S30408焊接接头低温力学性能试验

第52卷第2期2018年2月浙 江 大 学 学 报(工学版)J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y (E n g i n e e r i n g Sc i e n c e )V o l .52N o .2F e b .2018收稿日期:20161220.网址:w w w.z j u j o u r n a l s .c o m /e n g /f i l e u p/H T M L /201802002.h t m 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016Y F C 0801905).作者简介:丁会明(1990 ),男,博士生,从事新能源储运装备与深冷压力容器等研究.o r c i d .o r g/0000-0002-4145-8013.E -m a i l :d d h h m m 558@163.c o m.通信联系人:吴英哲,男,助理研究员.o r c i d .o r g /0000-0002-7246-8767.E -m a i l :y z w u @z ju .e d u .c n D O I :10.3785/j.i s s n .1008-973X.2018.02.002S 30408焊接接头低温力学性能试验丁会明1,吴英哲1,郑津洋1,2,3,陈朝晖4,尹立军4(1.浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027;3.高压过程装备与安全教育部工程研究中心,浙江杭州310027;4.全国锅炉压力容器标准化技术委员会,北京100029)摘 要:为了研究国产奥氏体不锈钢S 30408在低温下的力学性能变化规律,通过-196~20ħ下的低温拉伸试验和冲击试验,获得S 30408焊接接头与母材的低温拉伸性能和冲击性能数据.试验结果表明:焊接接头与母材的屈服强度和抗拉强度随温度降低呈现明显的增加趋势,低温强化效应显著;夏比冲击吸收能量和侧膨胀值则随温度降低呈现下降趋势;焊缝处铁素体含量最高,冲击韧性最差,且焊缝处冲击韧性的降低与其本身在低温下抵抗裂纹扩展能力的降低有关;铁素体分布的不均匀性致使焊接接头存在微观力学性能的差异,对接头处变形产生塑性拘束,削弱了焊接接头的承载能力.关键词:不锈钢;深冷容器设计;焊接接头;低温强度;冲击韧性中图分类号:T G407 文献标志码:A 文章编号:1008973X (2018)02021707E x p e r i m e n t a l s t u d y o n l o w -t e m p e r a t u r em e c h a n i c a l p r o pe r t i e s of S 30408w e l d e d j o i n t sD I N G H u i -m i n g 1,WU Y i n g -z h e 1,Z HE N GJ i n -y a n g 1,2,3,C H E NZ h a o -h u i 4,Y I NL i -ju n 4(1.I n s t i t u t e o f P r o c e s sE q u i p m e n t ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u 310027,C h i n a ;2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fF l u i dP o w e r a n d M e c h a n i c a lS y s t e m s ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y H a n g z h o u 310027,C h i n a ;3.H i g h -P r e s s u r eP r o c e s sE q u i pm e n t a n dS a f e t y E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,H a n gz h o u 310027,C h i n a ;4.C h i n aS t a n d a r d i z a t i o n C o m m i t t e e o nB o i l e r s a n dP r e s s u r eV e s s e l s ,B e i j i n g 100029,C h i n a )A b s t r a c t :T e n s i l ea n di m p a c t t e s t sa t -196~20ħw e r ec o n d u c t e do u t t oo b t a i nt h e l o w -t e m pe r a t u r e t e n s i l e p r o p e r t i e sa n di m p a c tt o u g h n e s so ft h eS 30408b a s e m e t a la n d w e l d e d j o i n t .T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e y i e l d s t r e n g t ha n d t e n s i l e s t r e n g t hof b o t hb a s em e t a l a n dw e l d e d j o i n t s ig n i f i c a n t l y i n c r e a s ew i t ht e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g d u et oth ec r y o g e ni cs t r e n g t h e n i n g e f f e c t .T h e C h a r p y a b s o r b e d e n e r g y a n d l a t e r a l e x p a n s i o n t e n d t o d e g r a d ew h e n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s .T h ew e l d i n g zo n e h a s t h ew o r s t i m p a c t t o u g h n e s s b e c a u s e i t c o n t a i n s t h e l a r g e s t a m o u n t o f t h e f e r r i t e c o n t e n t .T h e r e d u c t i o n o f t h e i m p a c t t o u g h n e s s i n t h ew e l d i n g z o n e i s r e l a t e d t o t h ed e c r e a s i n g i n t h e c r a c k p r o p a g a t i o nr e s i s t a n c e a t c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e s .T h ei n h o m o ge n e o u sf e r r i t ed i s t r i b u t i o ni nt h e w e l d e d j o i n tl e a d st on o n -u n i f o r m m i c r o -m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw h i c h c a u s e s a p l a s t i c c o n s t r a i n t o n t h e d e f o r m a t i o n ,a n d c o n s e q u e n t l y r e s u l t s i n t o a w e a ku l t i m a t eb e a r i ng c a p a c i t y o f th ew e l d e d jo i n t .K e y wo r d s :s t a i n l e s s s t e e l ;c r y o g e n i c p r e s s u r e v e s s e l d e s i g n ;w e l d e d j o i n t ;c r y o g e n i c s t r e n g t h ;i m p a c t t o u gh n e s s奥氏体不锈钢制深冷压力容器是液氦㊁液氮㊁液氧㊁L N G 等冷冻液化气体储存和运输的主要工具.随着天然气等清洁能源需求量的迅速增加,奥氏体不锈钢制深冷压力容器也受到越来越多的关注[1-2].目前,在设计深冷压力容器时,国家标准G B 1502011[3]和G B /T 184422011[4]等规定,当设计温度低于20ħ时,采用20ħ下的许用应力,未充分利用奥氏体不锈钢在低温下的力学性能,从而造成材料性能的过渡冗余和容器增重.从奥氏体不锈钢在低温环境下的实际力学性能出发,对深冷压力容器进行设计,无疑更加合理.相比常规设计方法,基于低温力学性能的设计可允许选用更高的许用应力,充分利用奥氏体不锈钢在低温下的力学性能,实现深冷压力容器的轻量化设计.作为深冷压力容器的重要组成部分,焊接接头在低温下的力学性能将直接决定深冷压力容器的服役性能,对容器安全性和轻量化设计有重要影响.针对奥氏体不锈钢焊接接头低温力学特性的研究,国内外学者已开展了一些工作.I b r a h i m 等[5]通过实验对比分析了304L ㊁316L 和双相不锈钢2505焊接接头在-196~25ħ下的低温冲击韧性;M i l i t i t s k y 等[6]研究了无镍奥氏体不锈钢在-196~150ħ下的冲击断裂行为;舒翔宇等[7]研究了预拉伸和非预拉伸S 30408焊接接头在-196ħ下的冲击性能;毛楠[8]研究了316L 不锈钢焊接接头的组织分布和在-196ħ下的低温冲击韧性.但是,针对国产奥氏体不锈钢S 30408焊接接头在-196~20ħ下力学性能变化规律的系统性研究甚少.本文针对奥氏体不锈钢S 30408焊接接头,进行-196~20ħ下拉伸试验和冲击试验,探讨了S 30408焊接接头在低温环境下的力学性能变化规律,为基于低温力学性能的深冷压力容器轻量化设计提供基础数据.1 材料与试验方法1.1 材料试验材料为经固溶热处理的国产奥氏体不锈钢S 30408,钢板厚度为16m m ;焊丝为H 03C r 21N i 10S i ,直径为3.2m m.钢板和焊丝化学成分如表1所示,表中w B 为质量分数.表1 板材和焊丝的化学成分T a b .1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f t h e p l a t e a n dw e l d i n g wi r e 材料名称w B/%CS iM nPSC rN iNS 304080.0400.431.100.0300.00118.168.010.04H 03C r 21N i 10S i0.0190.422.070.0130.00618.8910.181.2 焊接工艺焊接接头采用埋弧自动焊(S AW ),V 型坡口,进行平板对接焊接.焊接电流为460A ,电弧电压为30V ,焊接线速度为500m m /m i n,层间温度为100ħ,焊接过程示意图如图1所示.图1 埋弧焊焊接过程示意图F i g .1 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f S AW w e l d i n gpr o c e s s 1.3 试样尺寸拉伸试验采用平行段直径为5m m 的等截面圆棒试样,冲击试验采用10ˑ10ˑ55m m 的标准冲击试样(每3个一组),试样尺寸如图2所示.图2 拉伸试样和冲击试样尺寸F i g .2 S a m p l e s i z e s f o r t e n s i l e t e s t s a n d i m pa c t t e s t s 1.4 试验条件拉伸试验和冲击试验分别在8个温度点(-196㊁-160㊁-120㊁-80㊁-40㊁-20㊁0㊁20ħ)下进行,拉伸试验的应变速率为3ˑ10-4s -1.在拉伸试验和冲击试验前,对试样进行20m i n 保温处理,保证试样达到稳定的热平衡状态.812浙 江 大 学 学 报(工学版) 第52卷1.5试验设备拉伸试验在深冷疲劳试验机装置926L X C T1502上进行,该试验机可实现材料在-196~100ħ下的拉伸试验,最大载荷为150k N.冲击试验在金属摆锤夏比冲击试验机J B D300C上进行,试验机量程为450J,最小分辨率为0.1J.侧膨胀值则采用数显游标卡尺测量,最小分辨率为0.01m m.2讨论与分析2.1低温拉伸性能通过-196~20ħ下的低温拉伸试验,获得了S30408焊接接头与母材在低温下的应力应变关系曲线,如图3所示.图中,εn为工程应变,σn为工程应力.随温度降低,应力应变关系曲线逐渐由抛物线状变为倒 S 形,而且在低温下出现了屈服平台.试验曲线与P a r k等[9-12]在低温下获得的奥氏体不锈钢低温应力应变曲线变化规律相似,表明了本试验结果的有效性.图3母材和焊接接头不同温度下的应力应变关系曲线F i g.3 E n g i n e e r i n g s t r e s s-s t r a i nc u r v e so fb a s e m e t a la n dw e l d e d j o i n t s a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s屈服强度㊁抗拉强度和断后延伸率等拉伸性能指标随温度的变化规律,如图4所示.图中,θ为温度, R p0.2为屈服强度,R m为抗拉强度,A为断后伸长率.由图4母材与焊接接头在-196~20ħ下的拉伸性能F i g.4 L o w-t e m p e r a t u r e t e n s i l e p r o p e r t i e so fb a s e m e t a la n dw e l d i n g j o i n t s a t-196~20ħ20ħ到-196ħ,屈服强度和抗拉强度显著提升,表现出明显的低温强化效应.其中,母材的屈服强度增加了55.7%,抗拉强度增加了112.7%;焊接接头的屈服强度增加了67.2%,抗拉强度增加了133.8%.另一方面,随温度降低,材料的断后伸长率降低.在低温试验中,由于试样内部和外表面在初始降温过程中存在一定温度差,致使试样内部承受一定的压应力而产生塑性变形,使晶粒得到一定程度的细化[13],晶界面积增加.金属在受拉伸后,晶粒的滑移带终止在晶界附近,形成位错塞积,随着位错塞积数目的增加,材料呈现出了强化效果[14-15].另一方面,变形过程中的马氏体转变[16],都会致使不锈钢抵抗塑性变形的能力增加,在低温下表现出更高的强度.但是,随温度降低,奥氏体不锈钢在低温下912第2期丁会明,等.S30408焊接接头低温力学性能试验[J].浙江大学学报:工学版,2018,52(2):217223.空位平衡浓度降低,临界孔洞体积分数和失效孔洞分数变小,不锈钢在较低的变形下发生断裂失效,使其断后伸长率降低[17].此外,奥氏体不锈钢在低温下会有孪生变形,而孪生变形本身提供的变形量小,也会使其在低温下产生塑性变形的能力降低[18-19].对比E N1002872016[20]中给出的1.4301在-196ħ下的性能参考值(见表2),与其化学组成相似的S30408在低温下的实测性能均已超过标准值.可见,S30408焊接接头与母材在-196ħ下有良好的拉伸性能.表2-196ħ下材料力学性能对比T a b.2 C o m p a r i s o no fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a t-196ħ材料名称R p0.2/M P a R m/M P a A/% 1.4301300125030.0母材464170640.6焊接接头627154834.4由图4可知,在相同温度下,焊接接头比母材拥有更高的屈服强度,但是抗拉强度和断后延伸率明显低于母材值.与由纯奥氏体相组成的母材相比,焊接接头部位不仅有奥氏体相,还有铁素体相.根据焊丝化学成分和WR C1992相组分图[21]可知,在焊缝冷却过程中,铁素体作为先析出相,形成凹凸不平的奥氏体铁素体晶界[8],在一定程度上增加了晶界处位错滑移的阻力[22],使得焊接接头对微量塑性变形的抗力增加,表现出更高的屈服强度.同时,铁素体相的形成能够阻碍一次奥氏体组织的长大和具有强烈的形核效果,能够细化奥氏体组织,也有助于焊缝强度的提高.但是,铁素体相的存在使焊接接头对变形过程中产生的缺陷更加敏感,易形成裂纹源[23],削弱焊接接头承载能力.另一方面,微观组成相的不均匀性会致使局部力学性能存在差异性[24].如图5(a)所示为焊接接头横截面经腐蚀后的样貌,可以清晰辨认出焊缝的形状,利用铁素体测量仪F e r i t s c o p eF M P30对焊接接头不同区域的铁素体含量进行测量,获得了铁素体含量分布云图(图5(b)),w F为铁素体质量分数.从图中可以看出,焊缝处铁素体含量最高,并向两边递减,焊接接头处存在明显的铁素体分布不均匀性.在热影响区附近,铁素体形态主要为长条状(见图6(a));在焊缝处则存在枝状铁素体和絮状铁素体(图6(b)).这种微观组织形态的差异和含量分布的不均匀性会导致局部力学性能的差异,对焊接接头的变形产生塑性拘束,致使焊缝与热影响区之间容易产生应力突变[25-26],削弱焊接接头的承载能力,从而使焊接接头的抗拉强度和断后延伸率低于母材值.2.2低温冲击性能冲击试验是衡量金属材料韧性的常用方法,可图5焊接接头横截面及铁素体含量分布F i g.5 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fw e l d e d j o i n t s c r o s s-s e c t i o na n d f e r r i t e c o n t e n t d i s t r ib u t i o n i nc r o s s-s e c t i on图6焊接接头不同区域处的铁素体微观形态F i g.6 D i f f e r e n t f e r r i t em i c r o s t r u c t u r e s i n h e a t-a f f e c t e d z o n ea n dw e l d i n g z o n e以评定材料断裂时吸收变形能量的能力和表征抵抗裂纹扩展的水平,主要评价指标为夏比冲击吸收能量和侧膨胀值.母材㊁焊缝和热影响区在低温冲击试022浙江大学学报(工学版)第52卷验过程中的载荷位移曲线如图7所示.图中,x 为位移,F 为载荷.随温度降低,载荷位移曲线变窄,曲线包围的面积减少,抵抗断裂的能力降低,但仍具有低温韧性断裂特征.图7 不同温度下的冲击载荷位移曲线F i g .7 L o a d -d i s p l a c e m e n t t r a c e s o f i m p a c t t e s t s a t d i f f e r e n t t e m pe r a t u r e s 随温度降低,焊接接头与母材的夏比冲击吸收能量和侧膨胀值均显著降低,低温对材料的冲击韧性有明显削弱,如图8所示.图中,K V 2为夏比冲击吸收能量,L E 为侧膨胀值.随温度降低,不锈钢抵图8 焊接接头与母材在-196~20ħ下冲击性能F i g .8 I m p a c tt o u g h n e s s p r o pe r t i e so fb a s e m e t a la n d w e l d e d jo i n t s a t-196~20ħ抗塑性变形的能力增加,产生塑性变形的能力降低,焊接接头冲击韧性降低,在冲击载荷位移曲线则表现出更高的冲击载荷峰值和较低的位移值.从20ħ到-196ħ,母材的夏比冲击吸收能量下降了60.8%,侧膨胀值降低了33.4%;焊缝区的夏比冲击吸收能量下降了44.5%,侧膨胀值降低了68.7%;热影响区的夏比冲击吸收能量降低了50.2%,侧膨胀值降低了45.3%.在整个温度范围内,母材冲击韧性最好,热影响区次之,焊缝最差.E N 1002872016[2]规定奥氏体不锈钢板材在低温下的夏比冲击吸收能量不得低于60J,本文中母材在-196ħ下的夏比冲击吸收能量为163.5J,远高于标准规定.另一方面,焊缝处的夏比冲击吸收能量为51.6J ,高于N B /T 470142011[27]中规定的31J ;侧膨胀值为0.44m m ,满足A S M E B P V C .V I I I .12017[28]中侧膨胀值不低于0.38m m 的规定.可见,S 30408焊接接头在-196~20ħ范围内有良好的低温冲击韧性.对比母材在低温下的夏比冲击吸收能量,焊缝处较之平均低70.1%,热影响区处较之平均低42.5%,这与焊接接头组织中存在的铁素体相有关.铁素体相含量越高,焊接接头的冲击韧性越差,甚至由韧性断裂转变为脆性断裂[5].由图5可知,焊缝处铁素体含量最高,w F =8%~14.3%;热影响区处铁素体含量为2.5%~5.2%.相比热影响区处排列比较规则的长条状铁素体,焊缝处的枝状铁素体和絮状铁素体对变形中产生的缺陷更加敏感[12],易成为裂纹源,致使焊缝部位冲击韧性变差.122第2期丁会明,等.S 30408焊接接头低温力学性能试验[J ].浙江大学学报:工学版,2018,52(2):217223.对于冲击过程中的载荷位移曲线,通常认为裂纹在载荷达到最大值时开始形成,并将最大载荷前曲线包围的面积称为裂纹形成能量[29].根据焊缝在不同温度下的冲击曲线,获得了裂纹形成能量在低温下的变化规律,如图9所示.图中,Q J 为裂纹形成能量,K 为裂纹形成能量占比.由图9(a)可见,随温度降低,裂纹形成能量呈现了先增加后降低的变化趋势,在-196~20ħ下有峰值,明显不同于夏比冲击吸收能量随温度的变化规律.图9(b)展示了裂纹形成能量在整个夏比冲击吸收能量中所占比例的变化趋势.随温度降低,裂纹形成能量占比增加,表明焊缝在低温冲击断裂的过程中,有更多的能量用于阻止裂纹的形成,保持结构完整性.另一方面,裂纹形成能量占比增加,导致用于阻止裂纹扩展的能量份额减少,试样阻止裂纹扩展的能力降低,一旦裂纹形成,裂纹将迅速扩展,致使试样快速发生断裂.由此可见,焊缝在低温下阻止裂纹扩展能力的降低是致使其低温冲击韧性变差的重要因素.通过国产奥氏体不锈钢S 30408焊接接头在低温下的一系列拉伸试验和冲击试验,结果表明S 30408焊接接头有良好的低温综合力学性能.在低温环境下,较高的屈服强度和抗拉强度允许S 30408在设计时可以选用更高的许用应力,充分利用材料的低温性能,实现图9 焊缝处裂纹形成能量在-196~20ħ下的变化规律F i g .9 V a r i a t i o no fc r a c kf o r m a t i o n e n e r g y in w e l d z o n ea t -196~20ħ深冷容器的轻量化设计,而良好的冲击韧性则保证了深冷容器具有足够抵抗低温冲击断裂的能力.3 结 论本文以国产奥氏体不锈钢S 30408焊接接头为研究对象,通过-196~20ħ下的拉伸试验和冲击试验研究,得出以下结论:(1)与室温相比,在-196ħ下,焊接接头的屈服强度增加了67.2%,抗拉强度增加了133.8%;母材屈服强度增加了55.7%,抗拉强度增加了112.7%.由于低温对材料晶粒有细化作用,在变形过程中有更多滑移塞积形成,使材料抵抗塑性变形的能力增加,表现出明显的低温强化效应.(2)铁素体的存在增加了初始位错滑移的阻力,使焊接接头比母材表现出更高的屈服强度.但是铁素体的非均匀性分布致使焊接接头存在微观力学性能不均匀性,在接头变形的过程中产生塑性拘束,削弱了焊接接头的承载能力,相对母材呈现了较低的抗拉强度值.(3)在-196~20ħ下,母材冲击韧性最好,热影响区次之,焊缝区最差.铁素体含量越高,低温冲击韧性越差,存在较高铁素体含量的焊缝区有较低的夏比冲击吸收能量和侧膨胀值.在深冷压力容器制造过程中,应对焊缝区的铁素体含量加以控制.参考文献(R e f e r e n c e s):[1]S H IX ,V A R I AM H M P .G a s a n dL N Gt r a d i n g h u b s ,h u bi n d e x a t i o na n dd e s t i n a t i o nf l e x i b i l i t y in E a s t A s i a [J ].E n e r g y P o l i c y,2016,96:587596.[2]L E E J ,R Y U Y ,K I M N ,e ta l .S t u d w e l d i n g f o r f i x a t i o no fc r y o g e n i ci n s u l a t i o n o f m e m b r a n et a n k si n L N G s h i p b u i l d i n g [J ].T r a n s a c t i o n s o f N o n f e r r o u s M e t a l s S o c i e t y o fC h i n a ,2009,19:s 271s 275.[3]G B1502011.压力容器[S ].北京:中国标准出版社,2012.G B1502011.P r e s s u r 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