CN107389445B - 一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法。本方法是将焊接热模拟与应力模拟综合在一起，先通过模拟不同的焊接工艺参数来模拟出焊接HAZ粗晶区组织，再采取一定的措施模拟试样的残余应力状态，然后进行去应力热处理模拟，直到试样发生断裂或设定的保温阶段结束为止，得到温度、应力等随时间的变化关系，用断裂温度‑断裂时间的曲线来表征材料再热裂纹敏感性。本发明直接在热模拟试验机上通过模拟焊接及应力松弛试验的方法来评价材料再热裂纹敏感性，整个试验过程非常接近实际情况，试验周期非常短，高效准确，试验时材料损耗少。本发明可用于各种焊接和应力模拟的工艺参数。在实际的再热裂纹敏感性预测中意义重大，具有进步性。

Description

一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法
技术领域
本发明涉及一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法。属于钢铁物理热模拟分析技术领域。
背景技术
近年来，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。而再热裂纹的产生，就是由于在焊后热处理或高温工作下，焊接残余应力松弛时产生的应变超过了热影响区粗晶区的塑形变形能力而产生的。所以设法反应出钢材粗晶区在残余应力释放温度范围的塑形或蠕变塑形，以定性或定量地评价钢种的再热裂纹敏感性显得很重要。
评定钢种再热裂纹敏感性的方法主要有以下几种：一是采用小铁研试样，在不同热处理温度下进行试验，但这种方法的精度很低，得到的数据往往误差较大，对实际焊后热处理的指导意义不是很大；二是采用插销试验，利用经过实际焊接的接头制作试样，在不同的载荷下进行试验得到一些定量的数据，但插销试验的缺点是试验周期长，试样加工难度大，对试验材料消耗比较大；三是利用物理模拟的方法，先模拟出焊接HAZ的组织状态，然后在不同热处理条件下经过高温拉伸试验直至试样断裂，用试样的断面收缩率变化来得到应力松弛敏感温度区间，申请号2016110298872公开的《大型球罐用调质高强钢应力松弛裂纹敏感性温度测量方法》就属于此类方法。但这种方法只能反应材料在高温时的抗应变能力，不能反应出材料在实际应力松弛过程中的恒应变条件下的应力松弛变形能力。
发明内容
为了更加全面真实的模拟再热裂纹产生的实际情况，缩短试验周期，减少试验时材料的消耗，本发明提供了一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，该方法可直接在Gleeble-3800真空腔内完成。
在热模拟试验机上通过对不同工艺参数的焊接热模拟，然后模拟在后续的热处理过程通过应力释放，试样被逐渐拉断，得到温度、应力等随时间的变化关系，用断裂温度-断裂时间的曲线来表征材料再热裂纹敏感性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，该方法直接在Gleeble-3800真空腔内完成焊接热模拟和应力松弛试验，具体包括以下步骤：
（1）在距钢板表面1/4厚度处两面横向取样，加工成中间为缩径段的长柱状试样；
（2）将热电偶焊接到试样的缩径段，热电偶点焊部位涂高温水泥防止热电偶脱落，试样加热温度不超过1200℃采用K型热电偶，超过1200℃采用R型热电偶；
（3）试样两端用螺帽拧住，安装在Gleeble-3800真空腔内；
（4）抽真空，当真空度达到2.0×10-1τ以下时，充惰性气体保护；
（5）编写程序进行焊接热循环模拟，模拟出热影响区不同部位的组织，根据板厚的不同选择Rykalin2D或Rykalin3D模型；
（6）待经过焊接热循环模拟的试样冷却至室温后进行应力松弛试验，观察并记录试样在加热或者保温过程断裂的温度，应力和时间的变化关系；应力松弛临界温度测量的方法是，将φ8×12mm的试样加热到试验温度，然后一直处于恒温状态，将试样压缩至一定的应力值，恒应变控制保持10-30min，测定应力松弛曲线，曲线中的缓降直线段开始消失的温度即为应力松弛的临界温度。
步骤（5）和（6）两种试验方法的连续性和结合性，等焊接热模拟试样冷却至室温后无需重新加工和装卸即可直接进行应力松弛试验。
步骤（5）中焊接热循环试验整个过程都是0力控制的。
步骤（5）中根据板厚的不同选择Rykalin2D或Rykalin3D模型，可模拟的工艺参数有焊接预热温度、加热速度、峰值温度、线能量、t8/5时间和板厚等。
步骤（6）的应力松弛试验是完成焊接热模拟的试样冷却至室温后进行的，在试样热处理升温之前，室温下对试样加载预应力，建立应力松弛所需要的初始应变，一般为屈服强度的0.8-0.9倍，然后在热处理升温时开始释放应力；为了补偿试样因升温膨胀而可能将原始的弹性应变抵消，试验前应将试样在无拘束状态情况下，测出试样在热处理升温阶段的膨胀量；因此在升温阶段，按△L-T关系将试样拉伸△L以抵消试件膨胀对初始应变的影响；当温度升至去应力处理温度时，将L-Gauge控制模式转换为恒温、恒应变控制模式；但试验中去应力处理温度应不大于材料的应力松弛临界温度，随着焊接残余应力的松弛，在粗晶区应力集中部位的某些晶界塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力，该部位的晶界会出现微裂，最终试样将在升温或保温过程中断裂，记录从升温到断裂的温度、应力随时间的变化。
上述中的膨胀量是通过膨胀试验计算出的，以10℃/min的慢速均匀加热速度将试样由室温开始加热，记录试样长度随温度的变化，试验表明，试样的膨胀与温度有很好的线性关系，且受加热速度的影响很小与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明是直接在热模拟试验机上通过模拟焊接及应力松弛的方法来评价材料再热裂纹敏感性，整个试验过程非常接近实际情况，试验周期非常短，高效准确，试验时材料损耗少。本发明可用于各种工艺参数的焊接和应力模拟。
整个试验过程非常接近实际情况，且试验周期短，高效准确，所需材料消耗很少。无需反复。
附图说明
图1为本发明实施例中热模拟试样的结构示意图；
图2为本发明实施例热模拟试验安装示意图；
1真空腔、2移动夹头、3螺帽、4固定夹具、5热电偶、6试样、7U型夹具；
图3模拟HAZ热循环曲线；
图4为整个试验过程示意图；
图5为断裂温度-断裂时间图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例中的应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法。直接在Gleeble-3800真空腔内完成焊接热模拟和应力松弛试验，具体包括以下步骤：
（1）一般距钢板表面1/4厚度处两面横向取样，加工成如图1所示试样，试样为长管状，两端加工成与螺帽匹配的样子，中间加工成一段缩径段，；
（2）将热电偶焊接至试样上，热电偶点焊部位涂高温水泥防止热电偶脱落，试样加热温度不超过1200℃采用K型热电偶，超过1200℃采用R型热电偶；
（3）试样两端用螺帽拧住，如图2所示安装在Gleeble-3800真空腔内；
（4）抽真空，当真空度达到2.0×10-1τ时，充Ar气保护；
（5）编写程序进行焊接热循环模拟，模拟出热影响区不同部位的组织，根据板厚的不同选择Rykalin2D或Rykalin3D模型；
（6）经过焊接热循环模拟的试样冷却至室温后进行应力松弛试验，观察并记录试样在加热或者保温过程断裂的温度，应力和时间的变化关系。
其中步骤（5）的焊接热循环模拟先根据初始板厚来选择模型，然后输入所需要模拟的工艺参数，包括预热温度、加热速度、线能量、t8/5时间等，曲线结果如图3，两条曲线基本完全重合，表示焊接工艺模拟的很好。
经过焊接热循环模拟的试样继续在试验机上进行步骤（6）中的应力松弛试验。如图4所示，应力松弛试验是完成焊接热模拟的试样冷却至室温后进行的，在试样热处理升温之前，室温下对试样加载预应力，建立应力松弛所需要的初始应变，一般为屈服强度的0.8-0.9倍，然后在热处理升温时开始释放应力；为了补偿试样因升温膨胀而可能将原始的弹性应变抵消，试验前应将试样在无拘束状态情况下，测出试样在热处理升温阶段的膨胀量。膨胀试验以10℃/min的慢速均匀加热速度将试样由室温开始加热，记录试样长度随温度的变化。试验表明，试样的膨胀与温度有很好的线性关系，且受加热速度的影响很小。如当升温700℃时，试样的自由跨度由室温的50mm伸长为50.3mm，即在700℃的伸长量为0.3mm。因此在升温阶段，按△L-T关系将试样拉伸△L（如700℃时，拉伸0.30mm），以抵消试件膨胀对初始应变的影响。根据相关试验经验，一般试样升温过程的伸长量不大于1mm，故采用精度高的L-Gauge控制模式，按照在升温过程的膨胀速度来拉伸试样。当温度升至去应力处理温度时，将L-Gauge控制模式转换为恒温、恒应变控制模式。但试验中去应力处理温度应不大于材料的应力松弛临界温度。随着焊接残余应力的松弛，在粗晶区应力集中部位的某些晶界塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力，该部位的晶界会出现微裂，最终试样将在升温或保温过程中断裂，记录从升温到断裂的温度、应力随时间的变化。从而能得到如图5的“C”形曲线，产生断裂的敏感温度范围越宽，所需时间越短，则材料的再热裂纹敏感性越大。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，其特征在于：该方法直接在Gleeble-3800真空腔内完成焊接热模拟和应力松弛试验，具体包括以下步骤：
（1）在距钢板表面1/4厚度处两面横向取样，加工成中间为缩径段的长柱状试样；
（2）将热电偶焊接到试样的缩径段，热电偶点焊部位涂高温水泥防止热电偶脱落，试样加热温度不超过1200℃采用K型热电偶，超过1200℃采用R型热电偶；
（3）试样两端用螺帽拧住，安装在Gleeble-3800真空腔内；
（4）抽真空，当真空度达到2.0×10-1τ以下时，充惰性气体保护；
（5）编写程序进行焊接热循环模拟，模拟出热影响区不同部位的组织，根据板厚的不同选择Rykalin2D或Rykalin3D模型，然后输入所需要模拟的工艺参数；
（6）待经过焊接热循环模拟的试样冷却至室温后进行应力松弛试验，观察并记录试样在加热或者保温过程断裂的温度，应力和时间的变化关系；应力松弛临界温度测量的方法是，将试样加热到试验温度，然后一直处于恒温状态，将试样压缩至一定的应力值，恒应变控制保持10-30min，测定应力松弛曲线，曲线中的缓降直线段开始消失的温度即为应力松弛的临界温度；所述的应力松弛试验是完成焊接热模拟的试样冷却至室温后进行的，在试样热处理升温之前，室温下对试样加载预应力，建立应力松弛所需要的初始应变，一般为屈服强度的0.8-0.9倍，然后在热处理升温时开始释放应力；为了补偿试样因升温膨胀而可能将原始的弹性应变抵消，试验前应将试样在无拘束状态情况下，测出试样在热处理升温阶段的膨胀量；因此在升温阶段，按△L-T关系将试样拉伸△L以抵消试件膨胀对初始应变的影响；当温度升至去应力处理温度时，将L-Gauge控制模式转换为恒温、恒应变控制模式；但试验中去应力处理温度应不大于材料的应力松弛临界温度，随着焊接残余应力的松弛，在粗晶区应力集中部位的某些晶界塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力，该部位的晶界会出现微裂，最终试样将在升温或保温过程中断裂，记录从升温到断裂的温度、应力随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，其特征在于：步骤（5）和（6）两种试验方法的连续性和结合性，等焊接热模拟试样冷却至室温后无需重新加工和装卸即可直接进行应力松弛试验。
3.根据权利要求1所述的一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，其特征在于：步骤（5）中焊接热循环试验整个过程都是0力控制的。
4.根据权利要求1所述的一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，其特征在于：步骤（5）中根据板厚的不同选择Rykalin2D或Rykalin3D模型，可模拟的工艺参数有焊接预热温度、加热速度、峰值温度、线能量、t8/5时间和板厚等。
5.根据权利要求1所述的一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法，其特征在于：膨胀量是通过膨胀试验计算出的，以10℃/min的慢速均匀加热速度将试样由室温开始加热，记录试样长度随温度的变化，试验表明，试样的膨胀与温度有很好的线性关系，且受加热速度的影响很小。
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