耐热钢焊缝金属韧性影响因素及调控

作     者：吴可凡 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹睿;杨飞

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：埋弧焊 焊缝金属 2.25Cr-1Mo-0.25V 低温冲击韧性 粗大铁素体 

摘      要：2.25Cr-1Mo-0.25V钢是Cr-Mo钢改良而成的耐热钢种,具有更加优异的高温强度、蠕变强度和抗腐蚀等特点。但是在以该钢种的化学成分作为参考,设计焊缝金属时,2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝金属的组织和性能经常受到不同焊接工艺的影响,导致焊缝金属低温冲击韧性未达到实际工程所需的标准,容易出现低温冲击韧性差,易发生解理断裂的问题。本论文针对2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊耐热钢多层多道焊缝金属低温冲击韧性不稳定且出现低值的问题,对耐热钢焊缝金属的微观组织与低温冲击韧性的相关性进行系统研究。首先以2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊熔敷金属焊态和焊后热处理态两种状态试样为研究对象,通过-30℃下的夏比冲击试验测试得到低温冲击吸收功,使用多种手段表征分析冲击试样的断口及对应的微观组织,最终确定了影响焊缝金属冲击韧性及稳定性的因素并提出改进措施。结合实验结论与相关文献,提出了两种改善方法,第一种通过调整熔敷金属的化学成分,添加利于冲击韧性的元素,来达到韧性提升的目的;第二种通过重新设计焊接及焊后热处理的工艺,如冷却速度、热输入等,最后使冲击韧性得到改善。研究结果表明:（1）2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊熔敷金属焊态试样在-30℃的冲击吸收能量为6-7J,经过705℃保温8小时的回火热处理,将冲击韧性提升至30-36J。对比两种状态下的冲击断口与微观组织,确定影响2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊熔敷金属低温冲击韧性差的主要因素有:组织类型、粗大铁素体晶粒尺寸及原始奥氏体尺寸。一方面通过回火热处理,焊缝金属中的粒状贝氏体组织转变为铁素体组织,从而使韧性得到提升。另一方面热处理态冲击试样柱状晶区的粗大的原始奥氏体引发产生了粗大的铁素体组织,引发试样早期解理断裂,从而降低了冲击韧性。（2）通过调整焊接热输入,焊后热处理的冷却速度,使2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊熔敷金属冲击韧性得到改善,但出现韧性不稳定的问题。最后通过在回火热处理之前,添加了650℃保温40小时的预回火处理,使低温冲击吸收功从30-36J提升至126-167J,韧性稳定并得到改善。（3）通过在2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊熔敷金属中提高锰元素的含量,由1.04wt%提高至1.27wt%,经过相同的热处理工艺后,低温冲击韧性从30-36J提升至95-157J。该结果符合材料在韧性方面的标准,其原因是在组织中生成了针状铁素体,阻碍了裂纹的扩展,使冲击韧性得到提升。