劉小戶，田 軍

（中核集團(tuán)西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 720021）

消應(yīng)力熱處理溫度對16MND5鋼焊接接頭組織和性能的影響

劉小戶，田 軍

（中核集團(tuán)西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 720021）

對16MND5鋼焊接接頭進(jìn)行不同溫度的消應(yīng)力熱處理，并進(jìn)行組織觀察、拉伸及沖擊試驗。結(jié)果表明，經(jīng)過620℃消應(yīng)力熱處理，16MND5焊接接頭的相組成為塊狀先共析鐵素體、黑色珠光體及少量針狀鐵素體和細(xì)小片狀珠光體，隨著消應(yīng)力溫度的升高，焊接接頭的組織發(fā)生生長和粗化，且焊接接頭的拉伸及沖擊性能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，經(jīng)過620℃，保溫180min消應(yīng)力熱處理后，焊接接頭具有最佳的綜合力學(xué)性能，其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為630MPa、543MPa和24.8%，沖擊功、高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為176J、569MPa和401MPa。

16MND5鋼；焊接接頭；消應(yīng)力熱處理；組織；性能

16MND5鋼具有力學(xué)性能優(yōu)異、焊接性良好及生產(chǎn)成本較低等特點，因此被廣泛應(yīng)用于制造壓力容器、橋梁主體、鍋爐設(shè)備、車輛部件和各種工程機(jī)械等，日益受到國內(nèi)研究者的關(guān)注［1-2］。為了有效減少焊接接頭的應(yīng)力集中，改善焊接接頭的組織和性能，并避免開裂，消應(yīng)力熱處理被廣泛應(yīng)用于16MND5鋼焊接接頭，然而關(guān)于消應(yīng)力熱處理溫度對16MND5鋼焊接接頭的組織和性能的影響方面的研究較少。因此，本文對16MND5鋼焊接接頭進(jìn)行不同溫度的消應(yīng)力熱處理，對不同消應(yīng)力熱處理溫度試樣的組織和性能進(jìn)行觀察和分析，研究了消應(yīng)力熱處理溫度對16MND5鋼焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律，從而為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用16MND5鋼，采用焊條電弧焊方法焊接，接頭形式及焊縫順序如圖1所示，焊接參數(shù)見表1，試樣的消應(yīng)力熱處理方案見表2所示。

表1 16MND5鋼的焊接參數(shù)

圖1 焊接接頭的形式及焊接順序

表2 焊接試樣熱處理方案

在消應(yīng)力熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭截取20mm×10mm×10mm的試樣，經(jīng)過磨制、拋光及4%硝酸酒精腐蝕獲取金相試樣，參照《金屬平均晶粒度測試方法》（GB/T6394-2002）［3］、《金屬材料 拉伸試驗》（GB/ T228-2015）［4］和《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/ T 229-2007）［5］分別進(jìn)行晶粒尺寸測量、拉伸試驗和沖擊試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭組織形貌

消氫熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭的組織形貌如圖2所示。依據(jù)GB/T6394-2002［3］給出的截點法獲得的消氫熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭晶粒尺寸，C試樣的焊縫和熱影響區(qū)晶粒尺寸分別為14.8μm和21.7μm，而D試樣的焊縫和熱影響區(qū)晶粒尺寸分別30.7μm和37.5μm（見表3所示）。由此可見，在相同的焊接參數(shù)和消氫熱處理條件下，隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，焊接接頭的晶粒尺寸出現(xiàn)生長，這主要是由于較高的溫度為溶質(zhì)原子的擴(kuò)散提供了能量，有利于晶界處的溶質(zhì)原子向晶粒內(nèi)部發(fā)生擴(kuò)散，且擴(kuò)散速度較快，從而在保溫過程中出現(xiàn)晶粒的生長和粗化。

表3 消應(yīng)力熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭組織的晶粒尺寸

由圖2分析可知，C和D試樣的焊接接頭組織中均未發(fā)現(xiàn)裂紋的存在。C試樣焊縫區(qū)的組織為亮白色的塊狀先共析鐵素體、黑色珠光體及少量分布在晶內(nèi)的針狀鐵素體和細(xì)小片狀珠光體（圖2（a）），這是由于焊縫區(qū)的冷卻速率較低，冷卻過程中在奧氏體晶界處形成塊狀先共析鐵素體，并能在晶粒內(nèi)部形成針狀鐵素體。同時，在焊接或熱處理保溫過程中，因溶質(zhì)原子具有足夠的擴(kuò)散時間，在鐵素體附近形成滲碳體，兩者混合形成珠光體。C試樣熱影響區(qū)的組織仍為先塊狀共析鐵素體、珠光體、少量針狀鐵素體和片狀珠光體，但接頭組織中針狀鐵素體和片狀珠光體的數(shù)量減小，塊狀鐵素體的體積和數(shù)量明顯增加，且接頭組織發(fā)生粗化（圖2（a））。當(dāng)消應(yīng)力熱處理溫度為660℃時，D試樣焊縫和熱影響區(qū)的相組成主要為塊狀鐵素體、晶界處粗大的珠光體和少量顆粒物（見圖2（c）和（d）），晶粒發(fā)生顯著的生長，珠光體發(fā)生粗化，特別是熱影響區(qū)組織中出現(xiàn)鐵素體魏氏組織。由于D試樣的消應(yīng)力熱處理溫度較高，保溫時間較長，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散數(shù)量和擴(kuò)散速度顯著增加，促進(jìn)了鐵素體和珠光體的生長和粗化，并在非平衡冷卻過程中形成，在晶界處形成魏氏體組織?？傮w而言，消應(yīng)力熱處理態(tài)焊接接頭的組織主要由塊狀鐵素體和片狀珠光體組成，但隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，接頭組織發(fā)生生產(chǎn)和粗化，并在晶界處形成少量魏氏體組織。

圖2 消氫熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭的組織形貌

2.2 焊接接頭性能

圖3為消應(yīng)力熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭的硬度曲線，B、C和D試樣的最大硬度均出現(xiàn)在焊接接頭的熱影響區(qū)，分別為247HV10、253HV10和233HV10，C試樣的峰值硬度最大，且隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，試樣的硬度呈現(xiàn)先增大后較小的趨勢。

圖3 焊接接頭顯微硬度分布

拉伸性能測試方法參照GB/T228-2015 ［4］進(jìn)行，圖4和表4分別給出了焊接接頭的室溫和高溫拉伸性能。分析圖4可知，B和C試樣的室溫拉伸性能均優(yōu)于未經(jīng)消應(yīng)力熱處理的A試樣，但D試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率僅為522MPa、449MPa和19.3%，低于A試樣的拉伸性能。由表4分析可知， 360℃進(jìn)行拉伸試驗，C試樣的高溫拉伸性能優(yōu)于B和C試樣。由此可見，經(jīng)過620℃消應(yīng)力熱處理后，16MND5鋼焊接接頭的室溫和高溫拉伸性能最佳，室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為630MPa、543MPa和24.8%，高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為569MPa和401MPa，且隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，焊接接頭的室溫和高溫拉伸性能均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

一方面，晶粒尺寸越大，焊接接頭的硬度和強(qiáng)度越低［2］。因為晶粒的生長，使得晶界數(shù)量減少，從而減小了滑移帶運(yùn)動的阻力，且相鄰晶粒之間存在位相差，為協(xié)調(diào)變形，晶粒須發(fā)生多滑移，而晶粒的生長將導(dǎo)致多滑移與位錯的交互作用減弱，致使促進(jìn)滑移的外力減小，從而顯著的降低合金的強(qiáng)度和硬度。同時，亞共析鋼的強(qiáng)度和硬度隨著片間距和厚度的增大而減?。?］，當(dāng)受到外力作用時，塑性變形主要發(fā)生在珠光體中的鐵素體，而滲碳體主要阻礙位錯滑移，片間距及厚度的增加，使得鐵素體和滲碳體的界面越少，抑制位錯運(yùn)動的阻力減小，導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度和硬度降低。因此，隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，焊接接頭的晶粒尺寸長大，片狀珠光體的間距和厚度增大，導(dǎo)致隨著焊接接頭的強(qiáng)度和硬度降低。另一方面，晶粒內(nèi)部形成的針狀鐵素體和細(xì)小的片狀珠光體與位錯的運(yùn)動具有強(qiáng)烈的交互作用，能夠有效抑制位錯的運(yùn)動和晶粒的變形，從而顯著提高焊接接頭的強(qiáng)度和硬度。由此可見，在上述兩個相互抑制的現(xiàn)象作用下，隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，焊接接頭的硬度和強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，C試樣表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能 。

參照GB/T 229-2007［5］對消應(yīng)力熱處理態(tài)16MND5鋼焊接接頭進(jìn)行沖擊試樣，試樣結(jié)果見表4所示，B、C和D試樣在0℃的沖擊功分別為142J、176J和107J，C試樣的沖擊功最大，試樣的韌性較好。由于焊接接頭的沖擊功對應(yīng)力和組織缺陷十分敏感，當(dāng)消應(yīng)力熱處理溫度較低時，焊接接頭的應(yīng)力未能完全釋放，沖擊韌性降低。而當(dāng)消應(yīng)力熱處理溫度較高時，焊接接頭應(yīng)力得到完全釋放，但接頭組織中出現(xiàn)魏氏組織，這種過熱缺陷組織，能夠提高焊接接頭的脆韌轉(zhuǎn)變溫度，使焊接接頭易發(fā)生脆性斷裂，強(qiáng)烈的降低接頭的塑形和沖擊韌性。由此可見，隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，焊接接頭的沖擊韌度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，C試樣具有優(yōu)異的塑形和沖擊韌度。

3 結(jié)束語

（1）16MND5鋼焊接接頭的最優(yōu)消應(yīng)力熱處理溫度為620℃，保溫為180min。

（2）隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，16MND5鋼焊接接頭的組織發(fā)生長大和粗化。經(jīng)過620℃消應(yīng)力熱處理的焊接接頭相組成為塊狀先共析鐵素體、黑色珠光體及少量分布在晶粒內(nèi)部的針狀鐵素體和細(xì)小片狀珠光體。

（3）隨著消應(yīng)力熱處理溫度的升高，16MNN5鋼焊接接頭的拉伸性能和沖擊韌性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，經(jīng)過620℃消應(yīng)力熱處理的焊接接頭具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為630MPa、543MPa和24.8%，沖擊功、高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為176J、569MPa和401MPa。

［1］姚海云，胡艷華，王麗霞.熱處理工藝對16Mn鋼晶粒形貌的影響［J］.材料熱處理.2014，39（10）：25-27.

［2］王多名，田軍.16MND5鋼焊接接頭強(qiáng)度偏低原因分析［J］.科技與質(zhì)量.2016，269（04）：196-197.

［3］B/T6394-2002.金屬平均晶粒度測試方法［S］.中國：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2002.

［4］GB/T228-2015.金屬材料 拉伸試驗［S］.中國：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2015.

［5］GB/T229-2007. 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法［S］.中國：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2007.

［6］崔忠圻，譚耀春.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：245-246.

Effect of Stress Relief Heat Treatment Temperature on Microstructure and Properties of 16MND5 Weld joint

Xiaohu Liu， Jun Tian
（CNNC Xi′an Nuclear Equipment Co.， Ltd. Shaanxi Xi′an 720021）

The 16MND5 weld joints were subjected to stress relief heat treatment at different temperatures，and the microstructure， tensile and impact test were analyzed. The results show that the microstructure of 16MND5 weld joint at 620℃ consists of nubby ferrite， black pearlite， needlelike ferrite and fine sheet pearlite. The microstructure of weld joint grows and chaps with the temperature increasing. And the properties of tensile and impact test increase firstly and then decrease at the same time. The 16MND5 weld joint heat treatment at 620℃ for 180 min has excellent comprehensive mechanical properties， its ultimate tensile strength，yield tensile strength and elongation at room temperature are 630MPa， 543MPa and 24.8%， the Ak， ultimate tensile strength and yield tensile strength are 176J， 569MPa and 401MPa， respectively.

16MND5 steel； weld joint； stress relief heat treatment； microstructure； properties

圖4 焊接接頭拉伸性能

表4 試樣的高溫拉伸及沖擊性能

V229+.8

A

1671-3818（2016）10-0006-02

劉小戶（1979-），男，工程師，研究方向：民用核承壓設(shè)備制造。