9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)性能與失效評(píng)定曲線(xiàn)

劉長(zhǎng)軍，龔偉忠，曾 鑫，徐秀清，劉俊杰，談建平

(華東理工大學(xué)1.承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院，西安 710000)

0 引 言

9Ni鋼具有強(qiáng)度高、低溫韌性好、熱膨脹系數(shù)小以及焊接性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是深冷設(shè)備的理想材料，廣泛應(yīng)用于大型低溫液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐[3-5]。LNG儲(chǔ)罐體積龐大，其整體結(jié)構(gòu)中不可避免存在大量被視為薄弱結(jié)構(gòu)的焊接接頭，因此在LNG儲(chǔ)罐特殊低溫(-162 ℃)環(huán)境下對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能和儲(chǔ)罐安全性進(jìn)行評(píng)估至關(guān)重要。

9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)參數(shù)是LNG儲(chǔ)罐失效評(píng)定曲線(xiàn)建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，已經(jīng)對(duì)9Ni鋼在LNG儲(chǔ)罐低溫環(huán)境下的力學(xué)性能開(kāi)展了一些研究。王國(guó)平等[6]開(kāi)展了超低碳9Ni鋼焊接接頭和模擬焊接熱影響區(qū)低溫韌性的研究，發(fā)現(xiàn)在多道焊熱影響區(qū)組織中的馬氏體板條間析出了逆轉(zhuǎn)奧氏體，這種組織能提高焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。張敏等[7]進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)9Ni鋼焊接及熱處理工藝研究，結(jié)果顯示國(guó)產(chǎn)9Ni鋼接頭的低溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度均滿(mǎn)足美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)要求。朱青松等[8]分別采用手工電弧焊和埋弧焊對(duì)9Ni鋼板進(jìn)行焊接，結(jié)果顯示兩種焊接方法的焊接接頭都具有高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊和彎曲性能。然而，基于室溫和低溫下9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)建立失效評(píng)定曲線(xiàn)少有研究。

在失效評(píng)定技術(shù)方面，基于J積分理論發(fā)展起來(lái)的失效評(píng)定圖(FAD)法是國(guó)際上公認(rèn)的方法。應(yīng)用最為廣泛的英國(guó)R6標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)含缺陷均質(zhì)材料構(gòu)件的安全評(píng)價(jià)提供了3種選擇：R6選擇1曲線(xiàn)、R6選擇2曲線(xiàn)和R6選擇3曲線(xiàn)。R6選擇1曲線(xiàn)[10]是一條通用的、起篩選作用的簡(jiǎn)單而保守的失效評(píng)定曲線(xiàn)(FAC)，該曲線(xiàn)與結(jié)構(gòu)形式、材料和外載均無(wú)關(guān)；R6選擇2曲線(xiàn)是AINSWORTH[11]發(fā)展的參考應(yīng)力J積分失效評(píng)定曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)與結(jié)構(gòu)形式和加載方式無(wú)關(guān)，僅取決于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，計(jì)算簡(jiǎn)單；R6選擇3曲線(xiàn)[12]是一條精確的失效評(píng)定曲線(xiàn)，與材料、裂紋幾何尺寸和外載均有關(guān)，其計(jì)算工作量很大，尤其是對(duì)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算量巨大，在一般的工程中應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。早期焊接接頭都選擇母材與焊縫兩者中強(qiáng)度較差一方的材料作為接頭材料開(kāi)展研究，用均質(zhì)材料缺陷評(píng)定方法對(duì)含缺陷接頭進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。目前，失效評(píng)定技術(shù)鮮有在LNG儲(chǔ)罐等低溫設(shè)備上應(yīng)用，而且通用的R6選擇1曲線(xiàn)是否包絡(luò)9Ni鋼及其接頭，用強(qiáng)度較弱一方的均一材料對(duì)焊接接頭進(jìn)行安全評(píng)定是否合適，有待進(jìn)一步探討。

作者通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了9Ni鋼焊接接頭在室溫(20 ℃)和低溫(-158 ℃)下的拉伸和斷裂性能，對(duì)比分析了軋制鋼板取樣方向?qū)δ覆囊约皽囟葘?duì)母材、接頭和焊縫性能的影響；基于不同試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了9Ni鋼焊接接頭的失效評(píng)定曲線(xiàn)并進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用9Ni鋼及其焊接接頭由西安中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所提供。9Ni鋼板厚度為12 mm，熱處理工藝為淬火+回火；焊接方法采用埋弧自動(dòng)對(duì)接焊工藝，焊絲為ERNiCrMo-4，焊劑為Marathon104，焊接方向和軋制方向平行。

分別按照GB/T 228.3-2019和GB/T 228.1-2010，在INSTRON 8801型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫(-158 ℃)和室溫(20 ℃)拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸為φ12 mm×80 mm，標(biāo)距為40 mm,分別取接頭、母材和焊縫試樣。母材拉伸試樣的取樣方向有兩種，試樣軸線(xiàn)平行于焊縫方向和垂直于焊縫方向；接頭拉伸試樣的軸線(xiàn)垂直于焊縫方向，焊縫位于試樣中心位置；焊縫拉伸試樣的軸線(xiàn)平行于焊縫。每一種試樣各進(jìn)行3組平行試驗(yàn)并取平均值。

按照GB/T 21143—2014在INSTRON 8801型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫(-158 ℃)和室溫(20 ℃)斷裂韌性試驗(yàn)，采用緊湊拉伸(CT)試樣，具體幾何尺寸如圖1所示。CT試樣分為母材和焊縫試樣兩種：母材試樣的取樣方向有兩種，預(yù)制裂紋分別平行和垂直于焊縫方向；焊縫試樣的預(yù)制裂紋平行于焊縫。每一種試樣各進(jìn)行3組平行試驗(yàn)并取平均值。

圖1 CT試樣的形狀和尺寸

為了分析9Ni鋼母材在室溫及低溫下拉伸性能的差異，分別在母材室溫和低溫拉伸斷口附近取樣，使用JEM-2100型透射電鏡(TEM)對(duì)其組織進(jìn)行觀(guān)察，加速電壓為200 kV，放大倍數(shù)為40 000倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 取樣方向和溫度對(duì)拉伸性能的影響

由圖2可以看出：室溫和低溫下9Ni鋼焊接接頭母材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)形狀類(lèi)似，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度相差不大，但低溫下母材的斷后伸長(zhǎng)率明顯高于室溫；室溫和低溫下焊接接頭和焊縫的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均無(wú)屈服平臺(tái)，但焊縫試樣拉伸斷裂后的工程應(yīng)變可以達(dá)到一個(gè)較高的值，說(shuō)明焊縫的塑性?xún)?yōu)異。

圖2 不同溫度下接頭、母材和焊縫試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

由表1可以看出：9Ni鋼焊接接頭母材垂直和平行于焊縫方向的室溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相差約0.2%和0.5%，可以認(rèn)為取樣方向?qū)δ覆氖覝乩煨阅軒缀鯖](méi)有影響；在低溫下母材、接頭和焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比于室溫都有較大的提高，其中低溫下母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較室溫均提升了36%以上。低溫下母材強(qiáng)度提高的主要原因在于低溫下原子間距減小，吸引力增大，克服勢(shì)阱需要的外加能量增加，同時(shí)溫度越低塑性滑移開(kāi)動(dòng)越困難[13-14]。此外，無(wú)論是室溫還是低溫，母材、接頭和焊縫這三者的抗拉強(qiáng)度均相差不大；而對(duì)于屈服強(qiáng)度，母材明顯遠(yuǎn)大于接頭和焊縫，且焊縫的屈服強(qiáng)度始終最小。

表1 母材、接頭和焊縫試樣在不同溫度下的拉伸性能

對(duì)于一般的材料，隨著溫度降低，位錯(cuò)的形成更易在局部形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致解理斷裂更易發(fā)生[15]。而9Ni鋼在-158 ℃下未呈現(xiàn)變脆傾向，這與鋼中鎳含量較高相關(guān)；鎳可改善材料的低溫韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)細(xì)化晶粒，并且鎳的固溶會(huì)提高基體交叉滑移能力，減少間隙原子與位錯(cuò)的交互作用[13]。另外，由圖3可以看到，室溫拉伸后9Ni鋼母材試樣中的位錯(cuò)主要出現(xiàn)在較軟晶粒中，低溫下位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)更均勻，位錯(cuò)量增加。

圖3 不同溫度下拉伸后9Ni鋼母材試樣拉伸斷口附近的TEM形貌

由圖4可以看出，9Ni鋼焊接接頭試樣在低溫拉伸時(shí)均在焊縫處發(fā)生斷裂，斷口處頸縮現(xiàn)象不顯著，室溫拉伸時(shí)則在母材處發(fā)生斷裂，斷口頸縮現(xiàn)象較顯著，并且焊縫處也出現(xiàn)了程度較小的頸縮現(xiàn)象。實(shí)際觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，焊接接頭在室溫拉伸過(guò)程中，其焊縫金屬首先發(fā)生頸縮，但頸縮到一定程度時(shí)母材開(kāi)始頸縮直至斷裂；其原因在于室溫下焊縫金屬在經(jīng)過(guò)強(qiáng)化階段后的強(qiáng)度高于母材(圖2)。

圖4 焊接接頭試樣在不同溫度下拉伸斷裂后的形貌

2.2 取樣方向和溫度對(duì)斷裂韌性的影響

由表2可以看出：室溫下母材不同取樣方向的斷裂韌度KJC相差約1.4%，可以認(rèn)為取樣方向?qū)δ覆臄嗔秧g性幾乎沒(méi)有影響；低溫下母材的斷裂韌度明顯高于室溫下，提升約58.7%；焊縫在室溫和低溫下的斷裂韌度幾乎相同，且遠(yuǎn)低于相同溫度下的母材，推斷在室溫和低溫環(huán)境下焊縫相對(duì)于母材更易發(fā)生破壞。由拉伸性能及斷裂韌性可知，焊縫是9Ni鋼接頭的薄弱區(qū)域。

表2 母材和焊縫試樣在不同溫度下的斷裂韌度

3 9Ni鋼焊接接頭失效評(píng)定曲線(xiàn)的建立與分析

3.1 近似選擇2失效評(píng)定曲線(xiàn)建立方法

由前文可知，早期針對(duì)非均質(zhì)焊接接頭的缺陷評(píng)定，都選擇以母材與焊縫兩者中強(qiáng)度較差一方的材料作為接頭材料開(kāi)展研究，用均質(zhì)材料缺陷評(píng)定方法對(duì)含缺陷接頭進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。對(duì)于單材料而言，R6標(biāo)準(zhǔn)[9]根據(jù)材料拉伸曲線(xiàn)是否有屈服平臺(tái)給出了近似選擇2曲線(xiàn)的建立方法。適用于無(wú)屈服平臺(tái)材料的近似選擇2曲線(xiàn)表達(dá)式為

(1)

N=0.3(1-σs/σb)

(2)

μ=min[0.001(E/σs),0.6]

(3)

適用于有屈服平臺(tái)材料的近似選擇2曲線(xiàn)表達(dá)式為

(4)

λ=1+EΔε/σs

(5)

Δε=0.037 5(1-σs/1 000)

(6)

式中：上標(biāo)dy表示有屈服平臺(tái)；Δε為屈服平臺(tái)長(zhǎng)度。

R6選擇1曲線(xiàn)與材料、載荷、結(jié)構(gòu)形式均無(wú)關(guān)，是一種起篩選作用的簡(jiǎn)單而保守的失效評(píng)定曲線(xiàn)。為判斷R6選擇1曲線(xiàn)是否能對(duì)9Ni鋼焊接接頭進(jìn)行安全評(píng)定，將通用R6選擇1曲線(xiàn)也繪入缺陷評(píng)定圖中進(jìn)行對(duì)比研究。R6選擇1曲線(xiàn)的表達(dá)式為

(7)

3.2 基于單材料建立焊接接頭近似選擇2失效評(píng)定曲線(xiàn)

由圖5可以看出，在整個(gè)Lr有效區(qū)間內(nèi)，室溫下母材的近似選擇2曲線(xiàn)與低溫下幾乎重合，其包絡(luò)面積僅略低于低溫近似選擇2曲線(xiàn)，原因在于室溫下母材的屈強(qiáng)比(σs/σb)和低溫時(shí)非常接近，分別為0.937和0.942。因此，可用母材室溫拉伸性能代替低溫拉伸性能構(gòu)建失效評(píng)定曲線(xiàn)，對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行保守評(píng)價(jià)。另外，在整個(gè)Lr有效區(qū)間內(nèi)，室溫下焊縫的近似選擇2曲線(xiàn)包絡(luò)面積小于低溫下的近似選擇2曲線(xiàn)包絡(luò)面積，故可用焊縫室溫拉伸性能代替低溫拉伸性能構(gòu)建失效評(píng)定曲線(xiàn)，對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行保守評(píng)價(jià)。

圖5 基于不同溫度下母材和焊縫單材料性能建立的近似選擇2曲線(xiàn)

(8)

4 結(jié) 論

(1)9Ni鋼焊接接頭母材在不同方向上的室溫強(qiáng)度以及室溫和低溫?cái)嗔秧g度幾乎相同；低溫下母材的強(qiáng)度較室溫提升36%以上，斷裂韌度提高約58.7%；低溫下接頭和焊縫的拉伸性能優(yōu)于室溫，焊縫的斷裂韌度基本不隨溫度改變；不同溫度下焊縫的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度均低于母材。焊縫是9Ni鋼焊接接頭的薄弱區(qū)域。

(2)由母材和焊縫室溫拉伸性能構(gòu)建的近似選擇2失效評(píng)定曲線(xiàn)包絡(luò)區(qū)域面積均略小于由低溫拉伸性能構(gòu)建的近似選擇2失效評(píng)定曲線(xiàn)，故可用室溫拉伸性能構(gòu)建近似選擇2曲線(xiàn)對(duì)9Ni鋼焊接接頭進(jìn)行評(píng)定。