海洋平台E36钢热处理前后断裂韧性研究

裴 冲，王东坡

(1.北京航空材料研究院，北京 100083；2.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300072)

海洋平台E36钢热处理前后断裂韧性研究

裴 冲1，王东坡2

(1.北京航空材料研究院，北京 100083；2.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300072)

工程上普遍认为，通过焊后热处理(PWHT)，如果方法得当，可以提高焊缝金属的断裂韧性值。但是，近年来诸多研究发现，焊后热处理对断裂韧性也并不是都有好的影响，比如，热处理之后，焊接接头热影响区的断裂韧性就可能有恶化的现象。本研究设计了对比CTOD(裂纹尖端张开位移)试验，发现热处理之后热影响区组织变粗大，碳化物大量析出并聚集长大，使得断裂韧性大大降低。

焊后热处理；焊缝金属；断裂韧性；热影响区；组织

0 引言

海洋平台是典型的焊接结构，由于其结构形式复杂，工作环境恶劣且有较大的应力集中，加上焊接缺陷、焊接残余应力及接头组织性能不均匀性的影响，在外载的作用下极易产生脆性破坏[1]。目前我国一大批海洋平台已经进入了中后期服役阶段，为了增加经济效益，节约资源，这些海洋平台在未来很长一段时间还要继续使用[2-3]，因此如何能够准确得到海洋平台用钢材低温韧性，保证海洋平台安全性是工程上极为重要的问题。大量试验研究表明，对海洋平台用钢而言，CTOD断裂韧性是评价钢材及焊接接头抗脆断特性的重要参量，能有效准确地评价钢材的抗脆断能力[4-5]。

在不同的焊接位置中，由于横焊和立焊焊接位置的特殊性，DNV-OS-C401规定，对于海洋平台用钢试样，在CTOD试验中可以用高热输入的3G(立焊)位置试样结果覆盖低热输入的2G(横焊)位置试样结果[6]。目前，ECA评估(工程临界评估)是检验结构安全性的有效手段，评估过程中需要对材料的固有属性和低温断裂韧性值进行分析，从而知道结构安全与否。评估过程中，为了保证结果的可靠性，需要试样的最小CTOD值，因此各焊接位置热处理前后的CTOD值显得尤为重要[7]。

本研究为了分析更加全面准确，分别选取2G和3G位置的焊缝和热影响区试样进行CTOD试验，同时测量相应区域热处理之后的CTOD值，发现热处理之后热影响区处断裂韧性值明显下降，支撑了热处理后热影响区断裂韧性值会恶化的观点。

1 热处理参数及CTOD试验与结果

本研究依据BSEN ISO15653—2010试验标准进行试验[8]，试样均采用CO2焊，母材是E36-Z35钢。试样开K型坡口，焊丝等级是AWS A5.29 E81T1-K2。母材化学成分见表1，常规力学性能见表2。

根据AWS标准，设定热处理规程，参数如表3所示，曲线图如图1所示。试验采用带预制疲劳裂纹的三点弯曲(TPB)标准试样，试样加工至B×W=80 mm×80 mm，且均为贯穿厚度试样，焊缝处机械缺口位于焊缝柱状晶最大体积处。

预制疲劳裂纹之前采用局部压缩方法减少焊缝中心处残余应力，保证裂纹前缘形状合理。之后采用300 kN高频疲劳试验机在室温(25 ℃)下预制疲劳裂纹，保证裂纹总长度在(0.45～0.7)W的有效范围内。

表1 E36-Z35钢化学成分 (质量分数 /%)

表2 E36-Z35钢力学性能

表3 热处理参数

图1 热处理曲线图

CTOD试验是在2 000 kN万能材料试验机上进行的，将试样在低温箱中保温，温度为-10 ℃，保温时间40 min，到时间后开始试验。在进行了试样有效性判断后，得到焊缝处的CTOD值如表4所示，其中2G为横焊位置，3G为立焊位置。试样编号最后1位数字表示沿同一焊道不同位置取的试样，由于每个试样预制疲劳裂纹前缘所在的位置不同，CTOD值会有些许差异。

从表4中可以看出，通过焊后热处理，2G和3G试样的CTOD值变化规律基本是一样的。焊缝处的CTOD值变化不大，略有提升，而热影响区处的CTOD值明显降低，约有1个数量级。

表4 CTOD试验结果

2 分析与讨论

由于2G试样与3G试样热处理之后，均是焊缝处CTOD值提升，热影响区处CTOD值降低，为简化过程，只取2G试样进行微观组织观察。本研究共选取了4组试样，分别为2GW(横焊焊缝-焊态)、P2GW(横焊焊缝-热处理态)、2GH(横焊热影响区-焊态)、P2GH(横焊热影响区-热处理态)试样，之后沿着疲劳裂纹尖端的垂直于断面的方向进行取样，经过粗磨、精磨、抛光、腐蚀等工序之后，采用OLYMPUS-GX51型金相显微镜观察组织[9]，试验采用的腐蚀剂为4%(质量分数)的硝酸酒精溶液。金相组织如图1所示。

图2 试样微观组织

观察图2a的焊缝组织，发现焊缝处主要是由大量的铁素体和少量的珠光体组成，其中铁素体是由柱状的较粗大的先共析铁素体和十分细小的针状铁素体组成的。焊缝金属在冷却过程中，形成较为粗大的先共析铁素体，此类铁素体大致勾勒出了原始奥氏体晶界的形貌，先共析铁素体含量越多，体积越粗大，对焊缝的低温断裂韧性的副作用越大；而针状铁素体形态细小，由于其组织取向各异，相互交错，且为大角度晶界，能很好地阻止裂纹的扩展，故具有很好的力学性能，特别是韧性[10-11]，因此，针状铁素体越多越好。从图2a和图2b发现，焊缝处的组织热处理前后针状铁素体的数量比例都很大，而先共析铁素体很少，形态也不是很粗大，因此韧性值都比较好，且热处理前后的变化不是很大。

图2c中热影响区粗晶区组织主要是贝氏体、铁素体以及少量的渗碳体，较大块状组织是粒状贝氏体，类似针形的组织是上贝氏体组织[12]。上贝氏体的强度和韧性都较差，但是粒状贝氏体的韧性比较好。图2d中的组织经过600 ℃的回火处理，组织明显变粗大了。由于E36钢中添加的微量合金元素，如Cr、Nb、V、Ti 等属于碳化物形成元素，在回火过程中碳化物析出增多并逐渐聚集长大，形成短棒状和块状。而此类第二相的聚集长大[13]，减弱基体的结合强度，容易与基体分离或开裂而成为微裂纹源，在外载荷作用下微裂纹萌生并扩展，从而使断裂韧性有所下降。

3 结论

1)由于热处理后组织变粗大，碳化物大量析出并聚集长大，渐弱了基体结合强度，使得热影响区处的断裂韧性大大降低。

2)在进行ECA评估时，要综合考虑不同焊接位置与热处理前后的CTOD值，选用其中最小的CTOD值进行评估。

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Research on Fracture Toughness of E36 Steel of Offshore Platform before and after Heat Treatment

PEI Chong1，WANG Dong-po2

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China; 2.MaterialsScienceandEngineeringCollege,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Recently, several tests have indicated that post-weld heat treatment(PWHT) may not always have positive influence on the fracture toughness, contradictory to general consensus. For example, the fracture toughness of heat-affected zone may be worse after PWHT. Several crack tip opening displacement (CTOD) tests were conducted and the results showed that the microstructures would be coarser and carbide precipitated, which made the fracture toughness worse.

post-weld heat treatment; weld metal; fracture toughness; heat-affected zone; microstructure

2016年6月30日

2016年8月25日

裴冲(1989年-)，男，硕士，主要从事高温合金、铝合金的钎焊及扩散焊等方面的研究。

TG404

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.005

1673-6214(2016)05-0289-04