9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)性能與失效評定曲線

劉長軍，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)與安全教育部重點實驗室，2.機械與動力工程學(xué)院，上海 200237；3.中國石油天然氣集團公司石油管工程技術(shù)研究院，西安 710000)

0 引 言

9Ni鋼具有強度高、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[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)儲罐[3-5]。LNG儲罐體積龐大，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儲罐特殊低溫(-162 ℃)環(huán)境下對焊接接頭的力學(xué)性能和儲罐安全性進行評估至關(guān)重要。

9Ni鋼焊接接頭的力學(xué)參數(shù)是LNG儲罐失效評定曲線建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，已經(jīng)對9Ni鋼在LNG儲罐低溫環(huán)境下的力學(xué)性能開展了一些研究。王國平等[6]開展了超低碳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]進行了國產(chǎn)9Ni鋼焊接及熱處理工藝研究，結(jié)果顯示國產(chǎn)9Ni鋼接頭的低溫沖擊韌性和抗拉強度均滿足美國材料試驗協(xié)會(ASTM)標準要求。朱青松等[8]分別采用手工電弧焊和埋弧焊對9Ni鋼板進行焊接，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)建立失效評定曲線少有研究。

在失效評定技術(shù)方面，基于J積分理論發(fā)展起來的失效評定圖(FAD)法是國際上公認的方法。應(yīng)用最為廣泛的英國R6標準[9]對含缺陷均質(zhì)材料構(gòu)件的安全評價提供了3種選擇：R6選擇1曲線、R6選擇2曲線和R6選擇3曲線。R6選擇1曲線[10]是一條通用的、起篩選作用的簡單而保守的失效評定曲線(FAC)，該曲線與結(jié)構(gòu)形式、材料和外載均無關(guān)；R6選擇2曲線是AINSWORTH[11]發(fā)展的參考應(yīng)力J積分失效評定曲線，該曲線與結(jié)構(gòu)形式和加載方式無關(guān)，僅取決于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，計算簡單；R6選擇3曲線[12]是一條精確的失效評定曲線，與材料、裂紋幾何尺寸和外載均有關(guān)，其計算工作量很大，尤其是對三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算量巨大，在一般的工程中應(yīng)用是不現(xiàn)實的。早期焊接接頭都選擇母材與焊縫兩者中強度較差一方的材料作為接頭材料開展研究，用均質(zhì)材料缺陷評定方法對含缺陷接頭進行安全評價。目前，失效評定技術(shù)鮮有在LNG儲罐等低溫設(shè)備上應(yīng)用，而且通用的R6選擇1曲線是否包絡(luò)9Ni鋼及其接頭，用強度較弱一方的均一材料對焊接接頭進行安全評定是否合適，有待進一步探討。

作者通過試驗測試了9Ni鋼焊接接頭在室溫(20 ℃)和低溫(-158 ℃)下的拉伸和斷裂性能，對比分析了軋制鋼板取樣方向?qū)δ覆囊约皽囟葘δ覆摹⒔宇^和焊縫性能的影響；基于不同試樣的試驗數(shù)據(jù)建立了9Ni鋼焊接接頭的失效評定曲線并進行了對比分析。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用9Ni鋼及其焊接接頭由西安中國石油天然氣集團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對接焊工藝，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型電液伺服試驗機上進行低溫(-158 ℃)和室溫(20 ℃)拉伸試驗，拉伸試樣尺寸為φ12 mm×80 mm，標距為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，試樣軸線平行于焊縫方向和垂直于焊縫方向；接頭拉伸試樣的軸線垂直于焊縫方向，焊縫位于試樣中心位置；焊縫拉伸試樣的軸線平行于焊縫。每一種試樣各進行3組平行試驗并取平均值。

按照GB/T 21143—2014在INSTRON 8801型電液伺服試驗機上進行低溫(-158 ℃)和室溫(20 ℃)斷裂韌性試驗，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。每一種試樣各進行3組平行試驗并取平均值。

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)對其組織進行觀察，加速電壓為200 kV，放大倍數(shù)為40 000倍。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 取樣方向和溫度對拉伸性能的影響

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)變曲線形狀類似，屈服平臺長度相差不大，但低溫下母材的斷后伸長率明顯高于室溫；室溫和低溫下焊接接頭和焊縫的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線均無屈服平臺，但焊縫試樣拉伸斷裂后的工程應(yīng)變可以達到一個較高的值，說明焊縫的塑性優(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

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度和抗拉強度相差約0.2%和0.5%，可以認為取樣方向?qū)δ覆氖覝乩煨阅軒缀鯖]有影響；在低溫下母材、接頭和焊縫的屈服強度和抗拉強度相比于室溫都有較大的提高，其中低溫下母材的屈服強度和抗拉強度較室溫均提升了36%以上。低溫下母材強度提高的主要原因在于低溫下原子間距減小，吸引力增大，克服勢阱需要的外加能量增加，同時溫度越低塑性滑移開動越困難[13-14]。此外，無論是室溫還是低溫，母材、接頭和焊縫這三者的抗拉強度均相差不大；而對于屈服強度，母材明顯遠大于接頭和焊縫，且焊縫的屈服強度始終最小。

表1 母材、接頭和焊縫試樣在不同溫度下的拉伸性能

對于一般的材料，隨著溫度降低，位錯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，同時細化晶粒，并且鎳的固溶會提高基體交叉滑移能力，減少間隙原子與位錯的交互作用[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主要出現(xiàn)在較軟晶粒中，低溫下位錯開動更均勻，位錯量增加。

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。實際觀察發(fā)現(xiàn)，焊接接頭在室溫拉伸過程中，其焊縫金屬首先發(fā)生頸縮，但頸縮到一定程度時母材開始頸縮直至斷裂；其原因在于室溫下焊縫金屬在經(jīng)過強化階段后的強度高于母材(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%，可以認為取樣方向?qū)δ覆臄嗔秧g性幾乎沒有影響；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鋼焊接接頭失效評定曲線的建立與分析

3.1 近似選擇2失效評定曲線建立方法

由前文可知，早期針對非均質(zhì)焊接接頭的缺陷評定，都選擇以母材與焊縫兩者中強度較差一方的材料作為接頭材料開展研究，用均質(zhì)材料缺陷評定方法對含缺陷接頭進行安全評價。對于單材料而言，R6標準[9]根據(jù)材料拉伸曲線是否有屈服平臺給出了近似選擇2曲線的建立方法。適用于無屈服平臺材料的近似選擇2曲線表達式為

(1)

N=0.3(1-σs/σb)

(2)

μ=min[0.001(E/σs),0.6]

(3)

適用于有屈服平臺材料的近似選擇2曲線表達式為

(4)

λ=1+EΔε/σs

(5)

Δε=0.037 5(1-σs/1 000)

(6)

式中：上標dy表示有屈服平臺；Δε為屈服平臺長度。

R6選擇1曲線與材料、載荷、結(jié)構(gòu)形式均無關(guān)，是一種起篩選作用的簡單而保守的失效評定曲線。為判斷R6選擇1曲線是否能對9Ni鋼焊接接頭進行安全評定，將通用R6選擇1曲線也繪入缺陷評定圖中進行對比研究。R6選擇1曲線的表達式為

(7)

3.2 基于單材料建立焊接接頭近似選擇2失效評定曲線

由圖5可以看出，在整個Lr有效區(qū)間內(nèi)，室溫下母材的近似選擇2曲線與低溫下幾乎重合，其包絡(luò)面積僅略低于低溫近似選擇2曲線，原因在于室溫下母材的屈強比(σs/σb)和低溫時非常接近，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)建失效評定曲線，對含缺陷結(jié)構(gòu)進行保守評價。另外，在整個Lr有效區(qū)間內(nèi)，室溫下焊縫的近似選擇2曲線包絡(luò)面積小于低溫下的近似選擇2曲線包絡(luò)面積，故可用焊縫室溫拉伸性能代替低溫拉伸性能構(gòu)建失效評定曲線，對含缺陷結(jié)構(gòu)進行保守評價。

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

(8)

4 結(jié) 論

(1)9Ni鋼焊接接頭母材在不同方向上的室溫強度以及室溫和低溫斷裂韌度幾乎相同；低溫下母材的強度較室溫提升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失效評定曲線包絡(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失效評定曲線，故可用室溫拉伸性能構(gòu)建近似選擇2曲線對9Ni鋼焊接接頭進行評定。