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摘要： 采用插销试验的方法研究不同贝氏体含量的12Cr1MoVG钢对再热裂纹敏感性的影响，结果表明在试验温度范围内，两种原始组织状态不同的12Cr1MoVG钢随着试验温度的升高，其临界断裂初应力呈现先下降后上升的基本趋势，原始组织状态为铁素钵+贝氏体组织的12Cr1MoVG钢的再热裂纹最敏感温度高于原组织粒状贝氏体组织+少量铁素体的再热裂敏感温度。
关键词： 12Cr1MoVG钢；插销试验；贝氏体；再热裂纹；组织
中图分类号： TK225
Effect of the original microstructure on the reheated cracks sensitivity
of 12Cr1MoVG steel
Shang Jianlu，Shi Yunzhe， Lü Yishi， Liu Xiao， Cheng Peng， Wang Gan′gang， Zhao Jiancang
（Suzhou Nuclear Power Research Institute Co. Ltd.， Suzhou 215004，China）
Abstract： In this paper， the effect of different Bayesian content on reheat crack sensitivity of 12Cr1MoVG steel by implant test method is studied. The results show that within the experimental temperature range，The Critical initial stress shows a trend of rising after the first fall with the increase os the test temperature of 12Cr1MoVG steel with two kinds of original microstructure.The temperature of reheating crack of the 12Cr1MoVG steel with ferrite and bainite microstructure is higher than that of granular bainite and a small amount of ferrite.
Key words： 12Cr1MoVG steel， implant test， bayesian， reheat crack， microstructure
0前言
12Cr1MoVG钢属于低合金热强钢，该钢种通过严格控制冶炼轧制等工艺使其具有较高的热强性能和持久塑性，工作温度可高达600 ℃，而且由于其具有较好的高温性能，良好的焊接性以及较低的成本等优点，因此被广泛用于火电站机组锅炉过热器和再热器，集箱及管道等构件的制造[1]。同时12Cr1MoVG钢属于CrMoV低合金耐热钢，含有一定的沉淀强化元素，存在一定的再热裂纹敏感性，但薄壁件可采用多种焊接方法与相对宽泛的焊接工艺参数，均能保证接头完整性并满足使用性能的要求[2]。然而近几年，厚壁部件发生了大量接头开裂的现象。这些裂纹产生于焊后热处理后或者接头短期高温运行后，呈纵向裂纹形貌或横向裂纹形貌[3，4]。文献分析裂纹性质后认为[5，6]，该裂纹具有再热裂纹特征。大多数的研究认为12Cr1MoVG钢产生再热裂纹的原因与其具有较高的残余应力，焊接与PWHT工艺不当有关[7，8]，而对于其原始组织状态的不同对其再热裂纹的影响却鲜有报道。本文就以在某电厂超超临界锅炉机组12Cr1MoVG低过进口集箱角焊缝出现裂纹的工程实例为对象，研究了该电厂12Cr1MoVG钢所涉及的集箱管接头存在的裂纹问题，对于此问题该电厂若未及时处理而投入运行，不仅对电厂锅炉的正常运行造成威胁，且裂纹一旦扩展形成断裂，将会对电厂设备和人员带来重大损失。为了获得由于12Cr1MoVG材料组织差异对接管座裂纹产生的影响程度，本文采用插销试验的方法进行了以贝氏体组织为主的与以铁素体组织为主的12Cr1MoVG耐热钢再热裂纹敏感性试验研究。
1试验方法
插销试验所用试验材料是12Cr1MoVG，本文所用的该钢种的两种组织分别为铁素体+少量贝氏体和贝氏体+少量铁素体，分别编号为A和B。焊接方法为手工焊条电弧焊，焊材为CHH317电焊条，焊条直径32mm。分别在475 ℃、600 ℃、650 ℃、690 ℃、725 ℃、760 ℃进行插销试验，得到不同预热温度下的临界断裂应力。将试验所用材料A与B按图1进行加工。A试样与B试样焊接再热裂纹试验所用底板均为Q235材质。插销试验参照ISO 17642-3—2005进行。试验设备为本实验室自行研发的ICT-09插销试验机，如图2所示。
图1插销试样尺寸
图2试验用智能插销试验机2试验结果与分析
2.1金相组织
按照表1中的参数对A类材料插销试样进行施焊，所获得的焊接接头宏观形貌如图3所示，其中a处为焊缝区域，b处为热影响区（HAZ）粗晶区，c处为HAZ细晶区，d处为母材区。
焊接接头各区的金相组织如图4所示：A组钢母
表1焊接工艺参数表焊接电
流I/A焊接电
压U/V焊接速度v/
（mm·min-1）焊接热输入E/
（kJ·cm-1）1102515011
图3A组12Cr1MoVG钢焊接接头宏观形貌图材组织为铁素体+贝氏体组织，焊接热影响区的粗晶区和细晶区主要为板条状马氏体+少量粒状贝氏体组织，但是由于焊接过程中受热程度不同，原奥氏体晶粒尺寸存在较大的差异，所得到的板条马氏体束的尺寸存在较大的差异，如图4b、图4c所示，焊缝组织主要为板条马氏体组织，如图4a所示。 图4A材料焊接接头各区域金相组织
按照表1的参数对B材料插销试样进行施焊，所获得的焊接接头宏观形貌图如图5所示，其中a处为焊缝区域，b处为HAZ粗晶区，c处为HAZ细晶区，d处为母材区。B组12Cr1MoVG钢焊接接头各区的金相组
图5B组12Cr1MoVG钢焊接
接头宏观形貌图织如图6所示：B组12Cr1MoVG钢母材组织为粒状贝氏体组织+少量铁素体，如图6d所示；焊接HAZ的粗晶区和细晶区组织与A组相比有一定的差异，B组焊缝热影响区组织主要为板条状马氏体。因为焊接过程中的受热程度不同，粗晶区和细晶区原奥氏体晶粒尺寸存在较大的差异，所得到的板条马氏体束的尺寸存在较大的差异，焊缝组织主要为板条马氏体。
2.2试验温度对A组临界断裂应力的影响
不同试验温度下，随外加应力的下降插销试样断裂时间随之加长，当初应力下降到某一值后，插销试样将不发生断裂，不发生断裂的最高初应力称为“临界断裂初应力”。不同的试验温度下A组12Cr1MoVG钢对应不同的临界断裂初应力值不同，如图7所示。
从图7可知，A组12Cr1MoVG钢在不同试验温度下，随着试验温度的升高，临界断裂初应力呈现先下降
图6B组材料各区域金相组织
后上升的基本趋势；在试验温度范围内，650 ℃的临界断裂初应力最低，为130.4 MPa，因此，650 ℃是A组12Cr1MoVG钢对再热裂纹最敏感的温度。
图7A组插销试样在不同试验温度下的临界断裂初应力
2.3试验温度对B组临界断裂应力的影响
不同的试验温度下B组12Cr1MoVG钢对应不同的临界初应力值，如图8所示。从图中可知，B组12Cr1MoVG钢随试验温度的升高，临界断裂初应力呈现先下降后上升的基本趋势；在试验温度范围内，690 ℃的临界断裂初应力最低，为82.0 MPa。因此，690 ℃是B组12Cr1MoVG钢对再热裂纹最敏感的温度。
图8B组插销试样在不同试验温度下的临界断裂初应力
2.4两种原始组织状态下的临界断裂初应力比较
本文针对12Cr1MoVG钢，进行了两种原始组织状态（A、B状态）的再热裂纹敏感性试验研究，分别获得了这两种材料在475 ℃、600 ℃、650 ℃、690 ℃、725 ℃、760 ℃温度下的临界断裂初应力值。将两种原始状态下的临界断裂应力试验结果进行对比分析，发现两种原始组织状态下的临界断裂初应力值存在一定的差异。
两种原始组织状态对不同试验温度下插销试验临界断裂初应力的影响从图9可知：A状态12Cr1MoVG钢的临界断裂初应力值整体高于B状态，两种原始组织状态，对试验温度的再热裂纹敏感性有一定的影响，其中A组再热裂纹最敏感温度为650 ℃，而B组再热裂纹最敏感温度690 ℃。由此可知，尽管试验材料均为12Cr1MoVG钢，化学成分相同，但材料的原始组织状态不同，导致其对再热裂纹敏感性的影响存在较大差异。
图9A组和B组材料在不同温度下的临界断裂初应力
从这两种状态下的12Cr1MoVG钢的焊接HAZ粗晶区的组织对比可知，二者存在一定的差异，即A组主要为板条状马氏体+少量粒状贝组织，B组主要为板条状马氏体，如图4和图6所示。这两者组织的差异，对引起其粗晶区抗再热裂纹敏感的能力有很大影响。而这两种原始态组织的差异引起的焊接HAZ粗晶区组织的差异，进而影响其在焊接快速加热过程中的组织遗传、碳化物重新分解、合金元素均匀化等。在再热裂纹插销试验过程中，所施加的再热温度是导致粗晶区发生回火的直接原因。回火后其最大的组织变化就是碳化物的析出和基体组织的再结晶等。回火温度及原始组织不同，引起其回火程度的差异，所以当试验温度变化时，不同原始组织状态的12Cr1MoVG钢就表现出不同的再热裂纹抗力。在插销试验过程中，所施加的载荷及开在粗晶区的缺口是导致粗晶区发生高温形变的直接原因，这一点可以被试验过程中随时间延长初始载荷呈现逐步下降的现象所证明。当原始组织状态和试验温度不同时，其下降程度不同。总之，12Cr1MoVG钢原始组织状态不同，导致焊接HAZ粗晶区组织的差异，进而导致晶界晶内高温形变能力出现差异，必然引起其对再热裂纹抗力的差异。
3结论
（1）母材组织为铁素体+贝氏体组织的12Cr1MoVG钢焊接热影响区的粗晶区组织主要为板条状马氏体+少量粒状贝氏体组织，母材组织为粒状贝氏体组织+少量铁素体的12Cr1MoVG钢焊接热影响区主要为板条状马氏体。
（2）在试验温度范围内，两种原始组织状态不同的12Cr1MoVG钢随着试验温度的升高，其临界断裂初应力呈现先下降后上升的基本趋势。
（3）在试验温度范围内原始组织为铁素体+贝氏体组织的12Cr1MoVG钢的临界断裂初应力值基本上整体高于组织为粒贝组织+少量铁素体的临界断裂初应力值；再热裂纹最敏感温度高于原始组织为粒状贝氏体组织+少量铁素体的再热裂纹最敏感温度。参考文献[1]王香云.钢焊接接头热裂纹原因分析及对策[J].焊管，2010， 33（ 4）：13-17.
[2]赵建仓，姚建华，成鹏，等.超超临界锅炉12Cr1MoVG集箱角接头再热裂纹原因分析及焊接工艺优化[J].发电设备， 2011， 25（4）： 274-277.
[3]周波，崔润炯，郭元蓉，等.12Cr1MoV钢大直径厚壁锅炉钢管的热处理工艺优化[J].钢管， 2001， 30（1）： 34-38.
[4]陈忠兵，赵彦芬，赵建仓，等. 厚壁12Cr1MoVG 钢焊接接头裂纹分析及其控制[J].中国电机工程学报， 2012， 32（35）： 137-141.
[5]赵慧传，李晓东，朱信钊，等大口径厚壁三通与连通管对接焊缝裂纹分析[J].热力发电， 2011， 39（6）： 73-75.
[6]刘金状.厚壁大径管焊缝裂纹成因分析[J].失效分析与预防， 2010， 5（1）： 39-43.
[7]曹德辉，戴晟，王金芳. 减温器12Cr1MoVG 集箱三通焊接裂纹的补焊修复[J].电力建设， 2012， 33（1）： 109-111.
[8]孙树文，雷廷权，唐之秀，等.12Cr1MoV 大口径高压锅炉钢管冲击韧性的质量控制[J].钢铁，1997， 32（12）： 41-45.
关键词： 12Cr1MoVG钢；插销试验；贝氏体；再热裂纹；组织
中图分类号： TK225
Effect of the original microstructure on the reheated cracks sensitivity
of 12Cr1MoVG steel
Shang Jianlu，Shi Yunzhe， Lü Yishi， Liu Xiao， Cheng Peng， Wang Gan′gang， Zhao Jiancang
（Suzhou Nuclear Power Research Institute Co. Ltd.， Suzhou 215004，China）
Abstract： In this paper， the effect of different Bayesian content on reheat crack sensitivity of 12Cr1MoVG steel by implant test method is studied. The results show that within the experimental temperature range，The Critical initial stress shows a trend of rising after the first fall with the increase os the test temperature of 12Cr1MoVG steel with two kinds of original microstructure.The temperature of reheating crack of the 12Cr1MoVG steel with ferrite and bainite microstructure is higher than that of granular bainite and a small amount of ferrite.
Key words： 12Cr1MoVG steel， implant test， bayesian， reheat crack， microstructure
0前言
12Cr1MoVG钢属于低合金热强钢，该钢种通过严格控制冶炼轧制等工艺使其具有较高的热强性能和持久塑性，工作温度可高达600 ℃，而且由于其具有较好的高温性能，良好的焊接性以及较低的成本等优点，因此被广泛用于火电站机组锅炉过热器和再热器，集箱及管道等构件的制造[1]。同时12Cr1MoVG钢属于CrMoV低合金耐热钢，含有一定的沉淀强化元素，存在一定的再热裂纹敏感性，但薄壁件可采用多种焊接方法与相对宽泛的焊接工艺参数，均能保证接头完整性并满足使用性能的要求[2]。然而近几年，厚壁部件发生了大量接头开裂的现象。这些裂纹产生于焊后热处理后或者接头短期高温运行后，呈纵向裂纹形貌或横向裂纹形貌[3，4]。文献分析裂纹性质后认为[5，6]，该裂纹具有再热裂纹特征。大多数的研究认为12Cr1MoVG钢产生再热裂纹的原因与其具有较高的残余应力，焊接与PWHT工艺不当有关[7，8]，而对于其原始组织状态的不同对其再热裂纹的影响却鲜有报道。本文就以在某电厂超超临界锅炉机组12Cr1MoVG低过进口集箱角焊缝出现裂纹的工程实例为对象，研究了该电厂12Cr1MoVG钢所涉及的集箱管接头存在的裂纹问题，对于此问题该电厂若未及时处理而投入运行，不仅对电厂锅炉的正常运行造成威胁，且裂纹一旦扩展形成断裂，将会对电厂设备和人员带来重大损失。为了获得由于12Cr1MoVG材料组织差异对接管座裂纹产生的影响程度，本文采用插销试验的方法进行了以贝氏体组织为主的与以铁素体组织为主的12Cr1MoVG耐热钢再热裂纹敏感性试验研究。
1试验方法
插销试验所用试验材料是12Cr1MoVG，本文所用的该钢种的两种组织分别为铁素体+少量贝氏体和贝氏体+少量铁素体，分别编号为A和B。焊接方法为手工焊条电弧焊，焊材为CHH317电焊条，焊条直径32mm。分别在475 ℃、600 ℃、650 ℃、690 ℃、725 ℃、760 ℃进行插销试验，得到不同预热温度下的临界断裂应力。将试验所用材料A与B按图1进行加工。A试样与B试样焊接再热裂纹试验所用底板均为Q235材质。插销试验参照ISO 17642-3—2005进行。试验设备为本实验室自行研发的ICT-09插销试验机，如图2所示。
图1插销试样尺寸
图2试验用智能插销试验机2试验结果与分析
2.1金相组织
按照表1中的参数对A类材料插销试样进行施焊，所获得的焊接接头宏观形貌如图3所示，其中a处为焊缝区域，b处为热影响区（HAZ）粗晶区，c处为HAZ细晶区，d处为母材区。
焊接接头各区的金相组织如图4所示：A组钢母
表1焊接工艺参数表焊接电
流I/A焊接电
压U/V焊接速度v/
（mm·min-1）焊接热输入E/
（kJ·cm-1）1102515011
图3A组12Cr1MoVG钢焊接接头宏观形貌图材组织为铁素体+贝氏体组织，焊接热影响区的粗晶区和细晶区主要为板条状马氏体+少量粒状贝氏体组织，但是由于焊接过程中受热程度不同，原奥氏体晶粒尺寸存在较大的差异，所得到的板条马氏体束的尺寸存在较大的差异，如图4b、图4c所示，焊缝组织主要为板条马氏体组织，如图4a所示。 图4A材料焊接接头各区域金相组织
按照表1的参数对B材料插销试样进行施焊，所获得的焊接接头宏观形貌图如图5所示，其中a处为焊缝区域，b处为HAZ粗晶区，c处为HAZ细晶区，d处为母材区。B组12Cr1MoVG钢焊接接头各区的金相组
图5B组12Cr1MoVG钢焊接
接头宏观形貌图织如图6所示：B组12Cr1MoVG钢母材组织为粒状贝氏体组织+少量铁素体，如图6d所示；焊接HAZ的粗晶区和细晶区组织与A组相比有一定的差异，B组焊缝热影响区组织主要为板条状马氏体。因为焊接过程中的受热程度不同，粗晶区和细晶区原奥氏体晶粒尺寸存在较大的差异，所得到的板条马氏体束的尺寸存在较大的差异，焊缝组织主要为板条马氏体。
2.2试验温度对A组临界断裂应力的影响
不同试验温度下，随外加应力的下降插销试样断裂时间随之加长，当初应力下降到某一值后，插销试样将不发生断裂，不发生断裂的最高初应力称为“临界断裂初应力”。不同的试验温度下A组12Cr1MoVG钢对应不同的临界断裂初应力值不同，如图7所示。
从图7可知，A组12Cr1MoVG钢在不同试验温度下，随着试验温度的升高，临界断裂初应力呈现先下降
图6B组材料各区域金相组织
后上升的基本趋势；在试验温度范围内，650 ℃的临界断裂初应力最低，为130.4 MPa，因此，650 ℃是A组12Cr1MoVG钢对再热裂纹最敏感的温度。
图7A组插销试样在不同试验温度下的临界断裂初应力
2.3试验温度对B组临界断裂应力的影响
不同的试验温度下B组12Cr1MoVG钢对应不同的临界初应力值，如图8所示。从图中可知，B组12Cr1MoVG钢随试验温度的升高，临界断裂初应力呈现先下降后上升的基本趋势；在试验温度范围内，690 ℃的临界断裂初应力最低，为82.0 MPa。因此，690 ℃是B组12Cr1MoVG钢对再热裂纹最敏感的温度。
图8B组插销试样在不同试验温度下的临界断裂初应力
2.4两种原始组织状态下的临界断裂初应力比较
本文针对12Cr1MoVG钢，进行了两种原始组织状态（A、B状态）的再热裂纹敏感性试验研究，分别获得了这两种材料在475 ℃、600 ℃、650 ℃、690 ℃、725 ℃、760 ℃温度下的临界断裂初应力值。将两种原始状态下的临界断裂应力试验结果进行对比分析，发现两种原始组织状态下的临界断裂初应力值存在一定的差异。
两种原始组织状态对不同试验温度下插销试验临界断裂初应力的影响从图9可知：A状态12Cr1MoVG钢的临界断裂初应力值整体高于B状态，两种原始组织状态，对试验温度的再热裂纹敏感性有一定的影响，其中A组再热裂纹最敏感温度为650 ℃，而B组再热裂纹最敏感温度690 ℃。由此可知，尽管试验材料均为12Cr1MoVG钢，化学成分相同，但材料的原始组织状态不同，导致其对再热裂纹敏感性的影响存在较大差异。
图9A组和B组材料在不同温度下的临界断裂初应力
从这两种状态下的12Cr1MoVG钢的焊接HAZ粗晶区的组织对比可知，二者存在一定的差异，即A组主要为板条状马氏体+少量粒状贝组织，B组主要为板条状马氏体，如图4和图6所示。这两者组织的差异，对引起其粗晶区抗再热裂纹敏感的能力有很大影响。而这两种原始态组织的差异引起的焊接HAZ粗晶区组织的差异，进而影响其在焊接快速加热过程中的组织遗传、碳化物重新分解、合金元素均匀化等。在再热裂纹插销试验过程中，所施加的再热温度是导致粗晶区发生回火的直接原因。回火后其最大的组织变化就是碳化物的析出和基体组织的再结晶等。回火温度及原始组织不同，引起其回火程度的差异，所以当试验温度变化时，不同原始组织状态的12Cr1MoVG钢就表现出不同的再热裂纹抗力。在插销试验过程中，所施加的载荷及开在粗晶区的缺口是导致粗晶区发生高温形变的直接原因，这一点可以被试验过程中随时间延长初始载荷呈现逐步下降的现象所证明。当原始组织状态和试验温度不同时，其下降程度不同。总之，12Cr1MoVG钢原始组织状态不同，导致焊接HAZ粗晶区组织的差异，进而导致晶界晶内高温形变能力出现差异，必然引起其对再热裂纹抗力的差异。
3结论
（1）母材组织为铁素体+贝氏体组织的12Cr1MoVG钢焊接热影响区的粗晶区组织主要为板条状马氏体+少量粒状贝氏体组织，母材组织为粒状贝氏体组织+少量铁素体的12Cr1MoVG钢焊接热影响区主要为板条状马氏体。
（2）在试验温度范围内，两种原始组织状态不同的12Cr1MoVG钢随着试验温度的升高，其临界断裂初应力呈现先下降后上升的基本趋势。
（3）在试验温度范围内原始组织为铁素体+贝氏体组织的12Cr1MoVG钢的临界断裂初应力值基本上整体高于组织为粒贝组织+少量铁素体的临界断裂初应力值；再热裂纹最敏感温度高于原始组织为粒状贝氏体组织+少量铁素体的再热裂纹最敏感温度。参考文献[1]王香云.钢焊接接头热裂纹原因分析及对策[J].焊管，2010， 33（ 4）：13-17.
[2]赵建仓，姚建华，成鹏，等.超超临界锅炉12Cr1MoVG集箱角接头再热裂纹原因分析及焊接工艺优化[J].发电设备， 2011， 25（4）： 274-277.
[3]周波，崔润炯，郭元蓉，等.12Cr1MoV钢大直径厚壁锅炉钢管的热处理工艺优化[J].钢管， 2001， 30（1）： 34-38.
[4]陈忠兵，赵彦芬，赵建仓，等. 厚壁12Cr1MoVG 钢焊接接头裂纹分析及其控制[J].中国电机工程学报， 2012， 32（35）： 137-141.
[5]赵慧传，李晓东，朱信钊，等大口径厚壁三通与连通管对接焊缝裂纹分析[J].热力发电， 2011， 39（6）： 73-75.
[6]刘金状.厚壁大径管焊缝裂纹成因分析[J].失效分析与预防， 2010， 5（1）： 39-43.
[7]曹德辉，戴晟，王金芳. 减温器12Cr1MoVG 集箱三通焊接裂纹的补焊修复[J].电力建设， 2012， 33（1）： 109-111.
[8]孙树文，雷廷权，唐之秀，等.12Cr1MoV 大口径高压锅炉钢管冲击韧性的质量控制[J].钢铁，1997， 32（12）： 41-45.