异种钢材料侧弯试验产生裂纹原因分析.pdf
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1、2023年 第9期 热加工128检 测T e s t i n g异种钢材料侧弯试验产生裂纹原因分析米巧艳1,李金海21.西安核设备有限公司 陕西西安 710021 2.中国核电工程有限公司 北京 100840摘要:产品焊接见证件作为产品焊缝质量的证据,对产品质量起着至关重要的作用。对S30408钢板与XM-19锻件焊接见证件侧弯试验焊缝区产生裂纹进行宏观检查、扫描电镜、能谱、金相和硬度分析。结果发现:见证件焊缝区晶粒组织粗大,材料存在各向异性;硬度波动大;焊接过程产生裂纹、未熔合和夹渣等缺陷,导致材料塑性较低,是最终在弯曲试验时产生裂纹的根本原因。严格控制以上3个根本原因,重新加工试样一次检验
2、合格,为设备制造奠定了基础,同时也为异种钢材料焊接见证件合格性试验提供了借鉴经验。关键词:焊接见证件;弯曲试验;裂纹第一作者:米巧艳,工程师,从事核电设备质量检验技术工作,E-mail:。1 序言产品焊接见证件的设置是作为相应产品焊缝质量及质量稳定性的证据,以保证产品焊缝实施条件符合焊接工艺评定确定的有效范围。制造产品焊接见证件所使用的母材、焊接材料、焊接参数等都与产品焊缝一致,并与产品进行同炉焊后消除应力热处理,因此产品焊接见证件焊缝的破坏性试验结果可以代表产品焊接时焊缝的力学性能。在破坏性试验过程中,可以通过弯曲试验测定焊缝的塑性和反映焊接接头各区域的塑性差别,暴露焊接缺陷及焊接接头性能的
3、薄弱区域,考核熔合线的熔合质量,特别是侧弯试验更能反映出焊缝与金属母材之间的结合强度,对检测不同金属组成的焊接接头的熔合质量更为有效。乏燃料运输容器是运输核电站乏燃料组件不可或缺的关键设备,涉及到板材与锻件的异种材料焊接,因此需要设置产品焊接见证件,见证件的破坏性试验依据RCC-M:2000压水堆核岛机械设备设计和建造规则S篇S7800规定执行,需要进行焊接接头侧面弯曲试验,试验过程中侧弯试样弯曲至90 时沿焊缝断裂。2块产品焊接见证件试板焊接接头侧弯试验均发生因产生裂纹而不合格的情况。侧弯断口试样宏观形貌如图1所示。图1侧弯断口试样宏观形貌该产品焊接见证件母材是S30408钢板材与XM-19
4、锻件,焊接材料为A302,采用双面对接焊,母材厚度54mm,焊后进行模拟产品消应力热处理,保持与产品进行相同的制造工艺制度。焊接接头形式如图2所示,弯曲试样尺寸为225mm图2焊接接头示意2023年 第9期 热加工129检 测T e s t i n g a)微裂纹形貌(14)b)微裂纹开口处韧窝(300)c)韧窝4处放大(3500)d)韧窝5处放大(2500)图4起始区断口形貌a)板厚中间位置处裂纹微观形貌(4500)b)韧窝(2000)c)韧窝能谱分析 图5裂纹扩展区形貌图3 试样宏观断口形貌注:16为裂纹位置。54mm10mm。为进一步分析上述问题发生的根本原因,确保产品质量可靠,保证生产
5、进度,依据RCC-M:2000压水堆核岛机械设备设计和建造规则S篇S3152a)对破坏性试验不合格重新复验的要求:“如果某一不合格结果是由于试验的实施过程有问题或由于在试验中试样存在物理缺陷引起的,则有关结果不予认可,并应重新进行试验”,需对断裂试样进行断裂原因分析。以往由于根本原因分析不全面、不系统,导致二次试样侧弯试验仍然不合格,严重影响设备制造进度。结合以往异种钢材料侧弯不合格处理经验,通过宏观观察、微观形貌分析、金相检测、能谱分析和硬度测定,确定试样裂纹缺陷产生的根本原因。2 原因分析2.1 宏观分析对断裂试样进行宏观分析,侧弯试样的开裂宏观形貌如图3所示。从图3可看出,见证件侧弯试样
6、是在焊缝表面产生多处横向开裂,断口起裂源位于试样外表面的中间位置(弯曲外角度方向),向试样内侧扩展直至断裂1。从断口外形上用放大镜观察,可以看到有一定程度的塑性变形,断口附近表面可观察到变形滑移带和多条张开的微裂纹(见图3中箭头16位置),具有焊接区材料塑性变形能力不足引发的开裂特征,属于韧性断裂。2.2 微观形貌及能谱分析为进一步分析裂纹的形成和扩展,从断裂的弯曲试样上截取试样,超声波清洗后使用扫描电镜对断裂区域进行扫描分析。裂纹起始区断口形貌如图4所示,中间裂纹扩展区断口形貌如图5所示,裂纹终断区形貌如图6所示。2023年 第9期 热加工130检 测T e s t i n ga)最后断裂区
7、形貌(1500)b)最后断裂区形貌(600)图6裂纹终断区形貌2.3 剖面金相及硬度试验在垂直于断口方向切取剖面金相试样,微观组织形态如图7所示。焊缝裂纹区金相组织为奥氏体枝晶状铁素体(见图7a),测定铁素体含量为7.1%,与焊接材料的铁素体含量一致。金相结果显示弯曲试样焊缝存在焊接微裂纹(见图7b)和未熔合(见图7c)缺陷,尺寸分别为0.25mm和0.5mm,并有点状的夹渣(见图7d)。这些焊接微裂纹和未熔合在经扫描电镜检测,断裂试样有明显的显微凹坑,进一步佐证了弯曲试样属于韧性断裂2-4。从图4可看出,裂纹起始区存在许多与加工痕平行的滑移带和微裂纹(见图4a中箭头13),裂纹开口处可观察到
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