CN114577626A - 一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法 - Google Patents

一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，属于再热裂纹敏感性评价技术领域。原始试样经热模拟实验后进行拉伸，利用三维扫描仪获取原始试样的三维模型数据和拉断后试样的三维模型数据，通过软件计算原始试样的横截面面积和拉断后试样的横截面面积，进而求得试样的断面收缩率后，结合评判标准，对试样的再热裂纹敏感性进行评判。本发明通过简单的实验设备即可实现对低合金耐热钢粗晶区再热裂纹敏感性的准确评判，不再依赖操作者的经验和技能水平，解决了当前低合金耐热钢粗晶区再热裂纹敏感性评判结果误差大的问题，为低合金耐热钢焊接结构在高温服役环境下长时运行提供了保障。

Description

一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法
技术领域
本发明属于再热裂纹敏感性评价技术领域，具体涉及一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法。
背景技术
再热裂纹又称为焊后热处理裂纹或应力释放裂纹，是指材料在焊后热处理或者高温服役情况下，在粗晶区或焊缝产生的晶间裂纹。自上世纪50年代中期，人们发现一些奥氏体不锈钢(如AISI 347、AISI 321及AISI 316等)、耐蠕变铁素体钢(如2CrMo和CrMoV钢)乃至镍基合金(如Waspaloy和Alloy718)中都存在再热裂纹的问题，而焊接结构中的这类裂纹由于具有极大的危害性，也引起了工业界和科研人员的高度重视。近年来，随着早期服役的低合金耐热钢管道性能老化以及高等级耐热钢材料的开发应用，低合金耐热钢焊接接头再热裂纹的问题引起了研究人员的广泛关注。
经过大量研究发现，低合金耐热钢再热裂纹的产生主要受力学因素和冶金学因素两方面控制。在力学因素方面，再热裂纹的产生是在焊后去应力热处理或高温服役时，接头残余应力通过塑性变形而松弛，粗晶区晶界应力集中导致塑性变形的发生，当晶界塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力时，裂纹就会产生。在冶金因素方面，对于弧焊来说，由于熔合线附近区域冷却速度非常快，在冷却过程中奥氏体转变为低塑性的马氏体或贝氏体，溶解的碳及合金元素来不及析出而处于固溶状态。在服役过程中重新暴露在高温下，组织发生转变导致晶内强化或者晶界弱化或脆化，从而使粗晶区晶界的塑性变形能力下降，在应力的作用下容易产生再热裂纹。在低合金耐热钢的工程服役过程中，特别是低合金耐热钢焊接接头的服役中不管是力学因素还是冶金因素导致的再热裂纹问题，都迫切需要一种能快速准确评价低合金耐热钢再热裂纹敏感性的方法。
目前，涉及低合金耐热钢焊接接头再热裂纹敏感性评价的实验方法有插销式再热裂纹试验和模拟粗晶区短时蠕变破断试验。插销式再热裂纹试验是一种恒载拉伸条件下的应力释放试验，可用于获得稳定的定量数据，主要用于研究各种成分或者各种参数对再热裂纹敏感性的影响规律，其缺点是不能接近生产实际。模拟粗晶区短时蠕变破断试验包括模拟粗晶区的制备和高温恒应变速率拉伸两个部分。待试样拉断后计算试样断面收缩率，以判断材料的再热裂纹敏感性。在进行试样断面收缩率计算时，需测量拉断前后试样标距部分的直径。然而，人工测量时受操作水平以及数据处理的误差影响，断面收缩率的计算结果不准确，往往影响材料的再热裂纹敏感性评价结果。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，解决了低合金耐热钢粗晶区再热裂纹敏感性评价实验中断后试样截面积测量不准确，从而导致断面收缩率计算误差大，对粗晶区再热裂纹敏感性评价不准确的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，包括：
S1：机加工热模拟实验所需的低合金耐热钢试样，并采用三维扫描仪对试样进行扫描，获得原始试样的三维模型数据；
S2：根据低合金耐热钢焊接的实际热循环过程，设定热模拟实验参数，对低合金耐热钢试样进行热模拟实验，得到具有粗晶区组织的试样；
S3：将试样加热至峰值温度后保温，施加恒应变将试样拉断，冷却至室温后利用三维扫描仪获取拉断后试样的三维模型数据；
S4：将原始试样的三维模型数据和拉断后试样的三维模型数据导入三维数据处理软件中，计算原始试样的横截面面积和拉断后试样的横截面面积，进而求得试样的断面收缩率；
S5：根据求得的断面收缩率结合评判标准，对试样的再热裂纹敏感性进行评判。
优选地，S1中，三维扫描仪的精度≥0.02mm，分辨率≥0.01mm，所得试样的三维模型数据为stp格式。
优选地，S1中，机加工过程中试样表面温度不超过100℃，加工后的试样表面光滑无毛刺。
优选地，S2中，热模拟实验参数包括加热速度、峰值温度和冷却速度。
优选地，S2中，热模拟实验采用热电偶对温度场特征点热循环测量或利用有限元模拟的方法获得焊接过程的温度场。
优选地，S3中，峰值温度根据低合金耐热钢的服役环境而定。
进一步优选地，加热时的升温速度为10℃/s，峰值温度为500～750℃，保温时间为5～10s，施加的恒应变为0.01mm/s。
优选地，S4中，三维数据处理软件采用Solidworks 2020。
进一步优选地，S4的具体步骤为：将原始试样的三维模型数据和拉断后试样的三维模型数据保存成stp格式，然后将stp格式的数据文件导入到Solidworks 2020软件，在拉断位置沿垂直于试样加载方向对试样剖开，对拉断前和拉断后的剖开面进行评估计算，得到拉断前和拉断后试样横截面的面积，然后计算得到试样的断面收缩率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，原始试样经热模拟实验后进行拉伸，利用三维扫描仪获取原始试样的三维模型数据和拉断后试样的三维模型数据，通过软件计算原始试样的横截面面积和拉断后试样的横截面面积，进而求得试样的断面收缩率后，结合评判标准，对试样的再热裂纹敏感性进行评判。本发明通过简单的实验设备即可实现对低合金耐热钢粗晶区再热裂纹敏感性的准确评判，不再依赖操作者的经验和技能水平，解决了当前低合金耐热钢粗晶区再热裂纹敏感性评判结果误差大的问题，为低合金耐热钢焊接结构在高温服役环境下长时运行提供了保障。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为试样拉断前的三维模型图；
图3为试样拉断后的三维模型图；
图4(a)为试样拉断前的横截面形貌及面积示意图；
图4(b)为试样拉断后的横截面形貌及面积示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，本发明的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，包括以下步骤：
第一步，技术人员制备低合金耐热钢粗晶区试样，采用机加工的方式沿钢管或钢棒纵向取样，加工成的棒状试样总长为150mm，试验段长度为10mm，试验段直径为φ6mm，夹持段为M10mm，过渡角为45°，加工过程中试样表面温度不超过100℃，加工后的试样表面光滑无毛刺。
第二步，根据低合金耐热钢实际的焊接参数，计算焊接热输入，根据该热输入在热模拟试验机上设置相应参数，使试样模拟焊接中的受热过程，最终得到低合金耐热钢粗晶区组织的试样。
第三步，采用精度≥0.02mm，分辨率≥0.01mm的三维扫描仪对拉伸试样进行扫描，获得试样的三维模型数据。
第四步，将低合金耐热钢粗晶区组织的试样装在高温拉伸试验机上，以10℃/s的加热速度将试样加热到500～750℃的某一温度(具体温度根据测试要求而定)，保温5～10s，对试样以0.01mm/s的应变速率进行加载，直至试样被拉断，拉断后的试样空冷，待试样冷却至室温，取出试样。
第五步，采用精度≥0.02mm，分辨率≥0.01mm的三维扫描仪对拉断后的试样进行扫描，获得试样的三维模型数据。
第六步，将拉断前和拉断后的试样三维模型数据保存成stp格式，进而将stp格式的数据文件导入到Solidworks 2020软件，在拉断位置沿垂直于试样加载方向对试样剖开，在Solidworks软件中对拉断前和拉断后的剖开面进行评估计算，得到拉断前和拉断后试样横截面的面积。
第七步，将拉断前和拉断后试样横截面的面积代入试样断面收缩率的计算公式，得到低合金耐热钢粗晶区试样在高温下拉伸的断面收缩率。
第八步，根据再热裂纹敏感性判断标准(如表1所示)，将实验所得的断面收缩率与标准中的断面收缩率进行比较，判断试样的再热裂纹敏感性。
表1
Figure BDA0003557304140000051
下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：
沿12Cr1MoV管道径向加工长度为150mm、实验段长度为10mm、试验段直径为φ6mm、夹持段为M10mm和φ10mm的热模拟试样；然后将该试样装在热模拟试验机上，以100℃/s的加热速度将试样加热到1300℃，进而快速冷却，得到12Cr1MoV焊接接头粗晶区组织的试样。
用三维扫描仪对试样进行扫描，获得试样的三维模型数据如图2所示。
将试样装在高温拉伸试验机上，以10℃/s的加热速度将试样加热到500℃，保温10s，对试样以0.01mm/s的应变速率进行加载直至试样被拉断，拉断后的试样空冷，待试样冷却至室温，取出试样。将拉断的试样对齐平放在桌面上，用三维扫描仪对试样进行扫描，获得试样的三维模型数据如图3所示。
将拉断前和拉断后的试样三维模型数据导入Solidworks 2020软件，在拉断位置沿垂直于试样加载方向对试样剖开，在Solidworks 2020软件中对拉断前和拉断后的剖开面进行重构，进而点击评估菜单，选择测量选项，软件自动计算出拉断前和拉断后试样横截面的面积如图4所示。
将拉断前和拉断后试样横截面的面积代入试样断面收缩率的计算公式，得到低合金耐热钢粗晶区试样在高温下拉伸的断面收缩率为4.6％。根据再热裂纹敏感性判断标准(如表1所示)，将实验所得的断面收缩率与标准中的断面收缩率进行比较，最终判断试样的再热裂纹敏感性为非常敏感。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，包括：
S1：机加工热模拟实验所需的低合金耐热钢试样，并采用三维扫描仪对试样进行扫描，获得原始试样的三维模型数据；
S2：根据低合金耐热钢焊接的实际热循环过程，设定热模拟实验参数，对低合金耐热钢试样进行热模拟实验，得到具有粗晶区组织的试样；
S3：将试样加热至峰值温度后保温，施加恒应变将试样拉断，冷却至室温后利用三维扫描仪获取拉断后试样的三维模型数据；
S4：将原始试样的三维模型数据和拉断后试样的三维模型数据导入三维数据处理软件中，计算原始试样的横截面面积和拉断后试样的横截面面积，进而求得试样的断面收缩率；
S5：根据求得的断面收缩率结合评判标准，对试样的再热裂纹敏感性进行评判。
2.如权利要求1所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S1中，三维扫描仪的精度≥0.02mm，分辨率≥0.01mm，所得试样的三维模型数据为stp格式。
3.如权利要求1所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S1中，机加工过程中试样表面温度不超过100℃，加工后的试样表面光滑无毛刺。
4.如权利要求1所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S2中，热模拟实验参数包括加热速度、峰值温度和冷却速度。
5.如权利要求1所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S2中，热模拟实验采用热电偶对温度场特征点热循环测量或利用有限元模拟的方法获得焊接过程的温度场。
6.如权利要求1所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S3中，峰值温度根据低合金耐热钢的服役环境而定。
7.如权利要求6所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，加热时的升温速度为10℃/s，峰值温度为500～750℃，保温时间为5～10s，施加的恒应变为0.01mm/s。
8.如权利要求1所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S4中，三维数据处理软件采用Solidworks。
9.如权利要求8所述的提高断面收缩率计算精度的再热裂纹敏感性评判方法，其特征在于，S4的具体步骤为：将原始试样的三维模型数据和拉断后试样的三维模型数据保存成stp格式，然后将stp格式的数据文件导入到Solidworks软件，在拉断位置沿垂直于试样加载方向对试样剖开，对拉断前和拉断后的剖开面进行评估计算，得到拉断前和拉断后试样横截面的面积，然后计算得到试样的断面收缩率。
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