束潤濤，楊曉峰，孫德文，周榮田，鄭小舟

1.武漢市潤之達(dá)石化設(shè)備有限公司 湖北武漢 430200 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 四川綿陽 621000 3.武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430200

1 序言

殷瓦鋼是wNi＝35%～37%的鐵基高鎳合金，從常溫到超低溫的膨脹系數(shù)很低，通常用于LNG超低溫使用環(huán)境，以及對尺寸穩(wěn)定性要求很高的量具和微小型電子元器件。一般用于LNG薄膜的殷瓦鋼厚度僅為0.7mm，而特殊科研項(xiàng)目使用4J36D殷瓦鋼的厚度為5～50mm的中厚板材料。

ASME BPVC.II.A-2021《SA-333/SA-333M Specification for seamless and welded steel pipe for low-temperature service and other applications with required notch toughness》，等同殷瓦鋼的11級鋼管[1]交貨狀態(tài)為760～860℃退火熱處理，而國內(nèi)文獻(xiàn)指出厚度0.7mm冷軋殷瓦鋼薄鋼帶的最佳熱處理溫度為750℃[2]。此次試驗(yàn)用某科研工程研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)選用4J36D殷瓦鋼中厚板的交貨狀態(tài)為840℃，而中厚板的焊接及焊后熱處理在國內(nèi)外均無文獻(xiàn)可查，其焊后熱處理不能簡單參考原材料的交貨狀態(tài)來做。因此，開展4J36D殷瓦鋼中板的焊后熱處理研究極為必要。

2 試驗(yàn)材料、試樣制備及熱處理工藝

2.1 殷瓦鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能

本項(xiàng)目所用厚度14mm 的4J36D殷瓦鋼板材按企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行冶煉，其化學(xué)成分及復(fù)驗(yàn)結(jié)果見表1。經(jīng)復(fù)驗(yàn)，化學(xué)成分滿足企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 殷瓦鋼板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4J36D殷瓦鋼板材規(guī)定力學(xué)性能及復(fù)驗(yàn)結(jié)果見表2。經(jīng)過復(fù)驗(yàn)，力學(xué)性能及沖擊吸收能量滿足企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 殷瓦鋼板材規(guī)定力學(xué)性能及復(fù)驗(yàn)結(jié)果

2.2 焊接及焊后熱處理試板制備

4J36D殷瓦鋼試板厚度為14mm，焊接接頭形式為X形對接焊縫，氬弧焊焊接，焊絲化學(xué)成分與母材一致。由于殷瓦鋼特殊的性能特點(diǎn)，即便用很小的焊接熱輸入進(jìn)行焊接，其熱影響區(qū)的晶粒都會很快長大。為避免較大熱輸入對焊接接頭造成負(fù)面影響，本次試驗(yàn)研究采用φ1.6mm的氬弧焊焊絲，進(jìn)行手工氬弧焊焊接，焊接場地為恒溫恒濕廠房。

殷瓦鋼焊后熱處理研究選定的工藝為760℃×1.5h、800℃×1.5h和840℃×1.5h。將焊接完成并經(jīng)RT檢測合格的試板均分切割為4段，其中1段為焊態(tài)，其余3段按不同工藝要求進(jìn)行焊后熱處理，再針對不同狀態(tài)的試樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

2.3 熱處理工藝

試驗(yàn)用熱處理爐的內(nèi)腔尺寸為500mm×400mm×600 mm，最高熱處理溫度1 200 ℃，爐內(nèi)溫差±5℃。熱處理工藝見表3。

表3 熱處理工藝

3 試驗(yàn)分析結(jié)果

所有焊接試樣的焊后熱處理完成后，對不同狀態(tài)的試板取樣分別進(jìn)行常溫和超低溫拉伸、彎曲、超低溫沖擊試驗(yàn)和維氏硬度檢測與分析。

3.1 焊接接頭常溫和超低溫拉伸試驗(yàn)

根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》和GB/T 228.3—2019《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第3部分：低溫試驗(yàn)方法》要求，對不同狀態(tài)下的試樣進(jìn)行了常溫和-196℃超低溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 焊接接頭室溫和超低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果（MPa）

由表4可知，焊后熱處理試樣的常溫抗拉強(qiáng)度均明顯低于焊態(tài)，3種焊后熱處理試樣的常溫抗拉強(qiáng)度差別極小。焊后760℃×1.5h熱處理后的超低溫抗拉強(qiáng)度與焊態(tài)區(qū)別很小。隨熱處理溫度升高，超低溫抗拉強(qiáng)度逐步降低，840℃熱處理后的超低溫抗拉強(qiáng)度已接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限門檻值。

3.2 焊接接頭彎曲試驗(yàn)

根據(jù)NB/T 47014—2011要求，對不同狀態(tài)下的試樣進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，每組4個彎曲試樣，其彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，焊態(tài)4個側(cè)彎樣品中2個裂紋開口長度不滿足NB/T 47014—2011規(guī)定焊接接頭彎曲試樣單個開口長度不得≥3mm[3]的要求，判定為不合格。760℃熱處理的彎曲試樣雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但每個試樣均有2mm以上的開口裂紋，800℃熱處理的彎曲試樣只有一個開口裂紋，840℃熱處理試樣均沒有開口裂紋。

3.3 超低溫沖擊試驗(yàn)

由于該試驗(yàn)研究項(xiàng)目的使用環(huán)境存在超低溫的疲勞沖擊載荷，因此其超低溫沖擊吸收能量是很重要的判定指標(biāo)。該試驗(yàn)研究的項(xiàng)目規(guī)定，焊接接頭熱處理后焊縫金屬和熱影響區(qū)的-196℃沖擊吸收能量應(yīng)≥50J。

安康市漢濱區(qū)壩河鎮(zhèn)的伏羲山，也稱暤皇山，傳說是三皇之一伏羲氏的治地而得名，伏羲山距離安康市城區(qū)30公里。

沖擊試驗(yàn)采用尺寸為10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，對不同狀態(tài)試樣的焊縫金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行-196℃液氮浸泡后的沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 -196℃超低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （J）

由表6可知，焊態(tài)試樣焊縫超低溫沖擊吸收能量勉強(qiáng)滿足規(guī)定要求，熱處理后焊縫的超低溫沖擊吸收能量平均值比焊態(tài)均大幅度提高。760℃×1.5h焊縫的超低溫沖擊吸收能量高于焊態(tài)，但低于其他熱處理態(tài)。800℃×1.5h和840℃×1.5h兩組試樣焊縫和熱影響區(qū)超低溫沖擊吸收能量差異極小。

3.4 顯微硬度檢測

按GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，用數(shù)顯維氏硬度計(jì)MHVST（JX03）進(jìn)行測試。

將焊態(tài)和熱處理試樣剖切腐蝕研磨后，在每一個試樣截面上中下的母材、熱影響區(qū)和焊縫上進(jìn)行硬度測試，其中母材左右各1個點(diǎn)，中間焊縫2個點(diǎn)，熱影響區(qū)雙側(cè)各3個點(diǎn)。焊縫部位的硬度采集點(diǎn)位于距熔合線以內(nèi)1～3mm處，熱影響區(qū)的硬度采集點(diǎn)位于熔合線以外0.2～0.6mm處，相鄰采集點(diǎn)相距0.2mm，母材硬度的采集點(diǎn)位于熱影響區(qū)第3個硬度采集點(diǎn)3mm以上的部位。焊接接頭維氏硬度檢測布置點(diǎn)如圖1所示。殷瓦鋼焊接接頭維氏硬度檢測結(jié)果見表7。

圖1 殷瓦鋼焊接接頭維氏硬度檢測布置點(diǎn)

表7 焊接接頭維氏硬度檢測結(jié)果 （HV）

由表7可知，焊態(tài)焊縫的硬度值略高，焊后經(jīng)760℃×1.5h和800℃×1.5h熱處理后母材和熱影響區(qū)維氏硬度變化很小，焊縫的維氏硬度有所降低。但840℃×1.5h熱處理后母材、焊縫和熱影響區(qū)的硬度為120～155HV，其中熱影響區(qū)近表面的測試部位有5個點(diǎn)低于130HV，母材和焊縫有3個點(diǎn)低于130HV。部分測試點(diǎn)的硬度值偏低，且分布不均勻，說明840℃熱處理工藝使材料微區(qū)出現(xiàn)了不均勻的組織軟化。

檢測試樣隨熱處理溫度的升高，硬度值逐步降低，與表4中超低溫抗拉強(qiáng)度下降的趨勢基本一致。

4 微觀分析

前述試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均存在一定差異，且硬度檢測發(fā)現(xiàn)840℃熱處理后局部微區(qū)出現(xiàn)不均勻的組織軟化現(xiàn)象，因此采用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對所有樣品進(jìn)行了微觀分析。

4.1 光學(xué)顯微鏡微觀組織分析

對各種狀態(tài)的焊接接頭按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，用光學(xué)顯微鏡IM300（JX12）進(jìn)行檢測。微觀檢測分析顯示，焊態(tài)及不同熱處理狀態(tài)的焊接接頭組織穩(wěn)定，基本沒有變化。焊態(tài)試樣宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知，殷瓦鋼焊接接頭的焊縫金屬宏觀金相為柱狀晶，熔合線母材側(cè)過熱區(qū)有晶粒長大現(xiàn)象。焊接接頭未發(fā)現(xiàn)任何顯微缺陷。

焊態(tài)試樣微觀組織如圖3所示。由圖3可知，母材微觀組織為孿晶奧氏體，平均晶粒度為8級；熱影響區(qū)靠近熔合線有晶粒長大現(xiàn)象，晶粒度約為6級；焊縫低倍宏觀形貌雖然為柱狀晶，但放大100倍后發(fā)現(xiàn)焊縫為胞狀等軸晶分布的極細(xì)奧氏體。

圖3 焊態(tài)試樣微觀組織（100×）

此次試板用φ1.6mm焊絲氬弧焊焊接的熱輸入量非常小，但即便是非常低的熱輸入，仍會導(dǎo)致母材側(cè)過熱區(qū)晶?？焖匍L大，這是殷瓦鋼的一個顯著特點(diǎn)，也是其焊接難度大的主要原因。

4.2 電鏡分析

（1）不同狀態(tài)試樣熔合區(qū)電鏡分析 采用QUANTA 400型掃描電鏡對不同狀態(tài)熔合區(qū)附近的微觀形貌進(jìn)行掃描分析，如圖4～圖7所示。由圖4～圖7可知，電鏡分析結(jié)果顯示與光學(xué)顯微鏡結(jié)果基本一致，不同狀態(tài)的電鏡形貌并無明顯區(qū)別，熔合線母材側(cè)的過熱區(qū)均存在晶粒長大現(xiàn)象。熱處理前后的組織狀態(tài)基本沒有發(fā)生變化，粗晶區(qū)的晶粒長大與焊接熱循環(huán)的作用有關(guān)，與熱處理沒有直接關(guān)系。

圖4 焊態(tài)試樣熔合區(qū)電鏡照片（100×）

圖5 760℃熱處理試樣熔合區(qū)電鏡照片（100×）

圖6 800℃熱處理試樣熔合區(qū)電鏡照片（100×）

圖7 840℃熱處理試樣熔合區(qū)電鏡照片（100×）

（2）840℃熱處理試樣高倍電鏡分析 將840℃熱處理試樣放大到1000倍進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖8所示。對840℃熱處理試樣進(jìn)行高倍電鏡分析，仍然沒有發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致微區(qū)組織軟化的非金屬夾雜物及其他組織特征。

圖8 840℃熱處理試樣高倍電鏡照片（1000×）

5 結(jié)束語

1）焊接接頭不同熱處理狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度與焊態(tài)相比明顯降低，焊縫的室溫和超低溫沖擊吸收能量與焊態(tài)相比明顯提高，熱處理后的側(cè)彎試驗(yàn)全部合格，說明焊后熱處理均達(dá)到了改善焊接殘余應(yīng)力的效果。

2）從焊接接頭-196℃超低溫拉伸試驗(yàn)的結(jié)果來看，焊后840℃熱處理態(tài)的抗拉強(qiáng)度已接近規(guī)定的下限值；從焊接接頭維氏硬度檢測結(jié)果來看，焊后840℃的試樣局部檢測數(shù)據(jù)偏低，與-196℃超低溫抗拉強(qiáng)度偏低的檢測數(shù)據(jù)基本吻合，說明840℃的熱處理工藝會導(dǎo)致焊接接頭局部微區(qū)出現(xiàn)組織軟化跡象。這種不均勻的組織軟化會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，存在未知使用風(fēng)險(xiǎn)。

3）殷瓦鋼焊后熱處理的性能改善以及微區(qū)組織軟化經(jīng)微觀分析未發(fā)現(xiàn)明顯變化，840℃焊后熱處理試樣微區(qū)組織軟化的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

4）經(jīng)綜合評估，4J36D殷瓦鋼中厚板焊后熱處理的最佳溫度為800℃。