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《中国科学技术大学》 2015年
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2.25Cr1Mo0.25V钢再热裂纹生成机理研究

韩一纯  
【摘要】:与传统的2.25Cr1Mo钢相比,2.25Cr1Mo0.25V钢具有更优良的高温强度、抗蠕变性能和抗氢损伤性能,能够更好地适应现代加氢反应器高参数、大型化、轻量化的发展需求。但由于V、Ti等强碳化物形成元素的添加,2.25Cr1Mo0.25V钢的焊接接头在焊后热处理过程中易于出现再热裂纹,成为威胁加氢反应器长周期安全服役的重大隐患。目前,国内外对2.25Cr1Mo0.25V钢的再热裂纹生成机理尚未形成清晰的理解,对再热开裂的预防措施尚缺乏可靠的理论和试验依据,这些问题已成为限制加氢反应器制造技术水平提高的主要瓶颈之一。本文针对大型锻焊加氢反应器用2.25Cr1Mo0.25V钢,结合宏观性能表征和微观机理分析,研究了制造工艺—显微组织—再热裂纹敏感性之间的关系,详细地论述了再热裂纹生成机理,提出了预防再热开裂的措施。主要内容包括以下五个方面: (1)焊接CGHAZ相似材料的模拟 再热开裂易于在2.25Cr1Mo0.25V钢焊接接头的热影响区粗晶区(Coarse Grained Heat Affected Zone, CGHAZ)部位发生。本研究根据加氢反应器实际焊接工艺,结合经典焊接传热模型,利用Gleeble试验机开展了一系列不同参数的热模拟试验,筛选出了与2.25Cr1Mo0.25V钢的实际焊接CGHAZ具有相同组织形态、晶粒大小和维氏硬度值的温度循环。 (2)焊接及焊后热处理工艺对CGHAZ的组织及性能的影响 再热开裂的发生需要同时具备敏感的环境条件和敏感的材料组织状态。本研究针对2.25Cr1Mo0.25V钢的模拟CGHAZ开展了一系列等温恒速拉伸试验,分析了焊后热处理温度、焊接热输入、二次热循环对CGHAZ的显微组织、硬度和高温塑性的影响,并对其再热裂纹敏感性进行了评价。结果表明:CGHAZ在675℃附近具有最低的断面收缩率,对应着再热开裂的最敏感温度,但在低应变速率条件下,温度对材料高温塑性的影响程度减弱;在5~100kJ/cm的热输入范围内,CGHAZ的再热裂纹敏感性随焊接热输入的增大而增大;低热输入条件下,CGHAZ出现软化现象,断裂模式为穿晶与沿晶的混合型断裂,具有较高的高温塑性,而在高热输入条件下,CGHAZ出现二次硬化现象,断裂模式为均一的微孔聚集型沿晶断裂,高温塑性明显降低;CGHAZ经历峰值温度为890℃和1020℃的二次热循环后,原奥氏体晶粒发生部分重结晶现象,高温塑性得以明显改善,再热裂纹敏感性显著降低。因此,优化焊后热处理温度、降低焊接热输入、充分利用后续焊道的二次热循环均可降低焊接CGHAZ的再热裂纹敏感性。 (3)2.25Cr1Mo0.25V钢应力松弛及蠕变断裂行为研究 再热开裂是由于焊接CGHAZ在应力松弛过程中伴随的蠕变损伤累积所致。本研究通过开展2.25Cr1Mo0.25V钢在焊后热处理温度下的应力松弛及蠕变断裂行为研究,建立了应力松弛行为预测方法,得到了模拟CGHAZ的应力—断裂时间以及应力—Larson-Miller参数关系曲线,并对应力松弛过程中材料的累积蠕变损伤进行了评估。结果表明:采用Hook-Norton本构方程能够较好地预测2.25Cr1Mo0.25V钢母材金属和模拟CGHAZ的单轴应力松弛行为;基于Robinson寿命分数法建立的应力松弛损伤评估方法可以用来预测模拟CGHAZ的再热开裂时间。 (4)2.25Cr1Mo0.25V钢的再热裂纹生成机理研究 再热开裂本质上是由于焊接CGHAZ在焊后热处理温度下的蠕变塑性不足所致,而空洞形核速率是决定金属蠕变塑性的关键因素。本研究通过SEM、TEM、EDS等电子显微分析技术对2.25Cr1Mo0.25V钢在模拟焊接及应力松弛开裂过程中的显微组织演化和损伤演化过程进行了详细分析,结合晶界空洞形核的微观机理以及高温下CGHAZ的维氏硬度变化规律讨论了组织演化过程对空洞形核速率的影响,论述了2.25Cr1Mo0.25V钢的再热裂纹生成机理。结果表明:母材中的碳化物在模拟焊接热循环的加热过程中溶解,在焊后热处理温度下,大量碳化物从CGHAZ的基体中重新析出;晶界碳化物析出不仅提供了局部应力集中的条件,增大空洞形核的驱动力,而且降低了空洞的体积形状因子,减小了空洞形核的阻力;晶内碳化物析出引起二次硬化现象,导致材料的蠕变抗力提高,减缓了局部应力集中的蠕变松弛,从而增大空洞形核的驱动力;晶界和晶内碳化物析出是影响空洞形核速率的主导因素,杂质元素在晶界偏聚也促进空洞形核,但其影响并不明显;在焊后热处理温度下,晶内碳化物析出引起的晶内强化和晶界碳化物析出引起的界面弱化是焊接CGHAZ蠕变塑性降低的主要原因,是导致2.25Cr1Mo0.25V钢再热开裂的微观机理。 (5)2.25Cr1Mo0.25V钢加氢反应器再热开裂的预防 综合分析以上研究成果,本文基于2.25Cr1Mo0.25V钢加氢反应器的实际制造工艺,从焊接及焊后热处理工艺优化与母材的化学成分调控两个方面提出了一些预防CGHAZ再热开裂的措施,并对焊缝金属的再热开裂预防方法、依据及可能存在的问题进行了探讨。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O346.1

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