M-A組元對(duì)低溫壓力容器用鋼09 M n NiDR焊接接頭的影響

馬世成 周冰峰 楊 銳

（德州市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 德州 253000）

M-A組元對(duì)低溫壓力容器用鋼09 M n NiDR焊接接頭的影響

馬世成 周冰峰 楊 銳

（德州市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 德州 253000）

本文比較了09MnNiDR焊接接頭在焊態(tài)和SR態(tài)的組織、拉伸性能和擺錘沖擊性能，揭示了09MnNiDR鋼在焊接過程中有M-A組元出現(xiàn)，以及經(jīng)去應(yīng)力退火后M-A組元明顯分解的現(xiàn)象，同時(shí)試驗(yàn)表明M-A組元的分解可以大幅度改善焊接接頭的低溫韌性。

09MnNiDR鋼 M-A組元 低溫韌性

09MnNiDR鋼是我國(guó)自主研發(fā)的一種-70℃低溫壓力容器用鋼，憑借其優(yōu)越的低溫韌性，在低溫壓力容器中獲得廣泛應(yīng)用[1-6]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)09MnNiDR鋼的研究主要集中在焊接接頭的性能及焊后熱處理等方面[7-14]，很少有人探討M-A組元對(duì)09MnNiDR鋼焊接接頭的影響，本文通過對(duì)比研究了09MnNiDR焊接接頭在焊態(tài)和SR態(tài)的組織、拉伸性能和擺錘沖擊性能，重點(diǎn)研究了M-A組元對(duì)09MnNiDR鋼焊接接頭的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為熱軋09MnNiDR鋼經(jīng)正火+回火處理后的鋼板，且鋼板厚度為20mm。其化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)所用焊絲為H09MnNiDR的承壓設(shè)備埋弧焊用鋼焊絲，其化學(xué)成分見表2。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分Wt/%

表2 焊絲化學(xué)成分Wt/%

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用林肯雙絲埋弧焊機(jī)，為保證09MnNiDR鋼焊接接頭的性能采用多道次焊接，試驗(yàn)焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

表3 焊接規(guī)范參數(shù)

從兩塊焊接鋼板中任取一塊進(jìn)行去應(yīng)力退火（SR，stress relief annealing）處理，其去應(yīng)力退火工藝為570℃×2h，分別從兩塊鋼板上切取金相試樣，試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、4%的硝酸酒精腐蝕后，并在FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡和JEOL JXA-8530F電子探針下觀察顯微組織。

焊接接頭拉伸試驗(yàn)參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)方法》，對(duì)09MnNiDR焊接態(tài)和SR態(tài)的焊接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，確定斷裂部位。拉伸試樣從垂直于焊縫軸線方向截取，試樣加工完成后，焊縫的軸線位于試樣平行長(zhǎng)度部分的中間，拉伸試樣的形狀、尺寸如圖1所示，拉伸實(shí)驗(yàn)在WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸

最后分別從09MnNiDR焊接態(tài)和SR態(tài)兩塊鋼板上切取10mm×10mm×55mm的V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，沖擊試驗(yàn)按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-70℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

圖2為掃描電鏡下觀察焊態(tài)和SR態(tài)焊接接頭的組織，從圖2（a）可以看出，焊縫組織為針狀鐵素體基體上分布著雜亂無序的塊狀M-A組元，并伴有細(xì)長(zhǎng)條狀的M-A島；從圖2（c）可以看出，在熱影響區(qū)組織中也存在M-A組元，不同的是，熱影響區(qū)內(nèi)的M-A組元呈細(xì)長(zhǎng)條狀，且分布具有方向性，可見M-A組元不僅出現(xiàn)在焊縫組織中，而且還會(huì)出現(xiàn)在熱影響區(qū)內(nèi)。

09MnNiDR鋼在焊態(tài)下出現(xiàn)M-A組元的主要原因是，高溫奧氏體在向針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變過程中，碳不斷向未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體中擴(kuò)散，使碳不易在g/a相界面聚集，抑制了滲碳體的形成[15]，然后在隨后的冷卻過程中，未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體一部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而另一部分來不及轉(zhuǎn)變便以殘余奧氏體的形式保留下來，于是形成了富碳的M-A組元。

圖2 掃描電鏡下觀察焊態(tài)和SR態(tài)焊接接頭的組織組織

從圖2（b） 、圖2（d）可以看出，經(jīng)過去應(yīng)力退火后，大部分的M-A組元已分解。為了證明這一點(diǎn)，通過電子探針（EPMA）對(duì)比研究了在焊態(tài)和SR態(tài)兩種狀態(tài)下熱影響區(qū)C含量的測(cè)定，如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，M-A組元中的C含量比針狀鐵素體基體中C含量高很多；從圖3（b）可以看出，M-A組元經(jīng)去應(yīng)力退火后發(fā)生明顯分解，分解出含C量更高的碳化物。

圖3 焊態(tài)和SR態(tài)下熱影響區(qū)的C含量

2.2 拉伸試驗(yàn)分析

表4為拉伸試驗(yàn)結(jié)果，無論是焊態(tài)還是去應(yīng)力退火后的焊接接頭，拉伸試樣的斷裂位置都在母材，說明焊接接頭的強(qiáng)度高于母材，具有良好的抗拉性能，通過比較兩種狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果，表明M-A組元的分解對(duì)焊接接頭強(qiáng)度影響不大，略有下降。這是因?yàn)镸-A組元屬于硬脆相，具有很高的強(qiáng)度；經(jīng)去應(yīng)力退火處理后M-A組元分解為含C量更高的碳化物和鐵素體，從而導(dǎo)致強(qiáng)度有所下降。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 沖擊試驗(yàn)分析

沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表5。經(jīng)去應(yīng)力退火后焊接接頭的低溫韌性較焊態(tài)有了大幅度改善，這是由于經(jīng)去應(yīng)力退火后焊接接頭中M-A組元分解的緣故。文獻(xiàn)[16-19]都認(rèn)為大塊狀的M-A組元對(duì)韌性不利，一方面是由于M-A組元是針狀鐵素體基體中的硬顆粒，在受載時(shí)很難發(fā)生塑性變形，而強(qiáng)度相對(duì)較低的針狀鐵素體易發(fā)生塑性變形，于是保持原有形態(tài)的M-A組元阻礙了針狀鐵素體變形，這種變形的不協(xié)調(diào)必然會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)力；另一方面是由于M-A組元阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)塞積在M-A組元與針狀鐵素體之間的界面上，M-A組元對(duì)塞積的位錯(cuò)產(chǎn)生力的作用，同樣塞積的位錯(cuò)也會(huì)對(duì)M-A組元產(chǎn)生位錯(cuò)力，在不協(xié)調(diào)力和位錯(cuò)力共同作用下形成了局部應(yīng)力集中，當(dāng)共同作用達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)在晶界處產(chǎn)生微裂紋，微裂紋會(huì)沿M-A組元擴(kuò)展至針狀鐵素體基體內(nèi)，導(dǎo)致沖擊試樣產(chǎn)生解理斷裂。

表5 -70℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1）09MnNiDR鋼在焊態(tài)下，在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)均有M-A組元存在，不同的是焊縫組織中的M-A組元主要呈塊狀，分布雜亂，并伴有細(xì)長(zhǎng)條狀的M-A島，而熱影響區(qū)組織內(nèi)的M-A組元呈細(xì)長(zhǎng)條狀，且分布具有方向性。

2）經(jīng)去應(yīng)力退火后M-A組元明顯分解，M-A組元的分解對(duì)強(qiáng)度影響不大，但可以大幅度改善焊接接頭的低溫韌性。

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The In fl uence of M-A Constituent on the Welded Joint of Low Temperature Pressure Vessel Steel 09MnNiDR

Ma Shicheng Zhou Bingfeng Yang Rui
(Dezhou Institute of Product Inspection and Testing Dezhou 253000)

In this paper, the microstructure, tensile properties and impact absorbed energy of 09MnNiDR welded joint in the welded and SR states were compared. The research revealed the martensite-austenite constituent was generated in the welding process of the steel, and the apparent decomposition of M-A group after annealing by stress annealing, in the meantime, the performance of low-temperature toughness of the joint improved remarkable after the annealing.

09MnNiDR steel M-A constituent Low-temperature toughness

X933.4

B

1673-257X（2017）10-0020-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.005

馬世成（1984～)，男，碩士，工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)、無損檢測(cè)、理化分析及基礎(chǔ)科學(xué)研究工作。

馬世成，E-mail： Mshch1000820@163.com。

2017-04-07）