摘 要:通過(guò)布氏硬度試驗(yàn),研究了測(cè)量標(biāo)尺對(duì)不同焊接工藝Inconel625鎳基合金管接頭焊縫 壓痕形貌和布氏硬度的影響。結(jié)果表明:在不同測(cè)量標(biāo)尺條件下,堆焊鎳基合金管接頭焊縫的布氏 硬度壓痕邊緣較為光滑平順;在 HBW5/750和 HBW2.5/187.5測(cè)量標(biāo)尺條件下,手把焊和氬弧焊 鎳基合金管接頭焊縫的布氏硬度壓痕形狀趨向于圓形;在同一載荷與壓頭直徑平方的比值條件下, 采用不同測(cè)量標(biāo)尺測(cè)得的布氏硬度基本相同;對(duì)于堆焊鎳基合金管接頭,建議采用 HBW 10/300 測(cè)量標(biāo)尺;對(duì)于手把焊和氬弧焊鎳基合金管接頭,建議采用 HBW5/750測(cè)量標(biāo)尺。

關(guān)鍵詞:鎳基合金;焊縫;布氏硬度;測(cè)量標(biāo)尺

中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0005-03

硬度是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能 力,是衡量材料軟硬程度的一項(xiàng)性能指標(biāo)。硬度在 一定程度上反映了金屬材料的強(qiáng)度、韌性和彈性等 一系列力學(xué)性能[1],在石油與化工行業(yè)中是一項(xiàng)最 常見(jiàn)的金屬材料性能檢測(cè)指標(biāo)。常見(jiàn)的金屬材料硬 度試驗(yàn)方法主要有布氏硬度試驗(yàn)、維氏硬度試驗(yàn)和 洛氏硬度試驗(yàn)[2]。

布氏硬度采用一定直徑D 的硬質(zhì)合金球,在規(guī)定 的試驗(yàn)力P 作用下壓入試件表面,保載一段時(shí)間,卸載 試驗(yàn)力后,試件表面留下壓痕,以壓痕單位表面積上所 承受的平均壓力作為布氏硬度測(cè)試值。由于布氏硬度 試驗(yàn)采用的球體壓頭直徑較大,所得壓痕面積較大,因 而硬度測(cè)試值受試樣組織顯微偏析及成分不均勻的影 響輕微,具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、測(cè)量精度高和重復(fù)性好等 特點(diǎn),在石油與化工行業(yè)得到廣泛運(yùn)用[2-5]。

筆者在對(duì)不同焊接工藝Inconel625鎳基合金 管接頭焊縫進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí),依據(jù) GB/T231.1 -2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方 法》標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)力與壓頭直徑平方的比值和盡 可 能 選 取 大 直 徑 壓 頭 兩 個(gè) 原 則, 選 用 HBW10/3000(10 表示鋼球壓頭的直徑 10 mm, 3000表示試驗(yàn)力3000kg)的測(cè)量標(biāo)尺進(jìn)行試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)壓痕形貌呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形,壓痕邊界凹凸不 平,未受壓區(qū)域金屬表面呈現(xiàn)擠壓隆起現(xiàn)象,這嚴(yán)重 影響了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題,筆者通 過(guò)不同測(cè)量標(biāo)尺條件下的硬度試驗(yàn),對(duì)比分析了測(cè) 量標(biāo)尺對(duì)鎳基合金管接頭焊縫布氏硬度測(cè)量值的影 響,確定了適用于不同焊接工藝Inconel625鎳基合 金管接頭焊縫的布氏硬度測(cè)量標(biāo)尺。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)材料為Inconel625鎳基合金,對(duì)采用氬弧 焊打底、手工電弧焊填充接焊制得的鎳基合金管焊接接頭(手把焊)記為1號(hào)試樣,對(duì)采用氬弧焊制得 的鎳基合金管焊接接頭(氬弧焊)記為2號(hào)試樣,對(duì) 采用氬弧焊堆焊工藝制得的大管徑碳鋼+鎳基合金 復(fù)合管焊接接頭(堆焊)記為3號(hào)試樣。由表1可 見(jiàn),不 同 試 樣 焊 縫 金 屬 的 化 學(xué) 成 分 符 合 AWS A5.14/A5.14M -2018 Specificationfor Nickel and Nickel-alloy Bare Welding Electrodesand Rods標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Inconel625鎳基合金的技術(shù)要求。試 驗(yàn)設(shè)備為JWH-3000DH 型數(shù)顯布氏硬度計(jì),具備 電子自動(dòng)加載和自動(dòng)測(cè)量等功能。由于自動(dòng)測(cè)量方 式存在不規(guī)則壓痕形貌無(wú)法識(shí)別的情況,硬度測(cè)量 方式采用人工測(cè)量。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù) GB/T231.1-2018,選用標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)力 與壓頭直徑平方的比值30,對(duì)應(yīng)的布氏硬度測(cè)量標(biāo)尺 有 HBW10/3000、HBW5/750和 HBW2.5/187.5。在 1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣上分別進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),每個(gè) 試樣進(jìn)行十次布氏硬度試驗(yàn),從四個(gè)不同方位測(cè)量壓 痕直徑,保載時(shí)間為15s,試驗(yàn)溫度為22℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 布氏硬度壓痕形貌

由圖1可見(jiàn):在 HBW10/3000測(cè)量標(biāo)尺條件 下,1號(hào)試樣和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的表面壓痕形貌均 呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形;隨著鋼球壓頭直徑的減小,1號(hào) 試樣和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的表面壓痕形狀逐漸趨于 圓形;在不同測(cè)量標(biāo)尺條件下,3號(hào)試樣焊縫區(qū)域表 面壓痕均呈現(xiàn)規(guī)則的圓形,壓痕邊緣較為光滑、平順。

鎳基合金硬度高,其局部抵抗變形的能力強(qiáng)。 硬度反映的是材料內(nèi)部晶粒和晶界等組織在壓入載 荷時(shí)表現(xiàn)出的抵抗破斷和變形的能力[6],由于焊縫 區(qū)域的顯微組織存在不均勻性,壓痕邊緣的組織抵 抗變形的能力各不相同。

2.2 布氏硬度測(cè)試結(jié)果

3種試樣焊縫區(qū)域的硬度極差如圖2所示。由 圖2a)可見(jiàn),在 HBW 5/750測(cè)量標(biāo)尺條件下,測(cè)得試樣焊縫區(qū)域的硬度極差均小于其他測(cè)量標(biāo)尺條件 下的,表明在該測(cè)量標(biāo)尺條件下,測(cè)得1號(hào)和2號(hào)試 樣焊縫 區(qū) 域 的 硬 度 較 為 均 勻。由 圖 2c)可 見(jiàn),在 HBW10/3000測(cè)量標(biāo)尺條件下,測(cè)得試樣焊縫區(qū) 域的硬度極差略小于其他測(cè)量標(biāo)尺條件下的,表明 在該測(cè)量標(biāo)尺條件下,測(cè)得3號(hào)試樣焊縫區(qū)域的硬 度較為均勻。

由圖3可見(jiàn):1號(hào)試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度最 大,2號(hào)試樣的次之,3號(hào)試樣的最小;不同測(cè)量標(biāo)尺 條件下,測(cè)得同一試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度差值基 本在10以內(nèi),表明相同載荷與壓頭直徑平方的比值 k 對(duì)應(yīng)不同測(cè)量標(biāo)尺條件下測(cè)得的布氏硬度基本相 同。根據(jù)布氏硬度的相似定律,在保證壓入角不變 (即k 值保持不變)的情況下,不同測(cè)量標(biāo)尺條件下 測(cè)得的布氏硬度相同,且具有可比性[7]。結(jié)合圖1 可見(jiàn),在相同測(cè)量標(biāo)尺條件下,試樣焊縫區(qū)域的硬度 越大,壓痕形狀的不規(guī)則性越明顯。

鎳基合金的硬度與析出相種類、形態(tài)及分布有 關(guān)[8],3種試樣焊縫區(qū)域的顯微組織主要為奧氏體, 均呈現(xiàn)枝晶形態(tài),且枝晶生長(zhǎng)方向一致,在晶界上析 出大量的γ″沉淀強(qiáng)化相,如圖4所示。鎳基合金的 金屬流動(dòng)性差,過(guò)高的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熔池的冷卻速 率減慢,高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使晶粒粗化[9-10]。1號(hào) 試樣焊接工藝的熱輸入為0.9~1.0kJ/mm,2號(hào)和 3號(hào)試樣焊接工藝的熱輸入均為1.4~1.6kJ/mm。 2號(hào)和3號(hào)試樣焊接工藝相同,由于2號(hào)試樣母材 金 屬 的 熱 導(dǎo) 率 大, 焊 接 過(guò) 程 中 能 有 效 傳 遞熱量,其高溫停留時(shí)間比3號(hào)試樣的短。根據(jù)熱輸入和高溫停留時(shí)間不同,3種試樣焊縫區(qū)域的 晶粒尺 寸 從 大 到 小 依 次 為 3 號(hào) 試 樣、2 號(hào) 試 樣、 1號(hào)試樣,奧 氏 體 組 織 晶 粒 尺 寸 越 大,布 氏 硬 度 越小。

3 結(jié)論

(1)在不同測(cè)量標(biāo)尺條件下,堆焊工藝鎳基合 金管焊縫區(qū)域的布氏硬度壓痕邊緣較為光滑平順。 在 HBW5/750 和 HBW 2.5/187.5 測(cè)量標(biāo)尺條件 下,采用手把焊和氬弧焊工藝鎳基合金管焊縫區(qū)域 的布氏硬度壓痕形狀趨向于圓形。同一載荷與壓頭 直徑平方的比值k 條件下,采用不同測(cè)量標(biāo)尺測(cè)得 的布氏硬度基本相同。

(2)對(duì)于堆焊工藝鎳基合金管接頭,建議采用 HBW10/300測(cè)量標(biāo)尺。對(duì)于手把焊和氬弧焊工 藝鎳基 合 金 管 接 頭,建 議 采 用 HBW 5/750 測(cè) 量 標(biāo)尺。

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