碳钢和低合金钢热影响区的蠕变破坏分析

在厚板结构上紧靠焊缝熔合线的热影响区中曾经观察到蠕变破坏。在PWHT中或者在工作中碳元素会由HAZ向焊缝迁移，而在HAZ中形成软的铁素体组织^{[4，11，12]}。在残留应力以及由于HAZ和熔敷金属间线胀系数不同而引起的热应力共同作用下，蠕变裂纹可以沿着铁素体晶粒边界发生。图9-12示出了在Cr-1Mo耐热钢上熔敷309L钢后熔合线的微观组织。这个组织是在720℃（133℉）进行了10h的PWHT后得到的。图中的维氏硬度的压痕反映了熔合边界上马氏体带中残留的高硬度。而相反Cr-1Mo钢的HAZ却极软，并含有粗大的铁素体晶粒。在高温下停留后就是在这个区域发生蠕变破坏。图9-13示出了这种破坏，该图引自Klueh和King^[12]的工作，它们研究了用Ni基Inconel182（在AWSA5.11标准中属于ENiCrFe-3焊条分类）填充金属焊接Cr-1Mo和321不锈钢得到的过渡接头的破坏行为。典型的破坏发生在高温工作10～15a以后。

碳钢在20～600℃（70～1110℉）温度区间的平均线胀系数（CTE）是（13.5～14.4）×10^-6/℃[7.5～8μin/（in·℉）]数量级，而不锈钢的CTE在（17.1～18）×10^-6/℃[9.5～10μin/（in·℉）]数量级。当异种金属焊缝加热到高温时，由于线胀系数的差别，会产生很大的应变。由于碳钢的线胀系数小，所以它要限制不锈钢的膨胀，这就在界面上产生很高的局部应力。而碳的迁移又在强度较高的焊缝和母材之间形成非常软的铁素体区，使得局部的高应变将集中在这个区域。随时间的增加，晶界发生滑移，最终导致碳钢HAZ的蠕变破坏，或叫应力—断裂破坏。

图9-12Cr-1Mo母材金属和309L不锈钢熔敷层之间的熔合边

界区[在720℃（1330℉）进行10hPWHT]，图上的数字是维氏硬度值（HV）（引自Gittos和Gooch^[11]，美国焊接学会授权）(www.xing528.com)

图9-13 用309填充金属焊接Cr-1Mo钢和347不锈钢得到的异种金属焊缝中裂纹沿熔合边界发生。破坏发生在压力容器钢的热影响区

（引自Klueh和King^[12]，美国焊接学会授权）

采用镍基合金填充金属或者镍基合金嵌条，可以有效地降低由于CTE不同引起的热应力，从而避免开裂。当工作温度超过425℃（800℉）^[19]时，一般推荐使用镍基合金填充金属。镍基合金之所以有益，是因为它的CTE值介于碳钢和不锈钢之间。在上述温度范围内，其值在（14.4～16.2）×10^-6/℃[8～9μin/（in·℉）]数量级。这样，在焊接接头的横断面上CTE是逐渐变化的，而不是在熔合面上发生突然变化。镍基合金填充金属可以和碳钢及不锈钢都相容，因而采用诸如ENiCrFe-2（INCOA）或者ERNiCr-3（82合金）作为填充金属，可能有益于防止工作中产生蠕变破坏。然而这些焊缝熔敷金属是全奥氏体组织，所以要采取预防措施避免凝固裂纹，这将在9.4.9节中讨论。