30408 不銹鋼焊縫高溫下力學性能研究

張 勇 梁子西 王加寧 胡效東

（1.山東百特機械設備有限公司，臨沂 276000；2.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

30408 奧氏體不銹鋼的焊接性能和延展性能良好，常用于高溫壓力容器和壓力管道，且廣泛應用于化工機械和電器等行業[1-2]。高溫拉伸試驗主要用來檢測金屬材料不同溫度下的力學性能，且測試時要保證將試樣加熱到所需溫度[3]。國內外學者已經對材料的高溫力學性能進行了研究[4-5]。例如：Brnic J 等研究了304 不銹鋼在高溫下力學性能對蠕變的影響，并證明304 不銹鋼可以作為耐蠕變的材料[6]；王殊尋等人研究發現，在一定范圍內升高溫度能改善30408不銹鋼的塑性，但溫度升高到600℃時，材料晶界明顯出現弱化現象[7]。本文以30408 不銹鋼材料作為研究對象，測試母材和帶焊縫兩種試樣的拉伸性能，對比分析兩種不同試樣在不同高溫下的屈服強度和抗拉強度等力學性能。

1 焊接工藝設計

本文采用的材料為固溶處理后的30408 奧氏體不銹鋼板，尺寸為16mm（厚）×100mm（長）×200mm（寬），并采用金屬分析光譜儀測試得到其化學成分含量，如表1所示。取試樣前的母材和帶焊縫材料，如圖1 所示。

表1 30408 奧氏體不銹鋼的化學成分

圖1（b）試板采用GTAM 打底且SMAW 填充及蓋面的焊接方法，按照表2 中的焊接工藝參數對接焊接給定的試板。焊接前，采用機械方法及有機溶劑清理焊絲和焊接部位表面的鐵銹、油漬以及其他污物。

圖1 取試樣前的母材和帶焊縫材料

2 試樣的制備及試驗裝置

2.1 試樣的制備

母材和帶焊縫材料的拉伸試樣取樣位置，如圖2 所示，位于厚度中間位置[8]。兩種試樣按照《金屬材料拉伸實驗-高溫實驗方法》GB/T 228.2—2015 進行設計和加工，且試樣尺寸為Φ8mm×160mm×M15mm，設計圖紙及試樣加工后的實物分別如圖3 和圖4 所示。

表2 30408 不銹鋼板材的焊接工藝參數

圖2 高溫拉伸試樣取樣示意圖

圖3 高溫拉伸試樣設計圖（單位：mm）

圖4 試樣加工后的實物圖

2.2 試驗裝置及試驗方法

高溫拉伸試驗采用MTS 647 高溫拉伸材料試驗機，測定兩種不同試樣在500℃、600℃和700℃下的力學性能，如圖5 所示。

圖5 MTS 647 高溫拉伸材料試驗機

試樣拉伸前的溫度參數如表3 所示，試樣的加熱曲線如圖6 所示。

表3 試驗拉伸前的溫度參數

圖6 試樣的加熱曲線

3 試驗結果分析

3.1 高溫下斷裂方式分析

無焊縫試樣和帶焊縫試樣分別在500℃、600℃以及700℃溫度下拉伸的斷裂宏觀照片如圖7 所示。

圖7 不同溫度下拉伸試樣的斷口形狀

由圖7（a）可得：母材試樣在高溫拉伸過程中為延性斷裂；斷口為杯錐狀斷口，由纖維區、放射區和表面光滑的剪切唇構成，且溫度越高，斷面收縮率越大[9]。由圖7（b）可知：帶焊縫試樣在500℃和600℃下拉伸的斷口為典型的延性斷裂，而700℃下拉伸的斷裂接近于脆性斷裂,斷口較齊整且位于焊縫處。

3.2 高溫下試件的拉伸強度和拉伸應變分析

母材試樣和帶焊縫試樣分別在500 ℃、600 ℃以及700℃溫度下拉伸的強度和應變，如圖8 所示。

圖8 不同溫度下試樣的拉伸曲線

由圖8 可知，母材試樣在3 個溫度下的拉伸強度分別為405MPa、360MPa 和220MPa，拉伸應變分別約為0.42、0.33 和0.26；帶焊縫試樣拉伸強度在3 個溫度下分別為380MPa、320MPa 和180MPa，拉伸應變分別為0.34、0.27和0.11。

通過數據對比，在相同的高溫環境下，母材試樣的拉伸強度和拉伸應變都大于帶焊縫試樣。但是，隨著試驗溫度的升高，兩種試樣的拉伸強度和拉伸應變都將降低。

4 結論

本文進行了30408 奧氏體不銹鋼母材試樣和帶焊縫試樣分別在500℃、600℃和700℃溫度下的高溫拉伸試驗，可得出如下結論：

（1）30408 奧氏體不銹鋼母材試樣和帶焊縫試樣在500℃和600℃溫度下的斷裂為延性斷裂，而在700℃溫度下的斷口較平整；

（2）通過數據對比，在相同的高溫環境下，母材試樣的拉伸強度和拉伸應力都大于帶焊縫試樣；

（3）隨著試驗溫度的升高，兩種試樣的拉伸強度和拉伸應力均降低。