基于深度敏感压痕研究高温时效对HR3C/T92异种钢焊接接头局部力学性能的影响

孔文博　周正强　郑宏晔　叶笃毅

摘 要 应用深度敏感压痕技术（DSI）研究了高温时效对HR3C/T92焊接接头局部力学性能的影响。通过引入压痕特征参量来表征焊接接头各区域的强度、塑性与韧性，采用Oliver和Pharr方法计算弹性模量，并结合微观组织结构演化对时效后HR3C/T92焊接接头局部力学性能的变化进行了分析。结果表明：高温时效后，HR3C侧与焊缝的强度增强，塑性与韧性下降，但在T92一侧，力学性能的变化与之相反；高温时效后，HR3C侧与焊缝中析出大量的第二相粒子；在T92一侧，马氏体板条出现回复，位错出现湮灭。

关键词 HR3C/T92异种钢 深度敏感压痕 高温时效 焊接接头 局部力学性能

中图分类号 TQ050.4+1   文献标识码 A   文章编号 0254?6094（2023）02?0148?10

近年来，随着超（超）临界火电机组的发展，一些新型耐热钢（如HR3C奥氏体耐热钢、T92马氏体耐热钢等）及其焊接接头已被广泛应用于锅炉再热器、过热器等關键设备中［1］。对于HR3C/T92异种钢焊接接头，由于受焊接温度梯度的影响，接头各区域（如焊缝（WM）、热影响区（HAZ）和母材（BM）），尤其是相邻区域的交界处微观组织结构和力学性能均存在较大差异，例如T92热影响区可进一步细分为粗晶区（CGHAZ）和细晶区（FGHAZ）。上述接头区域组织结构与力学性能的不均匀性往往会造成HR3C/T92异种钢焊接接头的局部应力集中现象［2］，并严重影响接头的服役安全性。目前有关HR3C/T92异种钢焊接接头的力学性能已开展了一些研究工作，例如SONG Y M等研究了不同温度下接头的拉伸力学性能［3］；陈国宏等研究了时效时间对HR3C/T92焊接接头力学性能的影响等［4，5］。但已有的研究工作主要是针对焊接接头整体的力学性能，较少涉及焊接接头各区域的局部力学性能。由于传统的拉伸试验很难获得焊接接头的局部力学性能，因此研究学者［6～10］采用新型力学试验技术——深度敏感压痕（DSI）来测试焊接接头各区域的力学性能。例如PHAM THAI?HOAN等应用DSI测试并结合逆向算法研究了结构钢焊接接头的局部力学性能［7，8］；WU S等应用球形压头获得了304奥氏体钢焊接接头的局部力学性能［9］；KHARACHENKO V V等应用DSI测试确定了10GN2MFA焊接接头的局部力学行为等［10］。这些研究表明，应用深度敏感压痕测试来获得焊接接头局部力学性能具有较高的可靠性。

考虑到超（超）临界机组中HR3C/T92异种钢焊接接头大多在高温环境下长期服役，焊接接头的局部力学性能会随着服役时间的增加而发生改变。因此，为了确保电厂设备能够安全服役，有必要研究高温时效对HR3C/T92异种钢焊接接头局部力学性能的影响，从而为高温部件的金属监督提供试验依据。在此，笔者应用DSI技术，结合压痕特征参量，研究高温时效对HR3C/T92异种钢焊接接头局部力学性能（包括强度、塑性和韧性）的影响，并结合微观组织结构演化进一步对其物理机制进行分析。

1 基于压痕载荷-压入深度（P?h）曲线的力学性能

图1为典型的弹塑性材料的压痕载荷-压入深度（P?h）曲线。

P?h曲线包含加载段和卸载段两部分，从该曲线中可以提取出一些压痕特征参量，例如最大压入深度h、卸载刚度S、残余深度h和塑性功W。材料的硬度为P/A，其中P为最大载荷，A为对应的真实投影面积。对于维氏压头，A=24.5h，其中，h=h-0.75×P/S［11］。TABOR D认为，材料的硬度与其强度是相关的［12］，一些研究表明，对于韧性材料其硬度值是其屈服强度的3倍左右［13，14］。卸载刚度S是与材料弹性模量有关的参数［14］，材料的弹性模量E可通过O?P法［11］获得：

其中，β为与压头形状有关的系数（对于维氏压头，β=1.012），E为等效弹性模量，E、ν为材料的弹性模量、泊松比，E、ν为压头的弹性模量、泊松比。

KIM JUNG J等研究表明残余深度hr表征的是材料的变形能力，可以广义地解释为材料的塑性［8，13］；YE D Y等认为塑性功W为材料在整个压痕过程中能量耗散的能力，与材料的韧性是相关的［13］。因此，采用上述压痕特征参量可以获得材料局部的弹塑性性能。

2 实验材料与方法

本课题研究的异种钢焊接接头由?45 mm×9.5 mm的HR3C和T92无缝钢管构成母材，焊丝为ERNiCrMo?3，其化学成分见表1。

采用钨极氩弧焊（GTAW），V型坡口，单边坡口角度为30～35°，钝边为0.5～1.0 mm，对口间隙为3～4 mm，氩气纯度为99.99%，气体流量为6～9 L/min。焊前预热温度为150～200 ℃，焊接时的焊接电流与电压分别是80～110 A与10～14 V，焊后热处理温度为760 ℃，保温时间为1.5 h。试验前用X射线和超声波对焊接接管进行无损检测，将检测合格的焊接接管放入加热炉内，在700 ℃下时效5 000 h。

采用线切割对时效前后焊接接管（包含HR3C、WM和T92）进行取样，试样包括两侧母材、热影响区与焊缝，并将试样表面进行抛光处理。采用DUH?210S超显微动态硬度计对抛光后的试样进行压痕试验，最大载荷为1 000 mN，保载时间为15 s。图2为上述接头试样的压痕测点布置，其中，T92粗晶区和细晶区相邻压痕点之间的距离为0.15 mm，其他区域相邻压痕点的间隔为0.30 mm。采用光学显微镜（Keyence VHX?1000C）和透射电镜TEM（Hitachi H?900）分别对时效前后HR3C/T92焊接接头的微观组织结构进行观察。

3 实验结果

3.1 HR3C/T92异种钢焊接接头局部力学性能

图3为HR3C/T92异种钢焊接接头的压痕图以及时效前后HR3C/T92焊接接头各区域（BM、HAZ、WM）的典型P?h曲线。从图3中可以看到，时效后，HR3C母材、HR3C热影响区、焊缝处的最大压入深度h和残余深度h皆下降，但是在T92一侧上述两个压痕特征参量出现了上升现象。同时也可以看出，时效对焊缝和T92热影响区的P?h曲线的影响较其他区域更加显著。

通过P?h曲线可以获得时效前后HR3C/T92焊接接头各区域的压痕特征参量分布（图4）。

图4a为时效前后HR3C/T92焊接接头硬度分布图，可以看出，时效前，在T92热影响区中，随着距焊缝距离的增加硬度降低，临近焊缝处的T92 CGHAZ硬度为整个焊接接头中的最高值，在T92 HAZ与母材交界区域，T92一侧硬度最低，该区域被称为软化区（图4a中蓝色箭头处），而在焊接接头的其他区域，硬度分布较为均匀；时效后，焊缝的硬度为整个焊接接头中的最高值，约为HV350，与时效前相比，增加了约40%，HR3C一侧硬度值上升了19%左右，但在T92热影响区中，硬度发生了显著下降，尤其是临近焊缝处的T92粗晶区中，硬度值下降约26%，T92母材处的硬度下降约9%。由于硬度与强度是相关的，所以长期高温时效会增加HR3C与焊缝的强度，而降低T92的强度。从图4b、c中可以看到，时效前后h、W在焊接接头各区域上的分布规律基本相同，时效后焊缝的h、W值为整个焊接接头中的最低值，与时效前相比，其值分别下降了12%和16%，HR3C一侧的h、W值分别下降了5%和11%。在T92一侧的热影响区中，尤其是T92临近焊缝的粗晶区处，h、W值显著上升，分别上升了25%和28%。在T92母材处，h、W分别上升了5%和6%。上述结果表明，时效后HR3C一侧以及焊缝的塑性和韧性都会下降，但是在T92一侧这两个力学性能是上升的。对于弹性模量E而言（图4d），时效并不会影响HR3C一侧以及焊缝的弹性模量，但是会使得T92一侧的弹性模量上升。总体而言，时效对HR3C和焊缝的强度、塑性以及韧性的影响与对T92的影响相反，且对焊缝和T92热影响区的影响相较其他区域更为显著。

3.2 HR3C/T92异种钢焊接接头微观组织结构

3.2.1 HR3C母材（BM）和热影响区（HAZ）

图5为时效前后HR3C一侧的金相图。

从图5a、b中可以看出，时效前HR3C母材和热影响区为典型的奥氏体组织。一些第二相粒子在晶内析出，在其热影响区中存在一些退火孪晶，母材处没有发现孪晶。从图5c、d可看出，时效后HR3C依然为奥氏体结构，与时效前相比，时效后母材与热影响区中析出的第二相粒子数目明显增多，且晶界发生了明显粗化，母材处出现了孪晶。HR3C母材与HAZ处的奥氏体晶粒尺寸并没有发生明显变化，表明时效对HR3C晶粒的影响较小但是对第二相粒子的析出影响较大。TEM和EDS（图6）结果表明，时效前（图6a、b），晶内的第二相粒子为圆形的NbCrN（Z相），其直径尺寸约为200 nm。时效后（图6c、d），晶界处存在两种形状的粒子，文献［14］表明晶界处链状的粒子为M23C6，EDS结果表明圆形的粒子为MX（图6d、e），在晶内析出的第二相粒子形态为触须状（图6f），文献［14，15］表明这种粒子为Z相。

3.2.2 焊缝（WM）

图7为时效前后焊缝的微观组织结构图。时效前（图7a），焊缝为典型的枝晶结构，在晶界上析出了一些第二相粒子MC［16］（图7b）。时效后（图7c），大量的针状组织在枝晶界附近析出，从图7d中可以看出，有两种类型的粒子在基中析出，分别为椭球状的γ″和针状的δ相［16～18］，长度分别为0.5、3.0 μm。

3.2.3 T92热影响区（HAZ）和母材（BM）

图8、9为时效前后T92一侧的微观组织结构图。T92的热影响区（HAZ）包含粗晶区（CGHAZ）和细晶区（FGHAZ），从图8中可以看出，粗晶区与母材具有明显的马氏体板条但是在细晶区中板条结构不够明显。从TEM图中可以看出，时效前T92母材的马氏体板条内具有的位错密度较高，在一些晶体内部出现了位错网结构，一些圆棒状第二相粒子在其板条晶界处析出，研究表明该粒子为M23C6粒子［19～21］（图8e）。时效后，T92中马氏体板条发生了回复，特别是在T92粗晶区内，马氏体板条基本完全消失（图9a、b），基体中析出了一些第二相粒子（图9b～d）。TEM和EDS结果（图9e、f）显示，时效后T92马氏体板条转化为块状的铁素体（亚晶），且在大多数亚晶中并未发现位错，在其晶界处析出尺寸较大的Laves相粒子，约1 000 nm。

4 分析与讨论

结合微观组织结构的演化对时效前后焊接接头局部力学性能变化机制进行分析与讨论。

在高温时效过程中，HR3C母材和热影响区晶内析出大量的Z相粒子（图6f），一般认为其是由MX粒子转变而来［15］。从图6f中可以看到，Z相周围聚集着大量的位错，表明Z相具有较强的钉扎位錯能力。这些弥散分布的第二相粒子会阻碍位错的移动，从而提高材料的强度［22］。由于HR3C层错能较低［15］，在长期高温条件时效下，孪晶数目将增加，从而进一步增加HR3C一侧的强度。上述微观组织结构演化最终使得时效后HR3C一侧强度增加。时效后HR3C塑性下降与其强度的上升是相关的（图4a、b），其原因主要与晶界和晶内析出的粒子有关。晶界相对于晶内而言具有较高的界面能［15］，从而使得一些MC和MX粒子优先在晶界上析出（图6c、d）。在时效过程中MC粒子沿着晶界生长最终导致其形状为棒状（图6c），这些第二相粒子（MC、MX、Z相）阻碍了位错的运动，从而造成位错在该粒子周围堆积，难以发生运动，使得粒子周围发生应力集中，进而造成孔洞的形核，降低HR3C的塑性［15］。同时，由于时效后晶界处MC析出，该粒子沿着晶界长大会降低晶界之间的内聚力，从而使得HR3C一侧更加容易发生沿晶断裂［15］，降低HR3C一侧的韧性。对于弹性模量，其受到第二相粒子的影响较小，所以其值在时效后并没有发生明显的变化。

對于焊缝ERNiCrMo?3，根据文献［17］，在700 ℃下时效10 h后γ″粒子开始形核，随着时效时间的增加，γ″粒子逐渐长大粗化，其形状由球形逐渐转变为椭球形（图7d）。但是由于γ″粒子为亚稳定粒子，在长期时效过程中会重新溶解，造成其周围的Nb含量增加，最终导致δ相析出［18］。δ相在700 ℃时效100 h时在晶界处开始形核，其最终的形状为针状［16］。时效后γ″析出（图7c、d），由于该粒子与基体之间的界面为半共格，从而造成位错在切过该粒子时界面能增加，使得焊缝强度提高［23］。同时，δ相的析出也会阻碍焊缝中位错的运动，最终造成时效后焊缝硬度大幅上升（图4a），但是这些粒子使得位错移动更加困难，最终导致焊缝的塑性下降（图4b）。在晶界处析出的δ相降低焊缝晶界的内聚力，最终导致焊缝的韧性下降（图4c）。与HR3C一侧相似，除析出第二相粒子外，时效后的焊缝组织结构并没有发生改变，所以其弹性模量并没有发生明显改变。

T92的强化机制主要为固溶强化、弥散强化、亚结构强化和位错强化［24］。在焊接过程中，随着距焊缝距离的增加，T92热影响区温度逐渐下降，造成溶解的碳化物数目逐渐下降［21］，导致其固溶强化逐渐降低，从而使得T92热影响区强度逐渐下降。在T92热影响区与母材交界的区域，由于该处的温度没有达到T92的AC1线，故焊接过程中该处并没有发生奥氏体转变，且其温度与回火温度接近，在焊接过程中该区域相当于进行了一次回火处理［25］，从而造成该处硬度为T92一侧最低值（图4a）。在700 ℃下长期时效过程中，原溶解的合金原子会重新析出，导致T92一侧尤其是粗晶区中马氏体板条发生回复［26］，造成T92基体钉扎位错的能力下降，时效后，晶体内部大量位错发生回复［24］，尤其是位错网的消失（图9e），会显著降低T92一侧强度。时效过程中合金原子在晶界上的扩散速度要快于晶内，Laves相优先在晶界处析出（图9e），由于该粒子的尺寸较大，根据Orawan机制，第二相粒子尺寸越大，位错越容易绕过，并且由于Laves相的析出与粗化又会消耗基体内的合金原子，从而使得固溶强化降低。上述一系列微观组织结构的演变最终导致T92一侧在时效后硬度发生了明显下降。这些微观组织结构演化又使得位错运动更加容易，不易产生应力集中和孔洞的形核，所以时效后T92塑性也相应的上升了。对于韧性而言，一些研究表明时效处理会降低T92的韧性［27］，其原因是粗化的Laves相弱化了晶界，但是在本文中时效后韧性的上升可能与马氏体转化为块状铁素体有关。弹性模量一般受晶格畸变的影响［28］，时效后一些原溶解在基体内部的原子又重新析出，造成晶体内晶格畸变下降，最终导致弹性模量上升。

5 结论

5.1 HR3C/T92焊接接头高温时效后，T92一侧强度呈下降趋势，塑性与韧性则有所提高，而HR3C一侧以及焊缝处，上述力学性能呈现相反变化趋势。同时，高温时效会显著影响T92一侧的弹性模量，但对焊接接头其他区域的弹性模量影响不显著。

5.2 高温时效后，HR3C晶界发生粗化，晶界处析出链状M23C6粒子和圆形MX粒子，在其晶内析出触须状的Z相粒子；焊缝晶界附近析出椭球状的γ″和针状的δ相。在T92侧，高温时效使得马氏体板条发生回复并逐渐向块状铁素体转变，晶体内部的位错消失，在其晶界处会析出尺寸较大的Laves相。

5.3 高温时效后，HR3C与焊缝强度增加主要是由基体中析出的第二相粒子阻碍了位错运动而引起的；T92一侧，马氏体板条的回复、晶体内部的位错密度下降以及晶界处Laves相的析出共同造成了其强度下降。在时效过程中，T92一侧合金元素析出，晶格畸变程度降低，最终导致T92侧弹性模量有所上升。

参 考 文 献

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（收稿日期：2022-04-11，修回日期：2023-03-08）

DSI?based Studies of the Effects of High?temperature Aging on Local Mechanical Properties of HR3C/T92 Dissimilar Steel Welded Joint

KONG Wen?bo1， ZHOU Zheng?qiang2， ZHENG Hong?ye2， YE Du?yi1

（1. College of Energy Engineering， Zhejiang University；

2. Electric Power Research Institute， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.）

Abstract   In this paper， depth?sensing indentation （DSI） testing was used to study the effect of long?term high?temperature aging on local mechanical properties of HR3C/T92 dissimilar welded joints. The strength， ductility and toughness in particular zones of the welded joints were characterized by employing indentation characteristic parameters， and the elastic modulus was calculated by using Oliver and Pharr method. The change of local mechanical properties of HR3C/T92 was also analyzed by observing the microstructural evolution. The results show that， after the high?temperature aging， the strength in the HR3C side and weld metal became increased but the ductility and toughness in these zones decreased， while in the T92 side， a contrary tendency was found； in addition， after the hign?temp?eratore aging， extensive second phase particles become precipitated in HR3C and weld metal； and in the T92 side， the recovery of martensitic laths and the disappearance of dislocations were also observed.

Key words   HR3C/T92 dissimilar steel， DSI， high?temperature aging， welded joint， local mechanical property

基金项目：国家自然科学基金项目（51675475）。

作者简介：孔文博（1992-），硕士研究生，从事异种钢焊接接头力学性能与微观组织结构的研究。

通讯作者：叶笃毅（1963-），教授，从事金属材料力学与微观机制的研究，duyi_ye@zju.edu.cn。

引用本文：孔文博，周正强，郑宏晔，等.基于深度敏感压痕研究高温时效对HR3C/T92异种钢焊接接头局部力学性能的影响［J］.化工机械，2023，50（2）：148-157.