李忠杰

（上海鍋爐廠有限公司，上海 200245）

0 引 言

殘余應(yīng)力可導(dǎo)致零件尺寸不穩(wěn)定，甚至開裂破壞。退火是消除殘余應(yīng)力最常見的方法之一。然而大型結(jié)構(gòu)件的整體退火十分困難，通常是只對構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行局部加熱，以此來有效降低殘余應(yīng)力水平（稱為殘余應(yīng)力的熱松弛）。殘余應(yīng)力熱松弛是一種熱力學(xué)過程，不但受加熱溫度和時(shí)間的影響，而且還與殘余應(yīng)力狀態(tài)及其不均勻性有關(guān)。促使殘余應(yīng)力松弛的外界因素可以是加熱溫度也可以是外加載荷，在高溫加熱條件下構(gòu)件的宏觀殘余應(yīng)力和微觀殘余應(yīng)力均會發(fā)生松弛現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是材料中的彈性應(yīng)變能通過局部塑性變形的方式逐漸釋放，從微觀上講則是在回復(fù)和再結(jié)晶過程中存在原子擴(kuò)散和位移的過程［1－5］。

先進(jìn)超超臨界發(fā)電機(jī)組700℃鍋爐水冷壁組件材料采用的是SA213-T92馬氏體鋼（以下簡稱T92鋼）。通常在水冷壁管排上需焊接填板、剛性梁等附件，附件與管排焊接后必然在焊接區(qū)域產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力與約束殘余應(yīng)力，其中的殘余拉應(yīng)力會對組件產(chǎn)生一些不良影響，例如導(dǎo)致構(gòu)件的開裂失效等。研究殘余應(yīng)力狀態(tài)及其熱松弛行為，是制定實(shí)際構(gòu)件退火去應(yīng)力工藝的基礎(chǔ)。雖然目前對于焊接件殘余應(yīng)力的研究比較多［6－8］，但國內(nèi)還沒有類似材料水冷壁的制造經(jīng)驗(yàn)，為了保證這類水冷壁組件在長期服役過程中的可靠性，迫切需要分析與評價(jià)不同結(jié)構(gòu)形式、不同熱處理狀態(tài)下這類水冷壁組件的殘余應(yīng)力大小及其分布形式。為此，作者通過測定T92鋼焊管退火處理前后殘余應(yīng)力，分析了殘余應(yīng)力的高溫松弛行為，并進(jìn)行了高溫松弛動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為SA213-T92鋼管，尺寸φ38.1mm×6.8mm，管材來源于上海鍋爐廠有限公司，該鋼材主要用于鍋爐水冷壁組件。完成對附件的焊接后，采用加熱爐在600，650，700，750℃下分別對試樣整體進(jìn)行不同時(shí)間的退火熱處理。焊接接頭形貌如圖1所示，在接頭的縱向由上至下選擇A、B、C、D及E共5條檢測線，每條線上由基體至焊縫再至基體共選擇11個(gè)測試點(diǎn)，分別研究這些部位的焊接殘余應(yīng)力及其熱松弛行為，測試點(diǎn)位置及對應(yīng)接頭部位如表1所示。

借助Proto-8818型電解拋光機(jī)，對檢測表面進(jìn)行電化學(xué)腐蝕和拋光，工作參數(shù)為15V及2A，電解液為飽和食鹽水。各測試點(diǎn)的電化學(xué)腐蝕面積約10mm2，腐蝕深度約100μm。

圖1 焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of the welded joint

利用Proto-iXRD型便攜式X射線應(yīng)力分析儀，檢測焊接管各點(diǎn)縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力，管電壓20kV，管電流5mA，鉻靶Kα輻射，V濾波片，準(zhǔn)直管直徑1mm，選取Fe（211）衍射晶面作為應(yīng)力測量面，探測器采用512通道位敏探測器，測試過程中衍射角2θ范圍為19°，采用同傾衍射幾何方式，ψ角范圍為±45°，為了優(yōu)化測量，內(nèi)優(yōu)化設(shè)置采用17站。應(yīng)力計(jì)算過程中的需要用到的X射線彈性常數(shù)S2/2＝5.92×10－6MPa－1及S1＝－1.28×10－6MPa－1，材料無應(yīng)力狀態(tài)衍射角為156.4°，執(zhí)行 ASTM-E915－2010、EN15305－2008 和 GB 7704－2010標(biāo)準(zhǔn)。

表1 試驗(yàn)焊管表面檢測位置及對應(yīng)接頭部位Tab.1 The measurement positions on the surface of welded pipe and their corresponding parts of the joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊管表面殘余應(yīng)力分布

由圖2可知，退火前焊管表面縱向殘余應(yīng)力高于橫向的，但兩者分布趨勢相似，在焊縫與母材交界處殘余拉應(yīng)力最高（5＃和7＃測試點(diǎn)處），在焊縫中心也存在殘余拉應(yīng)力，但比交界處略?。浑x焊縫越遠(yuǎn)的地方殘余拉應(yīng)力越??；有些地方存在很小的殘余壓應(yīng)力（2＃測試點(diǎn)處約為－120MPa）。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同溫度退火后焊管接頭表面的殘余應(yīng)力比退火前均有所下降，經(jīng)600℃×4h退火以后焊縫處的縱向殘余應(yīng)力仍然高于橫向的，兩者殘余拉應(yīng)力峰值分別在200MPa和100MPa左右；隨著退火溫度的升高，焊縫的殘余拉應(yīng)力逐漸降低，經(jīng)750℃×4h退火后，焊縫區(qū)縱向和橫向平均殘余拉應(yīng)力峰值都基本穩(wěn)定在20～25MPa。從表2可見，在退火加熱過程中，縱向和橫向平均殘余拉應(yīng)力都在減小，退火溫度越高，減小越多，當(dāng)退火溫度為750℃時(shí)候，焊縫區(qū)平均拉應(yīng)力基本消失。

2.2 焊接殘余應(yīng)力的高溫松弛動(dòng)力學(xué)

從圖4可以看到，隨著退火時(shí)間的延長，殘余應(yīng)力按冪指數(shù)的規(guī)律發(fā)生松弛，溫度越高殘余應(yīng)力的松弛程度就越明顯。這是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的存在，使材料中局部區(qū)域在高溫條件下必然發(fā)生蠕變現(xiàn)象，蠕變等效應(yīng)變速率可表示為［9］

式中：σ為殘余應(yīng)力；A為材料常數(shù)；n為應(yīng)力指數(shù)；Q為蠕變激活能；t為應(yīng)力松弛時(shí)間；T為熱力學(xué)溫度；R 為氣體常數(shù)，8.31J·mol－1·K－1

圖2 退火前焊管表面的殘余應(yīng)力面分布Fig.2 The distribution of residual stress along the longitudinal（a）and transverse（b）directions on the surface of welded pipe

圖3 經(jīng)不同工藝退火后焊管表面的殘余應(yīng)力分布Fig.3 The distribution of residual stress on the welded pipe surface after different annealing treatments

表2 不同退火工藝后焊管表面的平均殘余應(yīng)力Tab.2 The average residual stress of the welded pipe surface after different annealing treatments MPa

當(dāng)材料局部發(fā)生蠕變即塑性應(yīng)變量增加時(shí)，彈性應(yīng)變隨之減小，造成該區(qū)域殘余應(yīng)力降低。殘余應(yīng)力改變量dσ與蠕變應(yīng)變改變量dε之間的關(guān)系為

結(jié)合式（1）和（2），可得到

對（3）式積分后可得到

式中：σ0為最初（t＝0）的殘余應(yīng)力；σ為在高溫（T）下松弛一段時(shí)間（t＞0）后的殘余應(yīng)力。

圖4 不同工藝退火后焊縫表面殘余應(yīng)力的松弛動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 The relaxation kinetic curves of residual stress on the surface of welded pipe after different annealing treatments

根據(jù)式（4）及圖4中的數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行回歸分析，求得系數(shù)系數(shù)B為5.07×104，應(yīng)力指數(shù)n為4.4，應(yīng)力松弛激活能Q為242kJ·mol－1，與鋼鐵材料應(yīng)力指數(shù)及自擴(kuò)散激活能相當(dāng)。材料的高溫蠕變及應(yīng)力松弛行為通常與基體原子擴(kuò)散及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。當(dāng)基體原子擴(kuò)散及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大時(shí)，則表現(xiàn)出高的應(yīng)力指數(shù)及應(yīng)力松弛激活能［10－14］。

3 結(jié) 論

（1）退火前試驗(yàn)鋼焊管接頭表面的縱向殘余應(yīng)力高于橫向的，兩者分布規(guī)律相似，在焊縫與母材交界處殘余拉應(yīng)力最高，焊縫中心稍低；離焊縫越遠(yuǎn)，殘余拉應(yīng)力越小；有些地方還出現(xiàn)很小的殘余壓應(yīng)力。

（2）不同溫度退火后焊管接頭表面的殘余應(yīng)力比退火前均有降低，隨著退火溫度的升高，殘余拉應(yīng)力逐漸降低；當(dāng)退火溫度為750℃時(shí)，焊縫的拉應(yīng)力基本消失。

（3）根據(jù)不同退火溫度下焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的熱松弛動(dòng)力學(xué)曲線，求得蠕變等效方程中的系數(shù)B為5.07×104，應(yīng)力指數(shù)n為4.4，應(yīng)力松弛激活能Q為242kJ·mol－1，與鋼鐵材料應(yīng)力指數(shù)及自擴(kuò)激活散能相當(dāng)。

［1］EVANS A，KIMS B，SHACKLETON J，et al.Relaxation of residual stress in shot peened Udimet 720Li under high temperature isothermal fatigue［J］.International Journal of Fatigue，2005，27：1530-1534.

［2］JUIJERMP，ALTENBERGER I，Residual stress relaxation of deep-rolled Al-Mg-Si-Cu alloy during cyclic loading at elevated temperatures［J］.Scripta Materialia，2006，55：1111-1114.

［3］欒衛(wèi)志，姜傳海，嵇寧，等.TiB2/6351Al復(fù)合材料噴丸層再結(jié)晶過程的 X射線衍射分析［J］.金屬學(xué)報(bào)，2008（6）：671-674.

［4］欒衛(wèi)志，姜傳海，王浩偉，等.TiB2/Al噴丸形變層連續(xù)加熱組織結(jié)構(gòu)［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2008，18（8）：1402-1406.

［5］BERGER MC，GREGORY J K.Residual stress relaxation in shot peened Timetal 21s［J］.Materials Science and Engineering：A，1999，263（2）：200-204.

［6］李燦，傅定發(fā)，王冠，等.焊接順序?qū)?061-T6鋁合金矩形焊縫焊接殘余應(yīng)力及變形量的影響［J］.機(jī)械工程材料，2012，36（7）：88-92.

［7］王訓(xùn)宏，王快社，沈洋，等.攪拌摩擦焊和鎢極氬弧焊焊接接頭的殘余應(yīng)力［J］.機(jī)械工程材料，2007，31（7）：26-28。

［8］何小東，張建勛，裴怡，等.鈦合金薄板激光焊接和TIG焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程材料，2005，29（3）：25-27.

［9］姜傳海，吳建生，王德尊.SiCw/Al復(fù)合材料高溫再結(jié)晶行為的 X射線衍射分析［J］.金屬學(xué)報(bào)，2004，40（10）：1023-1026.

［10］HUMPHREYS F J，KALU P N.Dislocation-particle interactions during high temperature deformation of two-phase aluminum alloys［J］.Acta Metallurgica et Materialia，1987，35：2815-2829.

［11］LUAN WZ，JIANG C H，JI V.Residual stress relaxation in shot peened surface layer on TiB2/Al composite under applied loading［J］.Materials Transactions，2009，50：158-160.

［12］LUAN W，JIANG C，JI V.Thermal relaxation of residual stresses in shot peened surface layer on TiB2/Al composite at elevated temperatures［J］.Materials Transactions，2009，50：1499-1501.

［13］POUDENS A，BACROIX B.Recrystallization textures in Al-SiC metal matrix composites［J］.Scripta Materialia，1996，34：847-855.

［14］UNGáR T.Microstructural parameters from X-ray diffraction peak broadening［J］.Scripta Materialia，2004，51：777-781.