摘 要:通過布氏硬度試驗,研究了測量標尺對不同焊接工藝Inconel625鎳基合金管接頭焊縫 壓痕形貌和布氏硬度的影響。結果表明:在不同測量標尺條件下,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測量標尺條件下,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, 采用不同測量標尺測得的布氏硬度基本相同;對于堆焊鎳基合金管接頭,建議采用 HBW 10/300 測量標尺;對于手把焊和氬弧焊鎳基合金管接頭,建議采用 HBW5/750測量標尺。
關鍵詞:鎳基合金;焊縫;布氏硬度;測量標尺
中圖分類號:TG115 文獻標志碼:A 文章編號: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性能指標。硬度在 一定程度上反映了金屬材料的強度、韌性和彈性等 一系列力學性能[1],在石油與化工行業(yè)中是一項最 常見的金屬材料性能檢測指標。常見的金屬材料硬 度試驗方法主要有布氏硬度試驗、維氏硬度試驗和 洛氏硬度試驗[2]。
布氏硬度采用一定直徑D 的硬質(zhì)合金球,在規(guī)定 的試驗力P 作用下壓入試件表面,保載一段時間,卸載 試驗力后,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試值。由于布氏硬度 試驗采用的球體壓頭直徑較大,所得壓痕面積較大,因 而硬度測試值受試樣組織顯微偏析及成分不均勻的影 響輕微,具有試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定、測量精度高和重復性好等 特點,在石油與化工行業(yè)得到廣泛運用[2-5]。
筆者在對不同焊接工藝Inconel625鎳基合金 管接頭焊縫進行布氏硬度試驗時,依據(jù) GB/T231.1 -2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方 法》標準推薦的試驗力與壓頭直徑平方的比值和盡 可 能 選 取 大 直 徑 壓 頭 兩 個 原 則, 選 用 HBW10/3000(10 表示鋼球壓頭的直徑 10 mm, 3000表示試驗力3000kg)的測量標尺進行試驗, 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,這嚴重 影響了檢測結果的準確性。針對上述問題,筆者通 過不同測量標尺條件下的硬度試驗,對比分析了測 量標尺對鎳基合金管接頭焊縫布氏硬度測量值的影 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量標尺。
1 試驗
1.1 試驗材料和試驗設備
試驗材料為Inconel625鎳基合金,對采用氬弧 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號試樣,對采用氬弧焊制得 的鎳基合金管焊接接頭(氬弧焊)記為2號試樣,對 采用氬弧焊堆焊工藝制得的大管徑碳鋼+鎳基合金 復合管焊接接頭(堆焊)記為3號試樣。由表1可 見,不 同 試 樣 焊 縫 金 屬 的 化 學 成 分 符 合 AWS A5.14/A5.14M -2018 Specificationfor Nickel and Nickel-alloy Bare Welding Electrodesand Rods標準對Inconel625鎳基合金的技術要求。試 驗設備為JWH-3000DH 型數(shù)顯布氏硬度計,具備 電子自動加載和自動測量等功能。由于自動測量方 式存在不規(guī)則壓痕形貌無法識別的情況,硬度測量 方式采用人工測量。
1.2 試驗方法
依據(jù) GB/T231.1-2018,選用標準推薦的試驗力 與壓頭直徑平方的比值30,對應的布氏硬度測量標尺 有 HBW10/3000、HBW5/750和 HBW2.5/187.5。在 1號、2號和3號試樣上分別進行布氏硬度試驗,每個 試樣進行十次布氏硬度試驗,從四個不同方位測量壓 痕直徑,保載時間為15s,試驗溫度為22℃。
2 試驗結果與討論
2.1 布氏硬度壓痕形貌
由圖1可見:在 HBW10/3000測量標尺條件 下,1號試樣和2號試樣焊縫區(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 試樣和2號試樣焊縫區(qū)域的表面壓痕形狀逐漸趨于 圓形;在不同測量標尺條件下,3號試樣焊縫區(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。 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 布氏硬度測試結果
3種試樣焊縫區(qū)域的硬度極差如圖2所示。由 圖2a)可見,在 HBW 5/750測量標尺條件下,測得 試樣焊縫區(qū)域的硬度極差均小于其他測量標尺條件 下的,表明在該測量標尺條件下,測得1號和2號試 樣焊縫 區(qū) 域 的 硬 度 較 為 均 勻。由 圖 2c)可 見,在 HBW10/3000測量標尺條件下,測得試樣焊縫區(qū) 域的硬度極差略小于其他測量標尺條件下的,表明 在該測量標尺條件下,測得3號試樣焊縫區(qū)域的硬 度較為均勻。
由圖3可見:1號試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度最 大,2號試樣的次之,3號試樣的最小;不同測量標尺 條件下,測得同一試樣焊縫區(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 對應不同測量標尺條件下測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,不同測量標尺條件下 測得的布氏硬度相同,且具有可比性[7]。結合圖1 可見,在相同測量標尺條件下,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[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),且枝晶生長方向一致,在晶界上析 出大量的γ″沉淀強化相,如圖4所示。鎳基合金的 金屬流動性差,過高的熱輸入會導致熔池的冷卻速 率減慢,高溫停留時間過長會使晶粒粗化[9-10]。1號 試樣焊接工藝的熱輸入為0.9~1.0kJ/mm,2號和 3號試樣焊接工藝的熱輸入均為1.4~1.6kJ/mm。 2號和3號試樣焊接工藝相同,由于2號試樣母材 金 屬 的 熱 導 率 大, 焊 接 過 程 中 能 有 效 傳 遞熱量,其高溫停留時間比3號試樣的短。根據(jù)熱輸入和高溫停留時間不同,3種試樣焊縫區(qū)域的 晶粒尺 寸 從 大 到 小 依 次 為 3 號 試 樣、2 號 試 樣、 1號試樣,奧 氏 體 組 織 晶 粒 尺 寸 越 大,布 氏 硬 度 越小。
3 結論
(1)在不同測量標尺條件下,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 測量標尺條件 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,采用不同測量標尺測得 的布氏硬度基本相同。
(2)對于堆焊工藝鎳基合金管接頭,建議采用 HBW10/300測量標尺。對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 量 標尺。
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