P92钢焊接接头蠕变本构关系
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[ 3] Manna G, Cast ello P, Harskamp F, et al . Test ing of welded 2. 25CrMo steel in hot high pressure hydrogen under creep condit ions [ J] . Engi neering Fracture Mechanics, 2007, 74( 6) : 956- 968.
表 1 列出了模拟组织试样和实际焊接接头相应 位置的硬度值, 图 2~ 图 4 为模拟试样和实际接头 HAZ 相应位置的显微组织形貌, 从硬度和组织可以 看出, 模拟试样的硬度和组织与焊接接头相应位置
30
焊接学报
的硬度和组织非常接近, 证明可以使用模拟组织试 样来获得 P92 钢焊接接头各微区组织的蠕变本构方 程.
时间曲线, 图 5 给出了 923 K 下 P92 钢焊接接头
各微区组织蠕变应变 时间曲线.
从蠕变应变 时间曲线中可以得到各种组织的
稳态蠕变速率, 用最小二乘法拟合后, 得到 P92 钢焊
接接头 各微 区 在 923 K 下的 蠕变 参 数, 文中 使用
Norton 冥率方程, 即
= Bn
( 1)
式中: 为材料蠕变第二阶段( 稳态阶段) 的蠕变应
第 30 卷
图 1 热处理法模 拟 P92 钢焊 接热影 响区 显微组 织的 热循 环曲线示意图
Fig 1 Schematic of thermal cycle in HAZ microstructure simulated by heat treatment
表 1 模拟组织试样硬度与焊接接头硬度 Table 1 Microhardness of simulated HAZ and welded joint
32
焊接学报
能不均匀性的影响, 其中热影响区各微区的蠕变性 能不均匀性也不能被忽视.
参考文献:
第 30 卷
图 6 P92 钢焊接接头各微区的蠕变应变速率 Fig 6 Creep strain rates of sub zones of P92 welded joint
3结 论
( 1) 热处理法模拟 P92 钢焊接热循环, 在 3. 53 K s 的升温速度下获得热影响区各微区的模拟组 织. 模拟试样在显微结构和显微硬度上均与实际焊 接接头的热影响区的相应位置接近.
[ 1] Tezuka Hideshi , Sakurai Takash. A trigger of type IV damage and a new heat treatment procedure to suppress it. Microstructural investiga tions of long term ex service Cr Mo st eel pipe elbows [ J] . International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2005, 82( 3) : 165- 174.
蠕变试验采用 CSS 3910 型电子高温持久蠕 变试验机, 使用母材、熔敷金属以及前面介绍的热处 理方法制备的粗晶区、细晶区和临界区模拟组织的
第 12 期
徐连勇, 等: P92 钢焊接接头蠕变本构关系
31
标准蠕变试样进行单轴蠕变试验, 试验执行国家标 准为 GB 2039 1997 金属拉伸wk.baidu.com变及持久试验方 法 , 蠕变试验温度为 923 K, 各种试样的试验应力水 平见表 2.
变速率; 为试验应力; B 和 n 为材料常数, 其值在
表 3 中列出.
表 3 P92 钢焊 接接头各微区蠕变性能参数( 923 K) Table 3 Creep parameters of sub zones of P92 welded joint
( 923 K)
材料
粗晶区 细晶区 临界区 熔敷金属
焊接热模拟曲线如图 1 所示, 三种峰值温度分 别为 1 473, 1 223 和 1 108 K, 分别模拟热影响区粗晶 区、细晶区和临界区的组织. 模拟组织试样尺寸参照 国家标准 GB 2039 1997 金属拉伸蠕变及持久试验 方法 . 在制备每种组织的模拟试样时, 还随炉制备 了相同组织的小试样, 用来与实际焊接接头热影响区 各微区在显微组织和硬度方面进行对比分析.
P92 钢的应用还面临一个问题, 它同其它 Cr Mo 耐热钢一样, 易发生细晶热影响区( fine grained heat affected zone, FGHAZ) 内 的 恶性 早 期 IV 型 蠕 变 开 裂[ 1- 6] . 另外, 火电行业承压高 温管道常采用 焊接 工艺制造, 不可避免存在一些焊接缺陷, 有必要对高 温焊接接头开展蠕变损伤和缺陷评定, 这就需要获 得焊接 接头中 熔敷金 属、母材 和热影 响区 粗晶 区 ( coarse grain heat affected zone, CGHAZ) 、细晶区和临 界区( intercritical heat affected zone, ICHAZ, 国内常称 为不完全重结晶区) 组织的蠕变本构关系. 然而, 由 于焊接接头热影响区非常小, 无法直接从接头中加
组织( 峰值温度 T K)
硬度( HV 0. 5)
焊接接头
模拟组织
临界区( 1 108)
219
222
细晶区( 1 223)
207
205
粗晶区( 1 473)
242
241
图 3 模拟细 晶区和实际焊接接头细晶区的显微组织形貌 Fig 3 Microstructures of simulated and actual FGHAZ
( 2) 试验发现 P92 钢焊接接头各区域( 尤其是 热影响区各微区) 组织的材料蠕变性能差异较大, 在 较低试验应力水平下, 细晶区的蠕变 性能最差. 对 P92 钢焊接接头的蠕变损伤进行力学分析时, 应该 考虑焊接接头各区域( 包括热影响区各微区) 蠕变性 能不均匀性的影响.
( 3) 文中蠕变试验是在较高应力下进行的, 而 实际构件在 30 MPa 以下的蒸汽压 力下工作. 进一 步的工作是继续进行更低应力水平下的蠕变性能研 究, 探讨其蠕变损伤机理是否发生变化, 积累 P92 钢 焊接接头各微区组织的蠕变数据, 为后续的高温下 P92 钢焊接接头内蠕变损伤分析及缺陷的评定积累 数据.
钰2 ,
陈玉成2
摘 要: 通过热处理方法模拟焊接热循环, 在 3. 53 K s 的升温速度下制备 P92 钢焊接热 影响 区各微区的模拟组织试样, 通过单轴蠕变试验 获得 923 K 下 P92 钢熔敷 金属、热影 响区 各微区和母材组织不同应力 水平下 的单轴 蠕变数 据, 用最小 二乘 法拟 合得到 P92 钢焊接接头各区域组织在稳态蠕变条件下的蠕 变本构方程 . 结果 表明, 相比焊接接 头 其它微区组织 , 试验应力较低时, 细晶区的蠕变 应变率 最大, 因此在 低应力 下细晶区 容 易发生蠕变开 裂; 随着应力水平的增加, 焊接接 头和母 材蠕变 速率逐渐 超过细 晶区, 蠕 变断裂易发生在焊缝或母材上. 关键词: P92 钢; 热影响区; 热处理方法; 蠕变本构方程 中图分类号: TG115. 28 文献标识码: A 文章编号: 0253- 360X( 2009) 12- 0029- 04
第 30卷 第12期
焊接学报
2 0 0 9 年 1 2 月 TRANSACT IONS OF THE CHINA WELDING INST ITUTION
Vol. 30 No. 12 December 2009
P92 钢焊接接头蠕变本构关系
徐连勇1 ,
荆洪阳1 , 安俊超1, 徐德录2, 韩
( 1. 天津大学 材 料科学与工程学院, 天津 300072; 2. 中国电力科学研究院, 北京 100055)
表 2 蠕变试验应力 Table 2 Creep test stress
材料
粗晶区 细晶区 临界区 熔敷金属
母材
试验应力 MPa
150
170
180
145
150
160
145
150
160
150
160
170
160
170
180
2 蠕变试验结果
蠕变试验中计算机自动记录试样的变形 时间 曲线, 试验后经数据处理得到各种试样的蠕变应变
图 2 模拟临界区和实际焊接接头临界区的显微组织形貌 Fig 2 Microstructures of si mulated and actual ICHAZ
图 4 模拟粗 晶区和实际焊接接头粗晶区的显微组织形貌 Fig 4 Microstructures of simulated and actual CGHAZ
收稿日期: 2008- 07- 31 基金项目: 国家自 然科学 基金资 助项目 ( 50805103) ; 天津 市自 然科
学基金资助项目( 08JCZDJC18100) ; 科技 部科研院 所技术 开发研究专项资金资助项目( Ncste 2006 Jkzx 178)
工单轴蠕变试样, 研究者常采用模拟焊接热循环的 方法获得热影响区粗晶粒和细晶粒组织, 从而制备 蠕变性能试验的试样[ 7- 9] .
[ 4] Francis J A, M azur W, Bhadeshia H K D H. Type IV cracking in fer rit ic power plant st eels[ J] . Mat erials Science and Technology, 2006, 22( 12) : 1387- 1395.
P92 钢焊接接头各微区组织的蠕变应变速率的 对比如图 6 所示. 可以看出, 当 应力水平低于 145 MPa 时, 细晶区的蠕变应变速率最大, 因此在低应力 下细晶区容易发生蠕变开裂; 随着应力水平的增加, 焊缝金属和母材的蠕变速率逐渐超过细晶区, 蠕变 断裂易发生在焊缝或母材上.
从焊接接头各微区组织的蠕变应变速率可以部 分解释 P92 钢焊接接头易发生 IV 型蠕变开裂的原 因. 从图 6 中还可以看出, 对于 P92 钢, 其焊接接头 各区域( 尤其是热影响区的各个微区) 组织的材料蠕 变性能差异较大, 因此, 在对 P92 钢焊接接头的蠕变 失效进行力学分析时, 应该考虑接头各微区蠕变性
徐连勇
0序 言
从目前世界火力发电技术水平看, 提高火力发 电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数, 即提高进 入蒸汽轮机的蒸汽压力和温度. 提高蒸汽的温度与 压力, 是提高火电机组热效率的有效途径, 而要保证 机组在较高温度与压力下稳定运行, 材料是关键因 素之一. 目前, 国外已经开发并应用了用于超临界 电站的新型耐高温合金 P92 铁素体钢, 它在 873 K 以上的温度下具有很高的蠕变持久强度和蒸汽抗氧 化能力.
[ 2] Allen D J, Harvey B, Bret t S J. ∀ FOURCRACK# An investigat ion of the creep performance of advanced high alloy steel welds [ J ] . Interna tional Journal of Pressure Vessels and Piping, 2007, 84 ( 1 - 2 ) : 104- 113.
母材
材料常数 B ( MPa- n h- 1) 3. 04 ! 10- 41 1. 56 ! 10- 21 6. 50 ! 10- 33 1. 31 ! 10- 39 2. 24 ! 10- 41
材料常数 n
16. 7 8. 2 13. 4 16. 3 17. 0
图 5 P92 钢焊接接头各微区组织试样蠕变应变 时间曲线 Fig 5 Creep curves of sub zones of P92 welded joint
文中将采用热处理法模拟 P92 钢焊接热循环, 获得热影响区各微区的模拟组织, 并通过单轴蠕变 试验, 获得焊接接头各微区组织的蠕变本构方程.
1 试验方法
试验材料选用 P92 钢, 采用真空热处理炉进行 热处理. 真 空热处理炉 双室真空 淬火炉的 型号为 ZC2 65, 最高加热温度 1 573 K, 有自动控温系统, 可设定加热速度及时间. 真空热处理炉的加热速度 快, 控温精度高, 得到的热模拟温度曲线更接近实际 的焊接工况, 同时可以减少试样的脱碳等方面优点.
表 1 列出了模拟组织试样和实际焊接接头相应 位置的硬度值, 图 2~ 图 4 为模拟试样和实际接头 HAZ 相应位置的显微组织形貌, 从硬度和组织可以 看出, 模拟试样的硬度和组织与焊接接头相应位置
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焊接学报
的硬度和组织非常接近, 证明可以使用模拟组织试 样来获得 P92 钢焊接接头各微区组织的蠕变本构方 程.
时间曲线, 图 5 给出了 923 K 下 P92 钢焊接接头
各微区组织蠕变应变 时间曲线.
从蠕变应变 时间曲线中可以得到各种组织的
稳态蠕变速率, 用最小二乘法拟合后, 得到 P92 钢焊
接接头 各微 区 在 923 K 下的 蠕变 参 数, 文中 使用
Norton 冥率方程, 即
= Bn
( 1)
式中: 为材料蠕变第二阶段( 稳态阶段) 的蠕变应
第 30 卷
图 1 热处理法模 拟 P92 钢焊 接热影 响区 显微组 织的 热循 环曲线示意图
Fig 1 Schematic of thermal cycle in HAZ microstructure simulated by heat treatment
表 1 模拟组织试样硬度与焊接接头硬度 Table 1 Microhardness of simulated HAZ and welded joint
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能不均匀性的影响, 其中热影响区各微区的蠕变性 能不均匀性也不能被忽视.
参考文献:
第 30 卷
图 6 P92 钢焊接接头各微区的蠕变应变速率 Fig 6 Creep strain rates of sub zones of P92 welded joint
3结 论
( 1) 热处理法模拟 P92 钢焊接热循环, 在 3. 53 K s 的升温速度下获得热影响区各微区的模拟组 织. 模拟试样在显微结构和显微硬度上均与实际焊 接接头的热影响区的相应位置接近.
[ 1] Tezuka Hideshi , Sakurai Takash. A trigger of type IV damage and a new heat treatment procedure to suppress it. Microstructural investiga tions of long term ex service Cr Mo st eel pipe elbows [ J] . International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2005, 82( 3) : 165- 174.
蠕变试验采用 CSS 3910 型电子高温持久蠕 变试验机, 使用母材、熔敷金属以及前面介绍的热处 理方法制备的粗晶区、细晶区和临界区模拟组织的
第 12 期
徐连勇, 等: P92 钢焊接接头蠕变本构关系
31
标准蠕变试样进行单轴蠕变试验, 试验执行国家标 准为 GB 2039 1997 金属拉伸wk.baidu.com变及持久试验方 法 , 蠕变试验温度为 923 K, 各种试样的试验应力水 平见表 2.
变速率; 为试验应力; B 和 n 为材料常数, 其值在
表 3 中列出.
表 3 P92 钢焊 接接头各微区蠕变性能参数( 923 K) Table 3 Creep parameters of sub zones of P92 welded joint
( 923 K)
材料
粗晶区 细晶区 临界区 熔敷金属
焊接热模拟曲线如图 1 所示, 三种峰值温度分 别为 1 473, 1 223 和 1 108 K, 分别模拟热影响区粗晶 区、细晶区和临界区的组织. 模拟组织试样尺寸参照 国家标准 GB 2039 1997 金属拉伸蠕变及持久试验 方法 . 在制备每种组织的模拟试样时, 还随炉制备 了相同组织的小试样, 用来与实际焊接接头热影响区 各微区在显微组织和硬度方面进行对比分析.
P92 钢的应用还面临一个问题, 它同其它 Cr Mo 耐热钢一样, 易发生细晶热影响区( fine grained heat affected zone, FGHAZ) 内 的 恶性 早 期 IV 型 蠕 变 开 裂[ 1- 6] . 另外, 火电行业承压高 温管道常采用 焊接 工艺制造, 不可避免存在一些焊接缺陷, 有必要对高 温焊接接头开展蠕变损伤和缺陷评定, 这就需要获 得焊接 接头中 熔敷金 属、母材 和热影 响区 粗晶 区 ( coarse grain heat affected zone, CGHAZ) 、细晶区和临 界区( intercritical heat affected zone, ICHAZ, 国内常称 为不完全重结晶区) 组织的蠕变本构关系. 然而, 由 于焊接接头热影响区非常小, 无法直接从接头中加
组织( 峰值温度 T K)
硬度( HV 0. 5)
焊接接头
模拟组织
临界区( 1 108)
219
222
细晶区( 1 223)
207
205
粗晶区( 1 473)
242
241
图 3 模拟细 晶区和实际焊接接头细晶区的显微组织形貌 Fig 3 Microstructures of simulated and actual FGHAZ
( 2) 试验发现 P92 钢焊接接头各区域( 尤其是 热影响区各微区) 组织的材料蠕变性能差异较大, 在 较低试验应力水平下, 细晶区的蠕变 性能最差. 对 P92 钢焊接接头的蠕变损伤进行力学分析时, 应该 考虑焊接接头各区域( 包括热影响区各微区) 蠕变性 能不均匀性的影响.
( 3) 文中蠕变试验是在较高应力下进行的, 而 实际构件在 30 MPa 以下的蒸汽压 力下工作. 进一 步的工作是继续进行更低应力水平下的蠕变性能研 究, 探讨其蠕变损伤机理是否发生变化, 积累 P92 钢 焊接接头各微区组织的蠕变数据, 为后续的高温下 P92 钢焊接接头内蠕变损伤分析及缺陷的评定积累 数据.
钰2 ,
陈玉成2
摘 要: 通过热处理方法模拟焊接热循环, 在 3. 53 K s 的升温速度下制备 P92 钢焊接热 影响 区各微区的模拟组织试样, 通过单轴蠕变试验 获得 923 K 下 P92 钢熔敷 金属、热影 响区 各微区和母材组织不同应力 水平下 的单轴 蠕变数 据, 用最小 二乘 法拟 合得到 P92 钢焊接接头各区域组织在稳态蠕变条件下的蠕 变本构方程 . 结果 表明, 相比焊接接 头 其它微区组织 , 试验应力较低时, 细晶区的蠕变 应变率 最大, 因此在 低应力 下细晶区 容 易发生蠕变开 裂; 随着应力水平的增加, 焊接接 头和母 材蠕变 速率逐渐 超过细 晶区, 蠕 变断裂易发生在焊缝或母材上. 关键词: P92 钢; 热影响区; 热处理方法; 蠕变本构方程 中图分类号: TG115. 28 文献标识码: A 文章编号: 0253- 360X( 2009) 12- 0029- 04
第 30卷 第12期
焊接学报
2 0 0 9 年 1 2 月 TRANSACT IONS OF THE CHINA WELDING INST ITUTION
Vol. 30 No. 12 December 2009
P92 钢焊接接头蠕变本构关系
徐连勇1 ,
荆洪阳1 , 安俊超1, 徐德录2, 韩
( 1. 天津大学 材 料科学与工程学院, 天津 300072; 2. 中国电力科学研究院, 北京 100055)
表 2 蠕变试验应力 Table 2 Creep test stress
材料
粗晶区 细晶区 临界区 熔敷金属
母材
试验应力 MPa
150
170
180
145
150
160
145
150
160
150
160
170
160
170
180
2 蠕变试验结果
蠕变试验中计算机自动记录试样的变形 时间 曲线, 试验后经数据处理得到各种试样的蠕变应变
图 2 模拟临界区和实际焊接接头临界区的显微组织形貌 Fig 2 Microstructures of si mulated and actual ICHAZ
图 4 模拟粗 晶区和实际焊接接头粗晶区的显微组织形貌 Fig 4 Microstructures of simulated and actual CGHAZ
收稿日期: 2008- 07- 31 基金项目: 国家自 然科学 基金资 助项目 ( 50805103) ; 天津 市自 然科
学基金资助项目( 08JCZDJC18100) ; 科技 部科研院 所技术 开发研究专项资金资助项目( Ncste 2006 Jkzx 178)
工单轴蠕变试样, 研究者常采用模拟焊接热循环的 方法获得热影响区粗晶粒和细晶粒组织, 从而制备 蠕变性能试验的试样[ 7- 9] .
[ 4] Francis J A, M azur W, Bhadeshia H K D H. Type IV cracking in fer rit ic power plant st eels[ J] . Mat erials Science and Technology, 2006, 22( 12) : 1387- 1395.
P92 钢焊接接头各微区组织的蠕变应变速率的 对比如图 6 所示. 可以看出, 当 应力水平低于 145 MPa 时, 细晶区的蠕变应变速率最大, 因此在低应力 下细晶区容易发生蠕变开裂; 随着应力水平的增加, 焊缝金属和母材的蠕变速率逐渐超过细晶区, 蠕变 断裂易发生在焊缝或母材上.
从焊接接头各微区组织的蠕变应变速率可以部 分解释 P92 钢焊接接头易发生 IV 型蠕变开裂的原 因. 从图 6 中还可以看出, 对于 P92 钢, 其焊接接头 各区域( 尤其是热影响区的各个微区) 组织的材料蠕 变性能差异较大, 因此, 在对 P92 钢焊接接头的蠕变 失效进行力学分析时, 应该考虑接头各微区蠕变性
徐连勇
0序 言
从目前世界火力发电技术水平看, 提高火力发 电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数, 即提高进 入蒸汽轮机的蒸汽压力和温度. 提高蒸汽的温度与 压力, 是提高火电机组热效率的有效途径, 而要保证 机组在较高温度与压力下稳定运行, 材料是关键因 素之一. 目前, 国外已经开发并应用了用于超临界 电站的新型耐高温合金 P92 铁素体钢, 它在 873 K 以上的温度下具有很高的蠕变持久强度和蒸汽抗氧 化能力.
[ 2] Allen D J, Harvey B, Bret t S J. ∀ FOURCRACK# An investigat ion of the creep performance of advanced high alloy steel welds [ J ] . Interna tional Journal of Pressure Vessels and Piping, 2007, 84 ( 1 - 2 ) : 104- 113.
母材
材料常数 B ( MPa- n h- 1) 3. 04 ! 10- 41 1. 56 ! 10- 21 6. 50 ! 10- 33 1. 31 ! 10- 39 2. 24 ! 10- 41
材料常数 n
16. 7 8. 2 13. 4 16. 3 17. 0
图 5 P92 钢焊接接头各微区组织试样蠕变应变 时间曲线 Fig 5 Creep curves of sub zones of P92 welded joint
文中将采用热处理法模拟 P92 钢焊接热循环, 获得热影响区各微区的模拟组织, 并通过单轴蠕变 试验, 获得焊接接头各微区组织的蠕变本构方程.
1 试验方法
试验材料选用 P92 钢, 采用真空热处理炉进行 热处理. 真 空热处理炉 双室真空 淬火炉的 型号为 ZC2 65, 最高加热温度 1 573 K, 有自动控温系统, 可设定加热速度及时间. 真空热处理炉的加热速度 快, 控温精度高, 得到的热模拟温度曲线更接近实际 的焊接工况, 同时可以减少试样的脱碳等方面优点.