ASME规范第I卷学习札记(7) 第四部分 制造(中)(节选)
Studying Notes For ASME Code Sec. I(7)Part Four Fabrication(Part B)

吕翔LU Xiang
上海发电设备成套设计研究所Shanghai Power Equipment Research Institute

简要说明学习ASME规范第I卷制造方面规则的理解,主要内容为:预热和焊后热处理。
Comprehensions while studying the rules for fabrication in ASME Code Sec. I, the main contents of this paper are:preheat and postweld heat treatment. .

ASME规范;第I卷;制造
ASME Code;Sec. I;Fabric

 四、预热和焊后热处理

1.理论基础
        预热和焊后热处理是两个不同的作业,目的也不同,预热主要为了防止产生冷裂纹和降低焊接应力,而焊后热处理则是为了改善焊接接头的金属组织和力学性能,或消除残余应力。但两者又有一定的联系,一个是它们都与焊接热循环有因果关系,另一个是它们与材料的化学成分有关。
        现根据焊接冶金和金属学,对这种因果关系和影响因素作简要说明。
(1)焊接热循环

        在焊接热源(例如焊条所产生的电弧热)作用下,焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。这个过程有四个参数,即:加热速度、峰值温度、在相变温度以上的停留时间、冷却速度。现将峰值温度和冷却速度与预热和焊后热处理的关系作简要说明。
a.峰值温度
        峰值温度的含义为:焊接接头各部位的最高温度,熔合区最高,约1350℃~1300℃,热影响区则逐步降低,约1200℃~600℃,从而造成以下两个问题.:
        (a)冷却后各部位的金属组织和性能不同,有的是马氏体,有一部分是残余奥氏体,为了得到较好的综合力学性能,需进行高温回火。
        (b)各部位峰值温度不同和热传导所形成的温度场,在焊件内产生热应力。与管道的热胀冷缩相比,焊接时的温度场要复杂得多。
b.冷却速度
        为防止产生冷裂纹,在焊接热循环方面要控制两个冷却速度:
        (a)奥氏体转变阶段的冷却速度,通常用800℃冷却到500℃的时间来表示,这个时间间隔越长,转变后的组织为珠光体,反之,就会产生马氏体淬硬组织,降低焊接接头的抗裂性能。
        (b)熔池中氢逸出阶段的冷却速度,通常用熔敷金属凝固时的最高温度冷却到100℃的时间来表示,这个时间越长,大部分氢已在较高的温度下从焊缝金属中逸入大气,残留在焊缝金属中的扩散氢含量很少,对焊接接头塑性的影响很小。
(2)化学成分
a.材料分类
        材料的化学成分除了影响力学和工艺性能外,对焊接性能也有很大影响,主要为材料的淬硬倾向。
        材料化学成分与焊接性能的关系,通常用反映材料对冷裂纹敏感性的碳当量来评定,即:把材料中各种合金元素按其对焊接性能的影响换算成碳的含量,并与含碳量相加后得到的一种总含碳量。为了简化,ASME规范用P-No这个分类号来表示材料化学成分与焊接性能的关系。
b.淬硬倾向
        在冷裂纹的影响因素中,除了冷却速度外,还与材料的化学成分有关,碳当量较大的材料,冷却时易产生片状马氏体,它是一种脆硬的金属组织,这种趋势称为材料的淬硬倾向。
(3)钢的相变
a.相
        在金属学中,把同一金属在固态下的不同晶体结构称为同素异构体,把具有一定化学成分和晶体结构并由界面分开的金属组织称为相。同素异构体与相是两个有联系的不同概念。
        在一定条件(温度、浓度)下,某一种相会转变为另一种相,称为相变,产生这种相变的温度称为相变温度。
        铁的同素异构体有两种,一个是晶体结构为体心立方晶格的α-铁,另一个是面心立方晶格的γ-铁。
        钢作为一种铁碳合金,有三种基本的相:
        (a)奥氏体:碳溶于γ-铁的固溶体,通常称为γ相,金属组织全部为γ相的温度区间称为γ相区;
        (b)铁素体:碳溶于α-铁的固溶体,通常称为α相;
        (c)渗碳体:碳与铁以化合物(Fe3 C)形式组成的一种晶体结构。
        钢的相变有两种基本形式,一种是加热时的奥氏体化,另一种是冷却时奥氏体的转变。
b.加热时的相变
        珠光体在加热到某一温度(约727℃)以上时会发生相变,该温度称为平衡共析温度A1,这个过程称为奥氏体化,共三个阶段:
        (a)奥氏体形成:在铁素体与渗碳体的界面上生成奥氏体晶核,此时钢的体积会膨胀。实际加热时珠光体转变为奥氏体的开始温度称为下转变温度,用符号Ac1表示。
        (b)奥氏体晶粒长大:奥氏体晶核分别向与铁素体和渗碳体的界面扩展,形成奥氏体晶粒并继续长大。
        (c)铁素体和渗碳体的消失:温度继续升高时,由于分解和扩散作用,铁素体和渗碳体会全部转变为奥氏体,转变终了时的温度称为上转变温度,用符号Ac3表示。此时钢的体积不再膨胀。
        Ac1与Ac3间的温度区间称为临界区(inter critical zone)。
        根据这种体积膨胀的特点,可用膨胀仪测得钢的Ac1和Ac3。现将《机电工程金属材料手册》中几种锅炉常用牌号的相变温度引用于表4-2以见其一斑。
        表4-2常用牌号的相变温度

牌号

20

12CrMo

15CrMo

12Cr1MoV

Ac1

735

720

745

774~805

Ac3

855

880

845

882~923

c.冷却时的相变
        将奥氏体由A1冷却到某一转变温度T,在此恒定温度下经时间间隔为t的孕育期,奥氏体会发生转变,A1-T称为过冷度,(A1-T)/ t称为冷却速度。
        奥氏体冷却时转变所得到的金属组织主要有两种,即珠光体和马氏体。
        (a)珠光体:在较高的转变温度(约650℃~550℃)下经等温转变,成为铁素体和渗碳体的机械混合物,称为珠光体。
        (b)马氏体:以较大的冷却速度冷却到较低的转变温度(约300℃上下)会转变为马氏体。马氏体与铁素体一样,也是碳在α-铁中的固溶体,不同的是:马氏体中,碳在α-铁中是过饱和的,而铁素体中碳的溶解度极低。
        奥氏体转变为马氏体所需要的最小冷却速度称为临界速度。
(4)化学成分对相变的影响
        为了正确选用预热和焊后热处理温度,必须了解化学成分对相变的影响,现将有关内容简要说明如下。
a.Ac1和Ac3
        化学成分对相变温度的影响有两方面:
        (a)γ相区:凡扩大γ相区的元素都会使Ac3降低,反之则使Ac3升高。
        (b)A1:凡使Ac3降低的元素也会使A1降低,从而使Ac1降低,反之则使Ac1升高,换言之,某一元素对Ac3和Ac1的影响是同向的。
        可将化学成分按其对Ac1和Ac3的影响分为两类,一类是使Ac1和Ac3降低的元素,主要为C、Mn、Ni,另一类是影响相反的元素,主要为Si、Cr、Mo、V等。
b.马氏体组织
        化学成分对马氏体转变的影响有两方面。
        (a)组织的形态:碳当量较小的钢,所形成马氏体组织的形态基本上是条状的,强度较低而塑性较高,碳当量较大时主要为片状的马氏体,强度高而塑性低。
        (b)临界速度:碳当量较小的钢,由奥氏体转变为马氏体所需的孕育期t较短,亦即临界速度Vc较高,碳当量较大的则Vc较低,亦即只要不大的冷却速度就可以转变为淬硬的马氏体组织。

2.预热
(1)概述(略)
(2)化学成分(略)
(3)拘束度(略)
(4)高温力学性能(略)
(5)厚度(略)

3.焊后热处理
(1)类别
        第Ⅸ卷QW-407对焊后热处理工艺分为以下三类:
(略)
(2)回火(略)
(3)热处理参数
        热处理工艺有两个重要参数,即保温温度和保温时间。GB/T7232《金属热处理工艺术语》对它们给出以下定义:保温温度为工件保持恒温的温度,保温时间为工件在恒定温度下保持的时间。对强制性的回火来说,虽然起主要作用的是保温温度,但保温时间对应力松弛的影响也不容忽视。现将表PW-39中对这两个参数的规定简要说明如下。
a.保温温度
 (略)
b.保温时间
(略)
(4)无强制性要求的焊缝
        表PW-39对受压件的焊后热处理虽然是强制性的,但并非一刀切,而是以表注的形式,说明对不同材料、不同受压件上的不同焊缝,有一些焊缝的焊后热处理是非强制性的,现将这三不同中的主要内容汇总并简要说明如下。
a.对接接头
(略)
b.管接头连接焊缝
 (略)
c.非受压件连接焊缝
 (略)
(5)加热方法
(略)
a.均热带
 (略)
b.分段加热
 (略)
c.局部加热
  (略)

4.我国的规定
        我国在预热和焊后热处理方面与第I卷的主要差别有以下两项:
(1)无强制性焊后热处理要求的焊缝
        第I卷有具体规定,使用较便,例如满足规定条件的环缝、管接头连接焊缝等,都是值得借鉴的。在另一方面,同材料的相同焊缝,第I卷对不要求焊后热处理厚度的规定严于我国,对此需进一步分析研究。
(2)加热方法
        第I卷的规定较为具体,特别是建立了均热带这个术语,使各种焊缝的局部热处理都有章可循

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