07MnNiVDR再热裂纹敏感性及试验_刘俊松

低温韧性，在石油和化工等行业具有广阔的应用前 景，但是同类别的 CF 钢有文献报道具有明显的再热 脆化现象［4，5］，研究其再热裂纹敏感性及试验方法的 适用性，对压力容器的合理制造、安全运行以及再热 裂纹敏感性试验方法标准的提出具有重要意义．
1 试验方法
试验用材料选自国产 07MnNiVDＲ 钢板，其化学 成分及力学性能如表 1 和表 2 所示，符合国家标准 GB19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》要求．
≥80
实测值
46
570
640
22
180
采用国际焊接学会推荐的高温缓慢拉伸试验考
收稿日期： 2012 － 12 － 26 基金项目： 国家高技术研究发展计划资助项目（ 2009AA044800）
察模拟热影响区（ HAZ） 组织在再热温度下的高温 塑性，以此来判断材料的再热裂纹敏感性． 试样形 状如图 1 所示． 首先对试样进行焊接热循环模拟， 得到足够研究尺寸的模拟 HAZ． 热模拟采用 Ｒykalin3D 模型，参数见表 3． 模拟后对试样进行缓慢拉 伸，拉伸速度取 0． 25 mm / min 以接近大型焊接接头 去应力热处理中遇到的应变速率 10 － 4 ～ 10 － 6 / s［6］． 测量试样的断面收缩率，以断面收缩率作为判据确 定材料的再热裂纹敏感性与敏感温度．
插销再热裂纹敏感性试验结果见图 4 和图 5． 常见几种压力容器用钢插销再热裂纹试验结果见 表 4．
第4 期
刘俊松，等： 07MnNiVDＲ 再热裂纹敏感性及试验
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Fig. 3
图 3 不同热处理条件下的低温冲击韧性 Low temperature impact toughness for specimens that experienced different heat treatment
0序 言
高强钢的再热裂纹敏感性是压力容器行业比较 关心的重要问题之一［1 － 3］． 随着压力容器向高压、 深冷、高腐蚀、大型化等高参数的极端条件下发展， 为了满足越来越高的使用要求，焊后热处理已作为 提高焊制压力容器产品质量的手段列入许多标准． 然而目前评价再热裂纹敏感性的试验方法众多，缺 乏相应标准的指导，各方法得到的结果并不一致，甚 至可能存在较大差异． 07MnNiVDＲ 钢是国产压力 容器用低合金调质高强钢，具有优良的焊接性能和
表 2 07MnNiVDＲ 钢的力学性能 Table 2 Mechanical properties of 07MnNiVDＲ
钢板厚度 屈服强度 抗拉强度 断后伸长率 冲击吸收功
δ / mm ＲeL / MPa Ｒm / MPa A（ % ） AKV（ － 40 ℃ ） / J
国家标准 10 ～ 60 ≥490 610 ～ 730 ≥17
参考热模拟试验和插销试验的结果，针对最可 能出现再热裂纹的情况，做了两组小铁研试验，经检 测无冷裂纹后进行 600 ℃ 保温 3 h 热处理． 解剖后 经仔细检查均未发现再热裂纹．
3讨 论
图 4 插销试验 C 曲线 Fig. 4 C curve of implant test
图 5 插销试验临界断裂初应力 Fig. 5 Critical stress of implant test
从图 4 中可以看出 07MnNiVDＲ 钢再热裂纹敏 感温度在 600 ℃ 左右． 图 5 则显示出在 580，600， 620 ℃ 3 个温度下的临界断裂初应力分别为 317， 230，263 MPa． 其中在敏感温度 600 ℃ 的临界断裂 初应力最低，为 230 MPa．
从表 4 可以看出，07MnNiVDＲ 抗再热裂纹能力 优于国产 WCF-62（ 早期的 07MnCrMoVＲ，企业牌号 WDL610D） ，与日本 WEL-TEN62CF 相当，但尚比不 上德国 BHW35，有产生再热裂纹的风险，加之其再 热裂纹敏 感 温 度 较 低，故 对 其 进 行 焊 后 热 处 理 应 慎重．
时间． 以最短断裂时间所对应的温度为再热裂纹敏
感温度． 试验初应力 σ0 为
σ0
= 1．
256
Ｒ
eL
E E
H Ｒ
（ 1）
式中： ＲeL为钢材在室温下的屈服强度； EH 为钢材在 试验温下的弹性模量； EＲ 为钢材在室温下的弹性 模量．
通过在试验温度下不断降低初始载荷测得临界
断裂初应力． 比较试验材料与常用压力容器用钢的
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焊接学报
第 35 卷
图 1 热模拟试样（ mm） Fig. 1 Draft of specimen for simulating
夏 比 摆 锤 冲 击 试 验 试 验 按 国 家 标 准 GB / T 229—2007《夏比摆锤冲击试验方法》进行． 首先将 材料加工成尺寸为 70 mm × 11 mm × 11 mm 的热模 拟试样，模拟出 HAZ 组织后进行保温 1 h 热处理， 再将试样加工成 55 mm × 10 mm × 10 mm 的 V 形缺 口标准冲击试样，测出在使用温度 － 40 ℃ 的冲击吸 收功． 考察热处理温度对 HAZ 低温韧性的影响．
第3 5卷 第4期
焊接学报
2 0 1 4 年 4 月 TＲANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 5 No． 4 April 2 0 1 4
07MnNiVDＲ 再热裂纹敏感性及试验
刘俊松1，2 ， 陈学东2 ， 卜华全2
（ 1． 合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009； 2． 合肥通用机械研究院，合肥 230031）
0． 011 0． 005
Cu
Ni
Cr
≤0． 25 0． 20 ～ 0． 50 ≤0． 30
—
0． 47
0． 20
Mo
V
B
Pcm
≤0． 30 0． 02 ～ 0． 06 ≤0． 002 ≤0． 21
0． 15
0． 02
— 0． ຫໍສະໝຸດ Baidu8
注： Pcm 为焊接裂纹敏感性组成，按如下公式计算： Pcm = C + Si /30 + （ Mn + Cu + Cr） /20 + Ni /60 + Mo /15 + V /10 + 5B
2 试验结果与分析
高温缓慢拉伸的试验结果如图 2 所示，由图 2 中可以看出，低峰值温度的焊接 HAZ 组织在高温下 塑性很好，未表现出明显的再热脆化． 小热输入条 件下，高峰值温度的 HAZ 组织，虽然断面收缩率有 所降低，但仍有足够的塑性，再热脆化也不明显． 大 热输入条件下，当峰值温度较高时，HAZ 组织的断 面收缩率随试验温度变化较大，表现出明显的再热
根据高温缓慢拉伸的结果，对表 3 中第 3 组参 数制作了冲击试样，经 400，500，550，600，650，700 ℃ 保温 1 h 热处理后 － 40 ℃ 冲击吸收功见图 3． 从 图 3 中可以看出，热处理后的冲击吸收功较未处理 值（ 57，28，43 J） 一般均有较大提高，但也存在降低 的现象，个别值甚至只有 18 J，这将会严重影响到设 备的安全． 若以平均值（ 图 3 中实线） 来看，存在较 明显的再热脆化，敏感温度大约在 600 ℃ 左右．
插销再热裂纹敏感性的试验是参照国家标准
表 3 热模拟参数 Table 3 Parameters of thermal simulation
组号 1
加热速度 v / （ ℃·s － 1 ）
1 000
预热温度 T0 / ℃ 100
热输入 Q / （ kJ·cm － 1 ）
30
峰值温度 Tm /℃ 1 200
表 4 常见压力容器用钢插销再热裂纹试验结果 Table 4 Ｒesults of implant reheat cracking test of several
steels used in pressure vessels
钢板牌号
敏感温度下的
敏感温度
临界断裂初应力
Ts /℃
σ0-C / MPa
敏感温度下 的屈服强度
临界断裂初应力与敏感温度以评价其再热裂纹敏
感性．
小铁研 再 热 裂 纹 敏 感 性 试 验 参 考 国 家 标 准
GB4675． 1—84《斜 Y 坡 口 焊 接 裂 纹 试 验 方 法》进
行，预热 100 ℃ ，施焊后确保不产生冷裂纹后再进行
热处理． 然后解剖试样检查断面裂纹，根据小铁研
试验的裂纹率评价材料再热裂纹的敏感程度．
表 1 07MnNiVDＲ 钢的化学成分（ 质量分数，% ） Table 1 Chemical compositions of 07MnNiVDＲ
C
Si
Mn
P
S
国家标准 ≤0． 09 0． 15 ～ 0． 40 1． 20 ～ 1． 60 ≤0． 018 ≤0． 008
实测值 0． 07
0． 19
1． 40
ＲeL / MPa
14MnMoNbB 650
131
328
BHW35
650
158
187
WEL-TEN62CF 630
176
251
WCF-62
650
135
234
07MnNiVDＲ 600
230
326
应力比 ε
0． 399 0． 845 0． 701 0． 577 0． 706
对比上面的研究结果可以发现，07MnNiVDＲ 钢 有一定的再热裂纹敏感性． 高温缓慢拉伸试验，插 销试验以及冲击试验 3 种方法都表明其敏感温度在 600 ℃ 左右． 3 种方法结果一致，但也各有优缺点．
摘 要： 采用热模拟后缓慢拉伸试验、夏比摆锤冲击试验、插销试验以及小铁研试验等方法，研究了调质高强钢 07MnNiVDＲ 的再热裂纹敏感性． 热模拟研究表明，采用小热输入焊接时，该钢对再热裂纹不敏感； 大热输入情况 下，敏感温度在 600 ℃ 左右． 插销试验表明，该钢具有一定的再热裂纹敏感性，敏感温度在 600 ℃ 左右． 热模拟试 验和插销试验的结果一致，小铁研试验不适合试验材料的再热裂纹敏感性研究． 热模拟后缓慢拉伸是判断材料再 热裂纹敏感性的有效方法，插销临界断裂初应力对生产有指导意义． 尽管未在小铁研试验中发现明显再热裂纹，对 该钢实施焊后热处理还应慎重． 关键词： 高强钢； 再热裂纹； 焊接； 热模拟 中图分类号： TG 457． 11 文献标识码： A 文章编号： 0253 － 360X（ 2014） 04 － 0071 － 04
脆化，敏感温度在 600 ℃ 左右． 从图 2 中还可以看 到，虽然在 大 热 输 入 情 况 下，该 钢 再 热 敏 感 温 度 在 600 ℃ 左右，但其断面收缩率相对 Vinckier 提出的 再热裂纹“比较敏感”的标准 10% 仍较高，是否会因 再热脆化产生裂纹而影响安全尚需进一步研究．
图 2 缓慢拉伸试验结果 Fig. 2 Ｒesult of low rate tensile tests
峰温停留时间 tm /s 0． 5
2
1 000
100
17
1 300
0． 5
3
1 000
100
30
1 300
0． 5
冷却时间 t8 /5 / s 12． 8 7． 2 12． 8
GB9446—88《焊接用插销冷裂纹试验方法》进行的，
插销形状及尺寸选择应力集中较大的深缺口试样．
在试验温度下施加相应的初始载荷，测出插销断裂
插销再热裂纹试验是一种在插销冷裂纹试验基 础上改进的研究再热裂纹敏感性的传统方法，20 世 纪 80 年代初日本学者便用来进行再热裂纹敏感性 的系列研究，并一直沿用［3，7］． 国内研究人员也用该 方法进行了不少研究［8，9］． 这种方法在一定程度上 反应了焊接接头的实际情况，对载荷的调整和监控 也简便易行，中外研究人员积累了大量的经验和数 据． 但试验受焊接工艺和插销加工等因素影响较 大，试验结果相对较分散． 试验初始载荷和加载时 间等没有相关标准指导，仅研究条件相同的试验结 果具有比较价值，不同研究单位的试验结果仅能作 为参考． 就试验材料来说，若按照 Murray 当初提出 的初始载荷则无法得到 C 曲线，按文献［9］提出的 初始载荷则更小，只适用于对再热裂纹比较敏感的 材料，但从前面的试验数据可以看出试验材料对再 热裂纹并不十分敏感，因此需要更大的初始载荷才 可使试样断裂． 选用系数 1． 256 则是综合考虑了热 影响区的强化、形状硬化以及应力集中等因素，其优 点是可以得到明确的 C 曲线以精细地区分各种材 料的再热裂纹敏感性，目前只是作为某些单位内部 技术条件在执行． 若能排除试样加工和焊接参数波 动等因素，可以利用临界断裂初应力和材料在试验 温度屈服强度的比值来表征实际焊接结构产生再热 裂纹可能性的大小． 该参数对生产具有指导意义．