核电SA508_3钢焊接连续冷却转变曲线的分析

第32卷第5期2011年5月

焊 接 学 报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vo.l32 No.5

May 2011

核电SA508 3钢焊接连续冷却转变曲线的分析

1,2

2

2

2

1

2

迟露鑫, 麻永林, 邢淑清, 赵勇桃, 陈芙蓉, 陈重毅

(1.内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩特 010051; 2.内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010)摘 要:针对首次应用到核电上的SA508 3钢,在Gleeble1500D热模拟机上,采用膨胀法测定了SH CCT曲线,获得了焊接工艺特征参数t8/5从3.75~20000s范围内的焊接热影响区组织变化规律.结果表明,获得全部马氏体相变的冷却时间为15s,全部贝氏体相变的冷却时间60s<t8/5 3000s,全部铁素体和珠光体相变的冷却时间为6000s;当t8/5 100s时,焊接热影响区硬度高于350HV,存在淬硬和裂纹敏感性;当t8/5 20000s时,焊接热影响区硬度小于母材硬度,易出现软化现象.

关键词:核电SA508 3钢;冷却速度;焊接连续转变冷却曲线;裂纹敏感性

中图分类号:TG113 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2011)05-0061-

04

迟露鑫

0 序 言

近年来,有关核电站主设备用钢的研究开发已引起世界各国的广泛关注,特别是对不同成分用钢的冶炼研究较为深入,各核电站主设备制造国根据本国特点,研制出了不同的钢种,如美国的SA508C.l3钢,法国的16MND5钢,德国的20MnMoNi55钢,尽管名称不一致,但都属于SA508C.l3G钢.根据中国核电设备服役工作环境的特殊性,某集团公司与科研单位联合研制生产了首次应用到核反应堆压力容器上的SA508 3钢.

反应堆压力容器作为核电站中最重要的主设备之一,其质量的优劣直接影响整个核电站的正常运行,而设备焊接接头质量的优劣决定压力容器的使用和服役寿命.又因焊接热影响区是焊接接头性能最薄弱的环节,国内外一些学者根据本国核电材料特性,在焊接质量方面获得了不同程度的保密研究成果

[4-6]

[1-3]

理的焊接工艺方案、判断工艺参数的可行性提供了依据,也为该材料焊接温度场有限元数值模拟提供所需的必要数据.

1 试验方法

试验材料是由某集团公司研制生产的SA508 3钢,母材的扫描组织形貌如图1所示,主要是上贝氏体组织,与文献[7]SA508 3钢97%的上贝氏体和3%的碳化物组织相吻合.其化学成分与力学性能参数分别见表1和表2

.

.针对某公司生产的核电材料SA508 3

钢,为了能够提供保证焊接热影响区组织和性能的

最佳冷却时间,有效地避免缺陷产生以获得优质的焊接接头.在Gleeble1500D热模拟机上采用热膨胀法建立了模拟热影响区连续冷却转变曲线图(simu latedHAZCCTdiagram,简称SH CCT),它可以准确地反映出热影响区相变规律和组织转变,为制定合

C0.18

图1 SA508 3钢组织形貌

Fig 1 SEMmicrographofSA508 3steel表1 SA508 3钢的化学成分(质量分数,%)Table1 ChemicalcompositionofSA508 3steel

收稿日期:2009-12-29

基金项目:国家科技重大专项子课题(2009ZX04014 064 05)

Si0.17

Mn1.40

Ni0.79

Mo0.51

Cr0.14

Fe余量

62

表2 SA508 3钢的力学性能参数

焊 接 学 报第32卷

Table2 MechanicalpropertiesofSA508 3steel

温度指标T/ 8009001000110012001300

抗拉强度Rm/MPa788.10457.94507.75421.36249.08177.30

屈服强度ReL/MPa158.4235.1245.2210.2152.9121.7

断后伸长率A(%)12.0212.9429.2023.4421.448.25

断面收缩率Z(%)27.5946.3087.5085.2176.8757.41

时,热影响区发生的是100%的M相变;40.8s t8/5

60s时,热影响区发生的是M和B的相变;60s<t8/5 3000s时,热影响区发生的是100%的B相变,贝氏体量越多钢的强度明显增加,冲击韧性也得到提高,而且冲击功中裂纹扩展功所占的百分比也随着提高,有效地防止了核电设备脆性破坏而提高了安全性

[8]

;但是当6000s t8/5 20000s时,贝

氏体量减少,热影响区发生的是B+F+P相变,有少量铁素体形成影响钢的性能.2.2 热影响区组织与分析

在不同冷却速度下,高强度核电SA508 3钢热影响区的组织形貌如图3所示

.

SA508 3钢的焊接连续冷却转变曲线测试,采

用膨胀法在Gleeble1500D热模拟机上进行,试样尺寸为 6mm 90mm,在装置内水平放置固定,抽真空后,试样以200 /s速度加热至奥氏体化温度1300 ,保温1s,再以40 /s冷却900 ,保温5s,以0.015,0.025 /s冷却速度冷却至500 ,以0.05,0.1,0.5 /s冷却速度冷却至300 ,以1,3,5,7,20,50,80 /s冷却速度冷却接近室温,测得温度 膨胀量曲线.利用QUANTA400环境扫描电子显微镜拍摄组织照片,并采用德国LEICA显微硬度仪对硬度多次测量,取其平均值.

2 试验结果及分析

2.1 SH CCT曲线与分析

根据不同冷却速度下膨胀曲线上拐点对应的坐标,可以确定相变温度.将各相变点标到温度 时间坐标上,横坐标取对数刻度.用连线法将各物理意义相同的点连接起来,即可绘出SH CCT曲线如图2所示

.

图2 SA508 3钢SH CCT曲线Fig 2 SH CCTcurveofSA508 3steel

由图2可知,随着焊接热输入的增加,焊后冷却速度由快到慢,热影响区可能发生了M,M+B,B,B+F以及B+F+P不同类型的组织转变,t8/5 15s

图3 SEM试样组织形貌Fig 3 SEMmicrostructureofsample

第5期迟露鑫,等:核电SA508 3钢焊接连续冷却转变曲线的分析 63

由图3可知,冷速为0.015 /s时,铁素体和

(M A)岛析出,见图3a.冷速为0.025 /s时,除了粒状贝氏体和条片状铁素体生成外,析出细小珠光体片,见图3b.冷速为0.1 /s时,除了粒状贝氏体组织,同时在基体上还分布着碳化物,见图3c.冷速为3 /s时,典型的羽毛状贝氏体组织,见图3d.冷速为5 /s时,发生了无扩散的马氏体转变,见图3e中的贝氏体、板条马氏体和少量的残余奥氏体组织.冷速为7 /s时,该冷速经过贝氏体转变的高温区,又经过贝氏体转变的低温区,见图3f中的下贝氏体和上贝氏体.冷速在20~80 /s时,随着冷速的增加会使过冷度 T增大,发生无扩散马氏体相变,生成板条状马氏体如图3g~图3h所示.

高于国际焊接学会规定最大硬度350HV,说明SA508 3钢焊接热影响区存在淬硬倾向和裂纹敏感性,考虑焊前预热或焊后缓冷等措施,以适应生产实际需要.

当t8/5 20000s时,焊接热影响区为铁素体、珠光体和贝氏体组织,而且组织较为粗大,其硬度值小于母材220.4HV,易出现软化现象,且随着t8/5时间增长其硬度值就越小,软化程度就越严重,软化区宽度也就越大,为此需要在焊接时采用小热输入极限条件,以确保不至于出现软化现象.

当100s t8/5 12000s时,焊接热影响区发生的B,B+F及B+F+P三种组织转变,硬度均在220 4~350HV之间,说明SA508 3钢淬硬性和裂纹敏感性较低,但当组织为铁素体、羽毛状上贝氏体和珠光体时,冲击性能变差,为此严格控制t8/5冷却时间.3.3 预热温度的确定

由于SA508 3钢有多种合金元素,Mn,N,iMo,Cr等的含量都很高,所以焊接时易产生淬硬和冷裂纹,而且淬硬组织的存在给机械加工带来很大困难,并导致加工繁琐、成本提高.根据日本伊藤等人的冷裂敏感指数Pcm来计算预热温度T0为Pcm=C+(Mn+Cu+Cr)/20+Si/30+Ni/60+Mo/15+V/10+5B (%)(2)

T0=1440(Pcm+[H]/60+h/600)-392(3)式中:h为板厚度;[H]为扩散氢含量.

根据BH J607HR焊条的熔敷金属计算50mm厚的SA508 3钢的Pw=0.333%,预热温度T0为89 ,这与小铁研试验结果

[10]

3 SA508 3钢的冷裂敏感性评价

3.1 碳当量

钢的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接的影响,尤其碳是影响低合金钢裂纹敏感

性最显著的元素,因此常用碳当量来评估钢的裂纹敏感性.针对文中低合金高强度SA508钢,采用美国海军的碳当量公式

[9]

来评价其焊接优劣性,即

[C]c=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+

(Ni+Cu)/15 (%)(1)计算结果为碳当量0.628%,钢材淬硬倾向较大,焊接热影响区容易产生冷裂纹,结合碳含量

0 18%,进行焊接性评价,SA508钢属于难焊接性钢,需要进行焊前预热处理.3.2 热影响区硬度

不同冷却时间t8/5和相应的热影响区试样硬度之间的变化曲线如图4所示.随着t8/5的逐渐增加或焊接热输入的增大,热影响区的维氏硬度逐渐降低.由图4可知,当t8/5 100s时,随着过冷度升高,马氏体转变量越多,对应的硬度值就越大,

且都

组别

相吻合,见表3.

表3 SA508 3钢的小铁研试验结果Table3 Y groovecrackingtestofSA508 3steel

试验条件

扩散氢含量

编表面裂纹断面裂纹

率(%)100100100101000000000000

率(%)10010010010010022384050000000

[H]/(mL 100g-1)号

1

焊条400 1h烘干室温焊接

2

3.04

3451

焊条400 1h烘干70 焊接

2

3.04

3451

焊条400 1h烘干100 焊接

2

3.04

345

图4 不同冷却时间t8/5下的显微硬度曲线Fig 4 Micro hardnessunderdifferentcoolingtmie

64焊 接 学 报第32卷

ZhengLongbin,ChenJialun,GongZhengchun,etal.ReserchofSA508 3steelfornuclearpowerplantequipment[J].BoilerManufacturing,1999(3):43-49.

在预热温度为室温的情况下SA508 3钢的抗冷

裂能力差,试件出现100%的裂纹;即使在预热温度为70 的情况下,冷裂纹也不能完全避免;只有在预热温度为100 的情况下才完全避免了冷裂.因此,在焊接50mm厚的SA508 3钢时,预热温度在100 以上时可防止裂纹的产生.

[4] SeifertHP,RitterS.Environmentally assistedcrackingbehavior

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[10] 宋忠臣,刘恩清,田洪波.国产508 钢焊接性试验研究

4 结 论

(1)SA508 3钢SH CCT曲线,获得焊接工艺特征参数t8/5在3.75~20000s范围内的组织变化规律.获得全部马氏体相变的冷却时间为15s,全部

贝氏体相变的冷却时间为60s<t8/5 3000s,全部铁素体和珠光体相变的冷却时间为6000s.

(2)通过冷裂敏感性分析可知,SA508 3钢的碳当量为0.628%,可焊接性较低,焊接热影响区的硬度随着冷却时间增加而越来越小,当t8/5 100s时,马氏体组织较多,其硬度高于350HV,存在淬硬和裂纹敏感性;当t8/5 20000s时,铁素体组织较多,其硬度小于母材硬度,易出现软化现象.

(3)通过预热温度分析可知,对一定厚度的SA508 3钢材焊接时,只有在相对应的预热温度情况下才完全避免了冷裂.因此采用小热输入、合理焊前预热或焊后缓冷,以满足实际生产需要.参考文献:

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作者简介:

迟露鑫,女,1979年出生,博士研究生.主要从事焊接

结构质量和残余应力数值模拟方面的科研工作.发表论文7篇.Emai:lchiluxin200195@

通讯作者:

麻永林,男,教授.Emai:lmalin@

tic;stressconcentration

MAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDS2011,Vo.l32,No.5

MicrostructuresandsolderabilityofSnCuNi xPrlead freesolder LUOJiadong,XUESongba,iZENGGuang,HUYu hua(SchoolofMaterialsScienceandTechnology,NanjingUni versityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,Chi na).p57-60

Abstract: EffectsofrareearthelementPronthewettingperformance,mechanicalpropertiesandmicrostructuresofSn0 7Cu0.05Nilead freesolderwerestudied.Theinherentre lationshipbetweenthemicrostructuresandpropertiesofthesold erwaspreliminarilydiscussed.TheexperimentalresultsshowthatthesuitableamountofPradditionis0.025% 0.075%,andthemostappropriateamountis0.05%,atwhichcompositionthesolderexhibitsthebestwettingperformanceandmechanicalproperties.Thesurfacetensionoftheliquidsolderwassignifi cantlyreducedduetotheadditionofrareearthPrandthewet tingperformancewasimproved.Themicrostructuresofthesold eredjointswereevidentlyrefined,whichresultedfromthepin ningeffectonthegrainboundariesmigrationduetotheadditionPr,andtheshearstrengthwasimprovedobviously.ItwasalsofoundthattheactivityoftherareearthelementofPrmaybere ducedbecauseofexcessiveoxidationandtheenlargementofthecomprehensiveeffectofstressfieldcausedbyexcessiveadditionofPr.

Keywords: Pb freesolder;rareearthelementPr;wet tingperformance;mechanicalproperties;microstructureAnalysisoncontinuouscoolingtransformationcurvesofsim ulatedheataffectedzoneforSA508 3steelinnuclearpower CHILuxin1,2,MAYonglin2,XINGShuqing2,ZHAOYongtao2,CHENFurong1,CHENZhongyi2(1.SchoolofMate rialsScienceandEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Huhhot010051,China;2.SchoolofMaterialandMetallurgy,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnolo gy,Baotou014010,China).p61-64

Abstract: TheSA508 3steelusedinnuclearpowerwasusedtodeterminecontinuouscoolingtransformation(SH CCT)diagramofsimulatedheataffectedzone(HAZ)bythermalex pansionmethodonGleeble1500Dthermalsimulationtestingma chine,andthemicrostructurecharacteristicsofHAZatt8/5from3.75sto20000swereinvestigated.Itwasfoundthatthemi crostructureswerechangedmuchfromthebasemetalbecauseoftheinfluenceofthecoolingtime(t8/5).Whenthet8/5islessthan15s,thephasetransformationtoobtainallmartensitehap pens,thecoolingtimerangetogetallthebainiteisfrom60sto3000s,andifalltheferrite,andpearlitecanbeobtainedifthet8/5ismorethan6000s.ThehardnessofHAZishigherthan350HVandtherearehardenquenchingtendencyandthecracksensitivitywhenthet8/5islessthan100s,softeningphenomenaeasilyhappensandthehardnessofHAZislowerthanthatofthebasemetalwhenthet8/5ismorethan20000s.Thecoldcrack ingcanbeavoidedonlyattheproperpreheatingtemperature.

Keywords: SA508 3stee;lcoolingrate;continuouscoolingtransformationcurves;cracksensitivityEffectofcontentofAgonphysicalpropertiesandsolder abilityofSn0.7Cusolder ZHAOKuaile,YANYanfu,TANGKun,SHENGYangyang(SchoolofMaterialsScience&

Engineering,HenanUniversityofScience&Technology,Luoy ang471003,China).p65-68

Abstract: SnCueutecticsolderisconsideredasthemostpotentialsubstitutesofSnPbsolder,particularlyinwavesolde ring.Butcomparedtootherlead freesolders,itspoorphysicalpropertiesandspreadingpeformancelimitsitswideapplication.AnewsolderismadebyaddingtraceAgintoSn0.7Cualloytomproveitsperforimance.TheresultsshowthatcontentofAghaslittleinfluenceonthemeltingpointofSn0.7CuxAgsolder.ThemeltingpointofSn0.7Cu0.2Agishigheronly0.3 thanthatofmatrixsolder.TheresistivityincreaseswiththeincreaseofthecontentofAg.Atthesametime,thespreadingperformanceofthenewsolderisimprovedbyaddingtraceAgintoSn0.7Cu.ThespreadingareaofSn0.7Cu0.2Agreachesthemaximumval

2

ueof28 61mmandisincreased25.5%thanthatofthematrixsolder,whichismainlyrelatedtotheformationoftherichAgphaseandthethicknessandshapeofthemetalintermetalliccompoundbetweenthesolderandthesubstrate.

Keywords: eutecticsolder;meltingpoint;resistivity;spreadingarea

Analysisoffatiguelifeofelectronbeamweldingseamwithbellshape YANGBo1,YANGXinhua1,FUWei1,HUShubing2,XIAOJianzhong2(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEn gineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wu han430074,China).p69-72

Abstract: Thebell shapedTC4titaniumalloyjointofe lectronbeamweldingweredividedintothreezones,namelyweldseam,heat affectedzoneandbasemeta.lConsideringthegradi entdistributionofthematerialstrengthintheheat affectedzone,thefiniteelementmodelwasfounded.TheseriesofsoftwareofMSCcompanywereusedtoanalyzethedistributionofstressandfatiguelifeunderthesimulatedexperimentalloadingconditions,andthestressdistributionalongdifferentpathswereinvestiga ted,andthesimulatingresultsoffatiguelifewerecomparedwiththatofexperiments.Itisshownthattheweldseamhasnoticea bleeffectonstressdistributionoftheweldment,whichcausesthestressconcentrationwiththestressconcentrationfactorofabout1.3attheweldtoe.Theunevendistributionofweldmentlifeiscausedbystressconcentration,sothatthefatiguelifeofweldmentisreduced.Thefatiguefailureusuallystartsattheweldtoe.

Keywords: TC4titaniumalloy;electronbeamwelding;bell shapedweldseam;fatiguelifeMicrostructureandpropertiesofTiCp/Alcompositecoatingbyargonarccladding MENGJunsheng,SHIXiaoping,WANGZhenting,WANGYongdong(SchoolofMaterialsSci enceandEngineering,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,China).p73-76

Abstract: Byusingargonarccladding,TiCp/Alcompos itescoatingwasin situsynthesizedontheZL104alloysurface.ThemicrostructuresandpropertiesofthecompositescoatingswereinvestigatedbyX raydiffractometer,scanningelectronmi croscopeandmicrohardnesstester.Theresultsshowthatifthecontentof(Ti+C)islessthan30%duringargonarccladding,bothTiCparticleandA3lTicompoundscanbefound.Ifthecon

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l2s1.html