Carbide Development in the Heat Affected Zone of Tempered and Post-Weld Heat Treated 2.25Cr-1Mo Steel Weldments

Abstract In this work, welds were fabricated in thick section 2.25Cr-1Mo steel pipe using the temper bead and conventional weaving procedures. The development of alloy carbides in the heat affected zone of each weldment during tempering at 538 °C was studied and compared to those achieved by post-weld heat treatment at 725 °C. As-welded samples were tempered either at 538 °C for up to 4000 hours to simulate operating temperature exposure or at 725 °C for 3 hours to simulate post-weld heat treatment. Carbon extraction replicas were taken from the heat affected zone and analyzed using transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The grain boundary carbide distribution, areal fraction, carbide species distribution and carbide chemistry were determined. In the as-welded condition, the major carbide species was M3C with minor amounts of fine, globular M2C. Also, M3C dissolved and M7C3, M23C6 and M6C developed during aging. Post-weld heat treatment over-aged the heat affected zone and coarse, globular carbides (identified as M7C3, M23C6, M6C and M2C) developed primarily at the grain boundaries. Only a small amount of fine, acicular M2C was observed. Carbides within the temper bead heat affected zone aged more rapidly than those in the conventional weaving heat affected zone as a result of the initial martensitic temper bead heat affected zone microstructure. Previous work had shown that the temper bead heat affected zone toughness decreased after 1000 hours at 538 °C. This correlated with the coarsening and agglomeration of the grain boundary carbides. Dans ce travail, on a soudé des sections épaisses d'acier 2.25 Cr-1 Mo, pour tuyau, en utilisant des procédés de cordon revenu ou de cordon balancé conventionnel. On a étudié le développement des carbures de l'alliage dans la zone affectée par la chaleur de chaque construction soudée lors du revenu à 538 °C. On a comparé ces carbures à ceux obtenus avec un traitement thermique après soudage, à 725 °C. On a fait revenir les échantillons de brut de soudage soit à 538 °C jusqu'à 4000 heures, pour simuler une exposition à la température d'opération, soit à 725 °C pendant trois heures, pour simuler le traitement thermique après soudage. On a fait des répliques de carbone dans la zone affectée par la chaleur et on les a analysées par microscopie électronique à transmission (TEM) et par spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS). On a déterminé la distribution de carbure dans les joints de grain, leur fraction superficielle, la distribution des espèces de carbure ainsi que leur chimie. Pour les bruts de soudage, la principale espèce de carbure était le M3C, avec des quantités mineures de M2C, fin et globulaire. Également, le M3C s'est dissous alors que le M7C3, le M23C6 ainsi que le M6C se sont développés. Le traitement thermique après soudage a vieilli excessivement la zone affectée par la chaleur et des carbures grossiers et globulaires (identifiés comme étant M7C3, M23C6, M6C et M2C) se sont développés principalement dans les joints de grain. On a observé seulement une petite quantité de M2C, fin et aciculaire. Les carbures de la zone affectée par la chaleur du cordon revenu ont vieilli plus rapidement que ceux de la zone affectée par la chaleur du cordon balancé conventionnel, résultant de la microstructure martensitique initiale du premier cas. Un travail précédent a montré que la ténacité de la zone affectée par la chaleur du cordon revenu diminuait après 1000 heures à 538 °C. Ceci était corrélé au grossissement et à l'agglomération des carbures aux joints de grain.