氮含量對308L熔敷金屬室溫和高溫力學性能的影響

鄒小平　徐鍇　徐亦楠　劉僑　王國佛　趙御民　田志偉

摘要：通過調整焊絲氮含量研究了氮含量對308L埋弧焊熔敷金屬室溫和350 ℃高溫拉伸強度的影響，測試了不同氮含量熔敷金屬拉伸性能。結果表明：熔敷金屬氮含量在0.046%～0.096%范圍內，隨著氮含量的增加，熔敷金屬室溫強度提高;氮含量由0.046%增加至0.077%時，熔敷金屬室溫強度明顯提高;氮含量由0.077%增加至0.096%時，熔敷金屬室溫強度無明顯變化。隨著氮含量的增加，熔敷金屬350 ℃高溫強度呈線性提高，延伸率和斷面收縮率等塑性指標無明顯變化。通過提高焊絲氮含量解決了308L埋弧焊熔敷金屬350 ℃高溫抗拉強度偏低的問題，研制出滿足三代核電要求的埋弧焊焊材HS308LH+SJ601H。

關鍵詞：埋弧焊;氮含量;350 ℃高溫抗拉強度

中圖分類號：TG422.3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0100-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.21

0 前言

堆內構件吊籃筒體母材材料為304/304H奧氏體不銹鋼，常用的焊接方法有熱絲TIG焊、焊條電弧焊和埋弧焊等。堆內構件安全等級為非承壓機械設備的安全級LS級、抗震類別為Ⅰ類、質量保證分級為Q1級的要求。其工作環境極其惡劣，不僅在高溫、高壓和強輻照下運行，并且長期承受冷卻劑的沖刷及沖刷引起的振動作用。為使堆內構件在核電站設計壽命期內保持良好的性能，確保反應堆的安全運行，保持反應堆結構的完整性和安全性，堆內構件選用的材料極為重要。焊接接頭是堆內構件結構上的薄弱環節。其焊接通常采用308L合金系列焊材，目前三代核電技術對350 ℃高溫拉伸性能提出了更高的要求，常規308L焊材已無法滿足此要求。

國內外已有大量關于氮對金屬性能的影響方面的研究，研究方向主要集中在氮的合金化，氮合金化是改善奧氏體不銹鋼強度的有效措施[1-2]。MA等[3]研究發現，N的固溶能明顯提高材料的屈服強度和抗拉強度，同時不降低其他力學性能和耐腐蝕性能。但是焊接過程中的不平衡凝固造成的偏析將導致焊縫成分組織相對于母材的不均勻，氮不僅能通過固溶來提高焊縫強度，還會改變焊縫組織從而影響焊縫強度。此外，氮在焊縫中不僅以固溶態存在，還可能以氮化物和氮氣孔的形式出現，焊縫中通常還會含有少量鐵素體，這些因素最終都會影響到焊縫強度，因而氮對焊縫強度的影響是復雜的[4-6]。目前關于氮對308L奧氏體不銹鋼焊縫強度的影響的研究還較少，文中采用不同氮含量的三種焊絲研究了氮含量對308L埋弧焊焊材熔敷金屬室溫和350 ℃高溫力學性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗用3種焊絲HS308LH為自行冶煉生產，規格均為4.0 mm，配套埋弧焊劑為自行研制生產的SJ601H。熔敷金屬主要化學成分如表1所示。

試板尺寸符合ASME SFA 5.4 第9節的規定。焊接工藝參數如表2所示。

焊前，試板及墊板均用鋼絲刷進行表面清理。試板焊接采用LINKON DC-1000電源及配套焊接設備。室溫全熔敷金屬拉伸試驗按AWS B4.0M標準進行，350 ℃全熔敷金屬拉伸試驗按ASTM E21標準進行，試樣直徑φ12.5 mm。

2 試驗結果及分析

2.1 熔敷金屬室溫拉伸性能

氮在焊縫中主要以固溶態存在，在奧氏體不銹鋼中，氮是最有效的固溶強化元素之一。研究表明，氮的大量加入可使奧氏體不銹鋼達到非常高的強度，塑性略微下降[8]。Pickering等人[9]將 88 種不同奧氏體不銹鋼的合金成分同強化機制聯系起來，回歸出如式（1）所示的奧氏體不銹鋼強度預測方程

回歸方程表明：在奧氏體不銹鋼中，氮的強化能力約為碳的1.6倍、鈦的18倍、鉬的45倍，氮在奧氏體中的固溶， 顯著提高了焊縫金屬的強度。N不但能引起FCC晶格畸變，還能在奧氏體不銹鋼中引起更強的位錯釘扎力，并導致奧氏體中的層錯堆垛能的降低。因此，N能有效提高奧氏體不銹鋼的屈服強度和抗拉強度。Labusch研究結果表明，奧氏體不銹鋼強度與（N原子分數）2/3呈線性關系，強度與N含量的關系見式（1）;國內相關研究表明，每增加0.0l%的N，奧氏體不銹鋼的室溫強度將提高6～10 MPa。但是當焊縫中w（N）超過其固溶度極限時，容易出現氮氣孔和氮化物，從而影響焊縫強度。SWIKA[7]建立了氮在液態Fe-N-X系合金中的溶解度表達式，依次計算氮在308L不銹鋼中凝固溫度的最大溶解度約為0.2%，試驗中3種焊絲熔敷金屬中均未觀察到氮氣孔和氮化物，3種熔敷金屬焊態顯微組織如圖1所示，由圖1可知，熔敷金屬組織為奧氏體+δ-鐵素體，未見明顯差異。因此可以認為本試驗中氮在熔敷金屬中全部以固溶態存在，無析出強化等因素影響熔敷金屬強度。

試驗測試了3種熔敷金屬室溫拉伸性能，結果如表3所示。可以看出，熔敷金屬氮含量由0.046%增加到0.077%時，其屈服強度隨氮含量的增加提高了44 MPa，平均每增加0.01% w（N）屈服強度提高約14 MPa，但是熔敷金屬氮含量由0.077%增加到0.096%時，熔敷金屬屈服強度無明顯變化。熔敷金屬氮含量由0.046%增加到0.077%時，其抗拉強度提高了47 MPa，平均每增加0.01% w（N）抗拉強度提高約15 MPa，但是熔敷金屬氮含量由0.077%增加到0.096%時，熔敷金屬抗拉強度無明顯變化。

由此可見，w（N）在0.046%～0.096%范圍內時，隨著氮含量的增加，熔敷金屬強度有所提高，氮含量增加至0.077%后強度趨于穩定，如圖2所示。熔敷金屬塑性隨氮含量的增加而降低。

2.2 熔敷金屬高溫拉伸性能

試驗測試了3種焊絲熔敷金屬350 ℃高溫拉伸性能，結果如表4所示。可以看出，1#焊絲熔敷金屬抗拉強度不滿足三代核電要求，2#和3#焊絲熔敷金屬抗拉強度滿足三代核電要求。熔敷金屬氮含量由0.046%增加到0.096%時，其350 ℃屈服強度和抗拉強度均隨氮含量的增加而提高，平均每增加0.01% w（N），其屈服強度提高約13.5 MPa，抗拉強度提高約11 MPa。臧華勛等[6]研究表明：氮在TP347H奧氏體不銹鋼高溫持久蠕變過程中可以抑制奧氏體晶粒的長大和鐵素體相的形成。但過多的氮可能會形成脆性的Cr2N相。因此在奧氏體不銹鋼中添加適量的氮可以明顯改善其高溫持久性能 。

由此可見，當w（N）在0.046%～0.096%范圍內時，隨著氮含量的增加，熔敷金屬350 ℃屈服強度和抗拉強度隨氮含量的增加呈線性增加，如圖3所示。對塑性無明顯影響。為了滿足三代核電350 ℃高溫拉伸抗拉強度大于等于395 MPa的要求，w（N）需控制在0.077%以上。

3 結論

（1）對于308L焊接材料，隨著熔敷金屬中氮含量的增加，熔敷金屬室溫強度提高。w（N）由0.046%增加至0.077%時，平均每增加0.01% w（N）抗拉強度提高約15 MPa，但當w（N）由0.077%增加到0.096%時，熔敷金屬抗拉強度無明顯變化。

（2）w（N）在0.046%～0.096%范圍內，隨著氮含量的增加，熔敷金屬350 ℃屈服強度和抗拉強度呈線性提高。w（N）>0.077%以上時可保證滿足三代核電高溫拉伸性能要求。

（3）通過控制焊絲中氮含量解決了 308L埋弧焊熔敷金屬350 ℃高溫抗拉強度偏低問題，研制出滿足三代核電要求的埋弧焊焊材HS308LH+SJ601H。

參考文獻：

[1] 張田宏，杜義. 碳和氮元素對高強度奧氏體焊縫組織和性能的影響[J]. 焊接學報，2007，28（7）：82-84.

[2] 郎宇平，康喜范. 氮對奧氏體不銹鋼力學性能和腐蝕性能影響的研究[A]. 第三屆北京冶金年會論文集[C]. 北京：2002.

[3] MA L M，LI Y X，LIANG G J. Effect of hydrogen on 21-7-9 austenitic steel at low temperature[C]. Advances inCryogenic Engineering，1988（34）：325-333.

[4] 劉金湘，孫凡，俞增強，等. 核級高溫液態金屬泵用奧氏體不銹鋼窄間隙細絲埋弧焊焊接工藝技術研究[J]. 電焊機，2019，49（6）：56-60.

[5] 仲崇惠，包曄峰，陳輝. 氮元素對不銹鋼堆焊層抗腐蝕性能的影響[J]. 電焊機，2018，48（5）：101-104.

[6] 臧華勛，羅林，徐剛，等. 氮對TP347H耐熱奧氏體不銹鋼室溫拉伸和高溫持久性能的影響[J]. 鋼鐵，2009，44（8）：81-84.

[7] SIWKA J. Nitrogen solubility in liquid iron alloys contai-ning High amounts of chromium and manganese in hyper-baric conditions[J]. Arch.， Metall.，1990，35（3）：449-461

[8] 楊鋼，劉正東，程世長. 氮含量對0Cr19Ni9N不銹鋼鍛件力學性能的影響[J]. 鋼鐵研究學報，2003，15（2）：34-37.

[9] Pickerring F B. Some beneficial effects of nitrogen in steel[C]. France：Conference HNS-88，1988

收稿日期：2020-07-26

作者簡介：鄒小平（1986— ），男，碩士，工程師，主要從事核電焊接相關技術的研究。E-mail：zouxiaoping@cgnpc.com.cn。