再热裂纹对耐热钢的影响及应对措施

“再热裂纹”或称“消除应力裂纹”在标准奥氏体不锈钢中是不常见的，但是在消除应力热循环时会形成MC类型碳化物的钢中有可能产生。含有Nb并生成NbC的347型不锈钢对这种裂纹敏感^[52，67]。高碳耐热钢，如304H钢和316H钢也可能对再热裂纹敏感，这将在6.7节中叙述。这些钢产生再热裂纹的机理和含Cr、Mo和V的低合金钢中的相似。焊接时，在靠近熔合线的HAZ中合金碳化物发生溶解，而在焊缝金属中也含有碳及固溶的碳化物形成元素，当焊件在焊后消除应力热处理再加热时，碳化物会在晶内析出，使其强度高于晶界，如果在这个温度下应力充分松弛，则破坏优先沿晶界发生，这个现象在HAZ和焊缝中都能观察到。

图6-44示出了347型不锈钢焊缝金属中产生的再热裂纹的例子。这是一条拘束度很高的焊缝，要求在900°C（1650°F）进行焊后消除应力热处理。注意这条裂纹显示了分岔形貌。在高倍下观察，发现裂纹途径是沿着晶体学的晶界延伸。图6-44b示出了其典型的SEM断口照片，注意枝状晶凝固组织的痕迹清晰可见。这符合原始含有FN=8的铁素体在以FA模式凝固而得的焊缝特征。这意味着晶体学的晶界没有从凝固晶界迁移出来，所以残留了枝晶的特征。然而很多铁素体在消除应力热处理中溶解了，而留下的最终铁素体含量水平，FN仅为2。在这个焊缝金属中，应力松弛和在晶内析出NbC的复合作用促使生成了裂纹。

图6-43 由应变-断裂试验确定三种奥氏体不锈钢的失延裂纹敏感性

（引自Nissley等^[66]）

图6-44 347型不锈钢焊缝金属中的再热裂纹(www.xing528.com)

（引自Lin等^[68]）

再热裂纹的形成经常显示一个C曲线形温度-时间关系。图6-45示出了Lin等^[68]对上面讨论的同一种347不锈钢焊缝金属的研究结果。图6-45中的数据是由Gleeble热-力模拟试验机得到的。焊缝金属试样被加热到各种焊后热处理温度，然后加载到75%～100%的高温屈服强度的应力值，保持试样的载荷直至断裂（图6-45中的空心记号）。这个试验得到了一个C形的裂纹响应曲线。产生裂纹的温度区间700～1050°C（1290～1920°F）代表了产生NbC析出物的温度区间。而在800～1000°C（1470～1830°F）析出最快，这也是焊后消除应力热处理危险的温度区间，因为析出可以在20min内发生。这样在图6-44中出现裂纹就不奇怪了，因为焊后消除应力的热处理温度[大致是900°（1650°F）]几乎正好精确地落在再热裂纹C曲线的“鼻尖”上。

图6-45 347型不锈钢焊缝金属的再热裂纹敏感性

注：空心符号表示破坏，实心符号表示到试验停止时未裂。（引自Lin等^[68]）

从实际的观点看，当图6-45描述的析出强化机理作用的温度刚好和焊缝金属残留应力开始松弛的温度区间相重合时就会产生再热裂纹。对于大型构件，加热到650～900°C（1200～1650°F）温度区间进行消除应力的时间将长达几个小时，这就有充分的时间让上述形成再热裂纹的机理能够发挥作用。加热到析出温度区间的低端温度可以延缓析出，但残留应力也许不能充分消除。