M-A組元對低溫壓力容器用鋼09 M n NiDR焊接接頭的影響

馬世成 周冰峰 楊 銳

（德州市產品檢驗檢測研究院 德州 253000）

M-A組元對低溫壓力容器用鋼09 M n NiDR焊接接頭的影響

馬世成 周冰峰 楊 銳

（德州市產品檢驗檢測研究院 德州 253000）

本文比較了09MnNiDR焊接接頭在焊態和SR態的組織、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，以及經去應力退火后M-A組元明顯分解的現象，同時試驗表明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鋼是我國自主研發的一種-70℃低溫壓力容器用鋼，憑借其優越的低溫韌性，在低溫壓力容器中獲得廣泛應用[1-6]。目前國內外對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09MnNiDR鋼焊接接頭的影響，本文通過對比研究了09MnNiDR焊接接頭在焊態和SR態的組織、拉伸性能和擺錘沖擊性能，重點研究了M-A組元對09MnNiDR鋼焊接接頭的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

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

表1 試驗用鋼化學成分Wt/%

表2 焊絲化學成分Wt/%

1.2 試驗方法

試驗采用林肯雙絲埋弧焊機，為保證09MnNiDR鋼焊接接頭的性能采用多道次焊接，試驗焊接規范參數見表3。

表3 焊接規范參數

從兩塊焊接鋼板中任取一塊進行去應力退火（SR，stress relief annealing）處理，其去應力退火工藝為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。

焊接接頭拉伸試驗參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸實驗方法》，對09MnNiDR焊接態和SR態的焊接接頭進行拉伸實驗，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度部分的中間，拉伸試樣的形狀、尺寸如圖1所示，拉伸實驗在WAW-1000微機控制電液伺服萬能實驗機上進行。

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸

最后分別從09MnNiDR焊接態和SR態兩塊鋼板上切取10mm×10mm×55mm的V型缺口標準沖擊試樣，沖擊試驗按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，試驗溫度為-70℃。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

圖2為掃描電鏡下觀察焊態和SR態焊接接頭的組織，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，并伴有細長條狀的M-A島；從圖2（c）可以看出，在熱影響區組織中也存在M-A組元，不同的是，熱影響區內的M-A組元呈細長條狀，且分布具有方向性，可見M-A組元不僅出現在焊縫組織中，而且還會出現在熱影響區內。

09MnNiDR鋼在焊態下出現M-A組元的主要原因是，高溫奧氏體在向針狀鐵素體的轉變過程中，碳不斷向未發生轉變的奧氏體中擴散，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，未發生轉變的奧氏體一部分轉變為馬氏體，而另一部分來不及轉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和SR態焊接接頭的組織組織

從圖2（b） 、圖2（d）可以看出，經過去應力退火后，大部分的M-A組元已分解。為了證明這一點，通過電子探針（EPMA）對比研究了在焊態和SR態兩種狀態下熱影響區C含量的測定，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組元經去應力退火后發生明顯分解，分解出含C量更高的碳化物。

圖3 焊態和SR態下熱影響區的C含量

2.2 拉伸試驗分析

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

表4 拉伸試驗結果

2.3 沖擊試驗分析

沖擊試驗結果見表5。經去應力退火后焊接接頭的低溫韌性較焊態有了大幅度改善，這是由于經去應力退火后焊接接頭中M-A組元分解的緣故。文獻[16-19]都認為大塊狀的M-A組元對韌性不利，一方面是由于M-A組元是針狀鐵素體基體中的硬顆粒，在受載時很難發生塑性變形，而強度相對較低的針狀鐵素體易發生塑性變形，于是保持原有形態的M-A組元阻礙了針狀鐵素體變形，這種變形的不協調必然會產生不協調力；另一方面是由于M-A組元阻礙了位錯運動，位錯塞積在M-A組元與針狀鐵素體之間的界面上，M-A組元對塞積的位錯產生力的作用，同樣塞積的位錯也會對M-A組元產生位錯力，在不協調力和位錯力共同作用下形成了局部應力集中，當共同作用達到一定程度時，就會在晶界處產生微裂紋，微裂紋會沿M-A組元擴展至針狀鐵素體基體內，導致沖擊試樣產生解理斷裂。

表5 -70℃沖擊試驗結果

3 結論

1）09MnNiDR鋼在焊態下，在焊縫和熱影響區內均有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，并伴有細長條狀的M-A島，而熱影響區組織內的M-A組元呈細長條狀，且分布具有方向性。

2）經去應力退火后M-A組元明顯分解，M-A組元的分解對強度影響不大，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，從事承壓類特種設備檢驗、無損檢測、理化分析及基礎科學研究工作。

馬世成，E-mail： Mshch1000820@163.com。

2017-04-07）