消应力热处理温度对16MND5钢焊接接头组织和性能的影响

刘小户，田 军

（中核集团西安核设备有限公司，陕西 西安 720021）

消应力热处理温度对16MND5钢焊接接头组织和性能的影响

刘小户，田 军

（中核集团西安核设备有限公司，陕西 西安 720021）

对16MND5钢焊接接头进行不同温度的消应力热处理，并进行组织观察、拉伸及冲击试验。结果表明，经过620℃消应力热处理，16MND5焊接接头的相组成为块状先共析铁素体、黑色珠光体及少量针状铁素体和细小片状珠光体，随着消应力温度的升高，焊接接头的组织发生生长和粗化，且焊接接头的拉伸及冲击性能呈现先升高后降低的趋势，经过620℃，保温180min消应力热处理后，焊接接头具有最佳的综合力学性能，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为630MPa、543MPa和24.8%，冲击功、高温抗拉强度和屈服强度为176J、569MPa和401MPa。

16MND5钢；焊接接头；消应力热处理；组织；性能

16MND5钢具有力学性能优异、焊接性良好及生产成本较低等特点，因此被广泛应用于制造压力容器、桥梁主体、锅炉设备、车辆部件和各种工程机械等，日益受到国内研究者的关注［1-2］。为了有效减少焊接接头的应力集中，改善焊接接头的组织和性能，并避免开裂，消应力热处理被广泛应用于16MND5钢焊接接头，然而关于消应力热处理温度对16MND5钢焊接接头的组织和性能的影响方面的研究较少。因此，本文对16MND5钢焊接接头进行不同温度的消应力热处理，对不同消应力热处理温度试样的组织和性能进行观察和分析，研究了消应力热处理温度对16MND5钢焊接接头组织和性能的影响规律，从而为工程应用提供理论依据和实践指导。

1 试验材料及方法

试验材料选用16MND5钢，采用焊条电弧焊方法焊接，接头形式及焊缝顺序如图1所示，焊接参数见表1，试样的消应力热处理方案见表2所示。

表1 16MND5钢的焊接参数

图1 焊接接头的形式及焊接顺序

表2 焊接试样热处理方案

在消应力热处理态16MND5钢焊接接头截取20mm×10mm×10mm的试样，经过磨制、抛光及4%硝酸酒精腐蚀获取金相试样，参照《金属平均晶粒度测试方法》（GB/T6394-2002）［3］、《金属材料 拉伸试验》（GB/ T228-2015）［4］和《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》（GB/ T 229-2007）［5］分别进行晶粒尺寸测量、拉伸试验和冲击试验。

2 试验结果与讨论

2.1 焊接接头组织形貌

消氢热处理态16MND5钢焊接接头的组织形貌如图2所示。依据GB/T6394-2002［3］给出的截点法获得的消氢热处理态16MND5钢焊接接头晶粒尺寸，C试样的焊缝和热影响区晶粒尺寸分别为14.8μm和21.7μm，而D试样的焊缝和热影响区晶粒尺寸分别30.7μm和37.5μm（见表3所示）。由此可见，在相同的焊接参数和消氢热处理条件下，随着消应力热处理温度的升高，焊接接头的晶粒尺寸出现生长，这主要是由于较高的温度为溶质原子的扩散提供了能量，有利于晶界处的溶质原子向晶粒内部发生扩散，且扩散速度较快，从而在保温过程中出现晶粒的生长和粗化。

表3 消应力热处理态16MND5钢焊接接头组织的晶粒尺寸

由图2分析可知，C和D试样的焊接接头组织中均未发现裂纹的存在。C试样焊缝区的组织为亮白色的块状先共析铁素体、黑色珠光体及少量分布在晶内的针状铁素体和细小片状珠光体（图2（a）），这是由于焊缝区的冷却速率较低，冷却过程中在奥氏体晶界处形成块状先共析铁素体，并能在晶粒内部形成针状铁素体。同时，在焊接或热处理保温过程中，因溶质原子具有足够的扩散时间，在铁素体附近形成渗碳体，两者混合形成珠光体。C试样热影响区的组织仍为先块状共析铁素体、珠光体、少量针状铁素体和片状珠光体，但接头组织中针状铁素体和片状珠光体的数量减小，块状铁素体的体积和数量明显增加，且接头组织发生粗化（图2（a））。当消应力热处理温度为660℃时，D试样焊缝和热影响区的相组成主要为块状铁素体、晶界处粗大的珠光体和少量颗粒物（见图2（c）和（d）），晶粒发生显著的生长，珠光体发生粗化，特别是热影响区组织中出现铁素体魏氏组织。由于D试样的消应力热处理温度较高，保温时间较长，溶质原子的扩散数量和扩散速度显著增加，促进了铁素体和珠光体的生长和粗化，并在非平衡冷却过程中形成，在晶界处形成魏氏体组织。总体而言，消应力热处理态焊接接头的组织主要由块状铁素体和片状珠光体组成，但随着消应力热处理温度的升高，接头组织发生生产和粗化，并在晶界处形成少量魏氏体组织。

图2 消氢热处理态16MND5钢焊接接头的组织形貌

2.2 焊接接头性能

图3为消应力热处理态16MND5钢焊接接头的硬度曲线，B、C和D试样的最大硬度均出现在焊接接头的热影响区，分别为247HV10、253HV10和233HV10，C试样的峰值硬度最大，且随着消应力热处理温度的升高，试样的硬度呈现先增大后较小的趋势。

图3 焊接接头显微硬度分布

拉伸性能测试方法参照GB/T228-2015 ［4］进行，图4和表4分别给出了焊接接头的室温和高温拉伸性能。分析图4可知，B和C试样的室温拉伸性能均优于未经消应力热处理的A试样，但D试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率仅为522MPa、449MPa和19.3%，低于A试样的拉伸性能。由表4分析可知， 360℃进行拉伸试验，C试样的高温拉伸性能优于B和C试样。由此可见，经过620℃消应力热处理后，16MND5钢焊接接头的室温和高温拉伸性能最佳，室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为630MPa、543MPa和24.8%，高温抗拉强度和屈服强度为569MPa和401MPa，且随着消应力热处理温度的升高，焊接接头的室温和高温拉伸性能均呈现先增大后减小的趋势。

一方面，晶粒尺寸越大，焊接接头的硬度和强度越低［2］。因为晶粒的生长，使得晶界数量减少，从而减小了滑移带运动的阻力，且相邻晶粒之间存在位相差，为协调变形，晶粒须发生多滑移，而晶粒的生长将导致多滑移与位错的交互作用减弱，致使促进滑移的外力减小，从而显著的降低合金的强度和硬度。同时，亚共析钢的强度和硬度随着片间距和厚度的增大而减小［6］，当受到外力作用时，塑性变形主要发生在珠光体中的铁素体，而渗碳体主要阻碍位错滑移，片间距及厚度的增加，使得铁素体和渗碳体的界面越少，抑制位错运动的阻力减小，导致焊接接头的强度和硬度降低。因此，随着消应力热处理温度的升高，焊接接头的晶粒尺寸长大，片状珠光体的间距和厚度增大，导致随着焊接接头的强度和硬度降低。另一方面，晶粒内部形成的针状铁素体和细小的片状珠光体与位错的运动具有强烈的交互作用，能够有效抑制位错的运动和晶粒的变形，从而显著提高焊接接头的强度和硬度。由此可见，在上述两个相互抑制的现象作用下，随着消应力热处理温度的升高，焊接接头的硬度和强度呈现先增大后减小的趋势，C试样表现出优异的综合力学性能 。

参照GB/T 229-2007［5］对消应力热处理态16MND5钢焊接接头进行冲击试样，试样结果见表4所示，B、C和D试样在0℃的冲击功分别为142J、176J和107J，C试样的冲击功最大，试样的韧性较好。由于焊接接头的冲击功对应力和组织缺陷十分敏感，当消应力热处理温度较低时，焊接接头的应力未能完全释放，冲击韧性降低。而当消应力热处理温度较高时，焊接接头应力得到完全释放，但接头组织中出现魏氏组织，这种过热缺陷组织，能够提高焊接接头的脆韧转变温度，使焊接接头易发生脆性断裂，强烈的降低接头的塑形和冲击韧性。由此可见，随着消应力热处理温度的升高，焊接接头的冲击韧度呈现先升高后降低的趋势，C试样具有优异的塑形和冲击韧度。

3 结束语

（1）16MND5钢焊接接头的最优消应力热处理温度为620℃，保温为180min。

（2）随着消应力热处理温度的升高，16MND5钢焊接接头的组织发生长大和粗化。经过620℃消应力热处理的焊接接头相组成为块状先共析铁素体、黑色珠光体及少量分布在晶粒内部的针状铁素体和细小片状珠光体。

（3）随着消应力热处理温度的升高，16MNN5钢焊接接头的拉伸性能和冲击韧性呈现先升高后降低的趋势，经过620℃消应力热处理的焊接接头具有优异的综合力学性能，室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为630MPa、543MPa和24.8%，冲击功、高温抗拉强度和屈服强度为176J、569MPa和401MPa。

［1］姚海云，胡艳华，王丽霞.热处理工艺对16Mn钢晶粒形貌的影响［J］.材料热处理.2014，39（10）：25-27.

［2］王多名，田军.16MND5钢焊接接头强度偏低原因分析［J］.科技与质量.2016，269（04）：196-197.

［3］B/T6394-2002.金属平均晶粒度测试方法［S］.中国：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2002.

［4］GB/T228-2015.金属材料 拉伸试验［S］.中国：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2015.

［5］GB/T229-2007. 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法［S］.中国：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2007.

［6］崔忠圻，谭耀春.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，2009：245-246.

Effect of Stress Relief Heat Treatment Temperature on Microstructure and Properties of 16MND5 Weld joint

Xiaohu Liu， Jun Tian
（CNNC Xi′an Nuclear Equipment Co.， Ltd. Shaanxi Xi′an 720021）

The 16MND5 weld joints were subjected to stress relief heat treatment at different temperatures，and the microstructure， tensile and impact test were analyzed. The results show that the microstructure of 16MND5 weld joint at 620℃ consists of nubby ferrite， black pearlite， needlelike ferrite and fine sheet pearlite. The microstructure of weld joint grows and chaps with the temperature increasing. And the properties of tensile and impact test increase firstly and then decrease at the same time. The 16MND5 weld joint heat treatment at 620℃ for 180 min has excellent comprehensive mechanical properties， its ultimate tensile strength，yield tensile strength and elongation at room temperature are 630MPa， 543MPa and 24.8%， the Ak， ultimate tensile strength and yield tensile strength are 176J， 569MPa and 401MPa， respectively.

16MND5 steel； weld joint； stress relief heat treatment； microstructure； properties

图4 焊接接头拉伸性能

表4 试样的高温拉伸及冲击性能

V229+.8

A

1671-3818（2016）10-0006-02

刘小户（1979-），男，工程师，研究方向：民用核承压设备制造。