等. 低合金高强度结构钢中的m-a组织 理化检验 物理分册1979 5111 25 易耀勇. 微量元素al和ti对800mpahsla钢焊接haz组织与韧性的影响 金属研究所硕士论文沈阳1991 26 高惠临董玉华王荣. 管线钢焊接临界粗晶区局部脆化现象的研究材料 热处理学报20012226065 第二章 试验材料和试验方法 14 第二章 试验材料和试验方法 2.1 试验材料 本文采用的试验材料为美国 asme 材料标准sa-213/sa-213m 锅炉过热 器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢换热器管技术条件 系列材料中的 t91 级别钢gb5310 标准中为 10cr9mo1vnb 牌号钢该钢经上海宝钢的 35 吨电炉 冶炼 lfv(钢包精炼+钢包脱气)处理后轧制成而成 炉号为 55310 其化学成份 常温机械性能分别见表 2-1表 2-2 表2-1 t91钢的化学成份wt.% table 2-1 chemical composition of the t91 steel(wt.%) c mn si cr mo v ni nb n 0.09 0.65 0.22 9.0 1.1 0.20 0.01 0.02 0.80 0.05 0.04 表2-2 t91钢的机械性能 table 2-2 mechanical properties of the t91 steel 温度() b (mpa) s (mpa) 5 (%) 冲击 k (j) 室温 20 706 571 26 105.33 2.2 试验方法及试验设备 焊接接头热影响区是一个小范围的局部区域经过焊接热循环的作用使 母材经历了从高温到常温不同的热作用 根据调质钢焊接热影响区受不同温度影 响作用的特点可划分为熔合区1450以上完全淬火区cghaz 大于 1100fghaz大于 ac3不完全淬火区ac3ac1回火区ac1母材 的回火温度由于存在温度梯度必然导致组织梯度的形成在不同区域也就 表现出性能上的差异特别是韧性硬度强度等而焊接热影响区宽度一般只 有几个毫米其中粗晶区更为狭小1 上海交通大学工程硕士学位论文 15 要准确的测定热影响区的韧性并不是一件容易的事情其主要困难在于试 样缺口的定位 目前采用实际焊接接头试样和焊接热模拟试样两种方法来测定热 影响区的韧性 一般情况下实际焊接接头缺口冲击试验或断裂韧性试验所测定的 结果 并不能严格代表焊接粗晶区的真实性能 甚至也不能代表热影响区的性能 它是母材焊缝和热影响区综合性能的反应但在工程上仍然采用因为粗晶区 范围窄小 并且轮廓线不明显所以准确的把缺口开在粗晶区位置在实际操作过 程中是不可能的 热模拟技术作为材料科学研究中非常重要手段之一可有效模拟所有材料 的加热和冷却过程对材料性能的影响可节省大量的试验时间和试验成本已广 泛地用于焊接轧钢连铸等方面并成为重要的试验研究手段 由于焊接热影响区的组织及性能对焊接接头的质量有很大的影响因此深 入研究热影响区中的各区域组织性能是非常必要的 然而热影响区中各区段非常 狭窄很难单独取出进行相应的试验研究采用热模拟技术就可以在一定尺寸 的试件上模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区域的影响 从而研究该区域的组织及性能的变化规律利用该项技术可以研究金属的焊接 性例如焊接热影响区的力学性能焊接接头的高温强度焊接接头的脆化及 软化等也可以研究材料焊接过程中的热裂纹冷裂纹再热裂纹等此外还 可测定钢材的模拟焊接热影响区的连续冷却转变曲线shcct图 本文采用焊接热模拟的方法研究 t91 钢的焊接粗晶区的组织与韧性焊接 热模拟试样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 25mm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 本试验使用的热模拟试验设备是日本产 thermorestor-w 型高频感应加热热 模拟试验机见图 2-1然后根据火力发电厂常用的 t91 钢小口径锅炉管不同 焊接条件下和焊接规范以及焊接热处理制度的不同进行焊接热模拟 热模拟试样 尺寸为10.510.555mm3 上海交通大学工程硕士学位论文 16 图2-1 热模拟试验机 fig. 2-1 welding thermal simulator 由于热模拟试样的温度均匀晶粒较易长大在经历相同的热循环过程后 haz与热模拟试样均热区的晶粒大小不同 因此除对实际焊接 haz的温度循环 进行测量还需对比试样的晶粒与实际焊接 haz 的晶粒使两者晶粒的大小相 当从而保证试样较能准确代表实际焊接热影响区2 焊接热模拟试验的可靠程度取决于焊接热循环曲线的制定一般较为常用 的方法有两种 其一根据实际焊接的条件在被焊件上钻取不同深度的盲空将测温电 偶点焊于盲空底部 使电偶的焊点位置处于焊接热影响区的不同区域 在焊接时 利用 xy记录仪测得所有电偶的温度变化曲线再对焊点位置进行解剖分析 确定测温电偶与所测量区域的对应关系获得不同区域热循环曲线 其二由于实测技术的条件限制人们根据大量的研究成果获得的经验公 式进行计算 目前较为常用的理论计算公式是日本学者稻垣道夫提出的焊接冷却 时间 t8/5 或 t8/3 公式 t = ken (t-t0)21+(2/)tg -1 (-0) / 式中t-t8/5或 t8/3的冷却时间s 上海交通大学工程硕士学位论文 17 e-焊接线能量e=60ui/vj/cm i-焊接电流a u-焊接电压v v-焊接速度cm/min k-焊接线能量系数由试验确定 n-焊接线能量指数由试验确定 t-冷却区间温度的特征值 t0-焊件的初始温度 -板厚mm 0-板厚补偿项 -接头系数 -板厚修正系数 各项系数见表 23 表2-3 t8/5系数表 table 2-3 parameters of t8/5 t8/5s t8/3s 焊接 方法 n k 0 t k 0 t 手工 焊 1.5 1.35 14.6 6 600 对接 1 角接 2 2 14.6 4.5 400 对接 1 角接 2 气保 护焊 1.7 0.345 13 3.5 600 - 0.4 14 5 400 - 32mm 时 0.95 950 12 3 600 - 730 20 - 400 - 结合 t91钢在实际焊接过程中焊接道次情况依据管壁厚度需进行 3 道次 焊接经过对 t91 管实际对接焊过程中热影响区温度的测定确定打底焊的峰 上海交通大学工程硕士学位论文 18 值温度在 1320左右3再从上海交通大学焊接热模拟数据库提取热模拟参数及 理论计算 综合三方面因素并将模拟试样和焊接接头粗晶区的组织和晶粒大小 进行对比最终确定焊接热模拟程序 焊接热模拟试样的硬度硬度试验在美国产的 tukon-300 型 v 氏硬度计上 进行试验载荷 10n硬度试验点在试样加热区中心部位沿长度方向对称布置 梅花点每个梅花点包含五个测试点梅花点沿试样长度方向的最大尺寸不超 过 4mm沿试样宽度方向最大尺寸不超过 3mm 冲击试验按照 g b / t 2 2 9 金属夏比缺口冲击试验方法加工标准试样然 后在吴忠材料试验机厂生产的 jb30b 型冲击能量为 30/15 公斤力米的材料冲 击试验机上进行的冲击断口观察在荷兰产的 philips 扫描电镜上进行 2.3 焊接热模拟的对象 本次焊接热影响区粗晶区热模拟试验是针对 t91小口径锅炉钢管内充氩气 保护tig 焊封底mig 焊盖面的焊接方法按预热温度层间温度热处理温 度热处理保温时间等生产工况确定试验项目的本次热模拟试验项目有 5 个 具体试验项目试验焊接工况及试样分类编号情况见表 2-4设定的焊接热循环 参数见表 2-5设定的焊接热循环程序表见表 2-6 表2-4 焊接热模拟试验对象 table 2-4 welding thermal simulation of the welding process 编号 预热温度 () 焊接层数 层间温度() 焊后热处理温度 () 保