低温环境对9%Ni钢SMAW接头低周疲劳性能的影响

赵勇臻 李 芳，2 蔡 艳，，2 华学明，2

(1．上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240;2．高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240)

低温环境对9%Ni钢SMAW接头低周疲劳性能的影响

赵勇臻1李 芳1，2蔡 艳，1，2华学明1，2

(1．上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240;2．高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240)

对9%Ni钢焊条电弧焊接头的低周疲劳性能进行了测试，绘制了室温环境的应变－寿命曲线，测试了低温(－180℃)环境下高应变幅值(0．6%)的低周疲劳寿命，观察了不同测试温度的试样断口，分析低温环境对裂纹萌生和裂纹扩展过程的影响。结果表明，在高应变幅值循环作用下，9%Ni钢接头在低温环境中出现循环硬化效应，而在室温中出现循环软化效应，表明低温环境有助于减缓9%Ni钢接头的裂纹萌生过程，裂纹的扩展速度在低温时有所增加。

含镍低温钢 焊条电弧焊接头 低周疲劳 低温环境

0 序 言

随着能源消耗量的增长，天然气成为全球范围内需求量增长最快的化石燃料。LNG船是运输LNG重要途径，其建造技术难度高、附加值高、使用过程中安全性要求极高，被誉为世界造船业皇冠上的明珠。在长距离运输过程中，海浪、大风造成的液体晃荡造成对储罐侧壁的周期性载荷，带来疲劳失效的潜在风险。此外，LNG储罐服役过程中反复承受加载－卸载的应力循环，也会导致结构中应力集中区损伤场发生变化，逐渐积累以致于萌生疲劳裂纹，最终发生断裂。

9%Ni钢作为大型LNG船液货围护系统建造的主要钢材，在低温下依然具有优良的韧性和较高的强度［1］。目前，9%Ni钢主要的焊接方法为焊条电弧焊和埋弧焊，前者由于操作灵活，在实际生产中被广泛应用。液化天然气的沸点为－163℃，9%Ni钢储罐在这种低温环境中服役的安全性一直是关注的热点。为了考察9%Ni钢焊接接头在低温环境中的韧性，国内外学者采用低温冲击、低温CTOD等方法展开了深入研究［2－3］，也有学者对9%Ni钢母材的室温疲劳寿命进行了测试［4］，但对焊接接头低温疲劳性能的研究尚少见报道。因此，开展相关测试和分析，显然对于LNG船的建造和服役都是必要的。

文中在室温(23℃)下完成了不同总应变幅(0．25%，0．3%，0．6%)的9%Ni钢焊条电弧焊接头疲劳寿命测试，绘制了E－N曲线;在低温(－180℃)环境中采用0．6%应变幅进行了等幅循环疲劳试验;分析了不同测试环境下疲劳裂纹萌生和扩展的特征，以及温度对试样循环响应特性和疲劳断口形貌的影响。

1 试验材料与方法

试验所采用的材料为南京钢铁股份有限公司生产的X7Ni9钢板，供货状态为淬火+回火(QT)。母材的厚度为20 mm，化学成分见表1，该材料碳含量很低，硫、磷等杂质也得到良好控制。选用伯乐公司生产的ENiCrMo－6 型焊条，符合美国 AWS A5．14/A5．14M 标准。焊条直径为4．0 mm，其化学成分见表2。

图1为X7Ni9钢板的显微组织，主要以回火马氏体为主。该材料在室温下的抗拉强度为708 MPa，屈服强度为669 MPa。

表1 9%Ni钢母材化学成分(质量分数，%)

试样坡口和焊道布置如图2所示，焊接位置为立向上焊，钝边间隙为1～2 mm，各道焊接参数，见表3，层间温度控制在100～120℃。

表2 ENiCrMo－6焊条化学成分(质量分数，%)

图1 9%Ni钢母材的组织

图2 试样坡口和焊道布置示意图

低周疲劳试样按GB/T 5248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》进行设计，其尺寸如图3所示，试样表面经严格抛光处理。

表3 9%Ni钢焊条电弧焊接数

图3 低周疲劳试样尺寸

分别在室温(23℃)和低温(－180℃)环境下进行疲劳寿命测试，试验设备为MTS电液伺服试验机Landmark 100 kN，循环波形为三角波，应变比R=－1，应变速率恒定为0．002 4/s。采用跨度为12．5 mm的轴向引伸计测量应变，室温下总应变幅为0．25%，0．3%和0．6%，低温下总应变幅值恒定为0．6%，每级应变至少做3个数据点。

2 试验结果分析

2．1 应变－寿命关系

在不同循环应变加载情况下，得到9%Ni钢焊条电弧焊接头的应变－寿命数据，如图4所示。从图4可以发现，在室温环境中(23℃)，随着循环加载应变幅的提高，接头的疲劳寿命逐渐降低，整个曲线呈幂函数下降趋势。总应变幅为0．6%时，接头在低温环境下(23℃)的疲劳寿命显著提高，其平均增长幅度达到27%。

图4 应变－寿命关系图

用Manson-Coffin方程［5］对常温下9Ni钢接头低周疲劳试验结果的应变－寿命数据进行拟合，得到其应变－疲劳寿命关系式为:

式中，Δε为应变;Nf为寿命。当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的;当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。忽略弹性体积变化，假定试验均匀变形后体积不变，发现所有的试样均断裂在焊缝区，如图5所示。从中发现，室温环境下，随着应变幅的增加，断口角度基本在30°～45°范围，表明焊缝金属具有较好的塑性;但是在低温环境的大应变幅测试中，断口截面几乎垂直于工件表面，表明焊缝金属在低温环境中脆性增加。2．2 循环响应特性

图5 试样断裂位置和典型形貌

图6 为9%Ni钢焊条电弧焊接头在不同应变幅下的循环特征曲线。从图6a中可以发现，在室温环境中，试样在低应变幅(0．25%)作用下首先发生循环硬化效应，然后进入稳定应力阶段直至破坏;当应变幅增加到0．3%时，试样同样在起始阶段出现少量循环硬化，维持到1 000周左右时则发生了一定程度的循环软化，并一直维持到试样失效;当高应变幅(0．6%)作用下，循环硬化只发生在最初几个循环载荷中，随后很快就出现循环软化现象，并且这种软化现象比低应变幅时更为显著;另一方面，采用高应变幅(0．6%)时，三个试样的循环响应特征曲线存在较大波动，这应当是焊缝金属在成分和组织上的差异造成的。

图6b为低温环境下采用高应变幅(0．6%)加载时的循环响应特征曲线，从中可以发现，试样在前100周内迅速发生循环硬化，然后逐渐进入稳定应力阶段，并保持到断裂阶段。

图6 循环响应特征曲线(

根据疲劳过程的三个阶段，总寿命包括裂纹萌生寿命和扩展寿命两部分，其中起始寿命包括小裂纹的形成和早期扩展，扩展寿命是裂纹扩展到破坏的部分。在循环响应特征曲线中，可以认为应力发生急剧下降的点为疲劳裂纹萌生和裂纹扩展的分界点。有文献在循环应力幅连续下降阶段，取应力下降幅值达到恒定应力幅值5%的点作为裂纹萌生和发展的分界点［6］，文中分别计算了焊接接头在室温和低温环境中，高应变幅值情况下的裂纹萌生寿命占总寿命的百分比，见表4。

表4 裂纹萌生和总寿命的关系

观察发现，疲劳裂纹萌生阶段在9%Ni钢接头总疲劳寿命中占了相当高的比例，特别是在低温环境中，萌生阶段的寿命比例高达90%以上。低温环境下，位错移动阻力增加，试样的抗拉强度和屈服强度均有所提高，裂纹萌生速度得到抑制，因此应力骤降点延后发生。然而，由于接头在低温环境中塑性下降，裂纹扩展速度增加，应力骤降点到断裂失效的过程较室温下显著缩短。

2．3 断口形貌

图7为疲劳断口的宏观界面照片，观察发现:疲劳裂纹主要源于试样表面，裂纹源沿断口周边分布，少量裂纹源位于焊缝金属中的夹渣或析出相变，断口整体具有多源性特征。

从面积上看，疲劳裂纹稳定扩展区在断口横截面上的比例最高，并且可以明显看到不同形状的疲劳条带。

图7 疲劳断口形貌

图8 为疲劳裂纹稳定扩展区微观形貌。观察发现，试样在室温和低温下均具有典型的疲劳辉纹，但辉纹间隔距离存在差异。经测量计算，常温下的疲劳辉纹间距平均值为3．7 μm，低温下的疲劳辉纹间距减小至1．4 μm，这也说明低温下疲劳裂纹的扩展速度略有增加。

图8 疲劳裂纹稳定扩展区

试样疲劳失效瞬断区如图9所示。观察发现室温试样在该区域具有不同尺寸和深浅程度的韧窝，说明试样具有较好的韧性;低温试样上韧窝特征不明显，表明9%Ni钢焊缝金属随着温度下降呈现出一定程度的脆性。

图9 试样疲劳失效瞬断区

3 结 论

(1)常温下(23℃)，9%Ni钢焊条电弧焊接头的应变幅－寿命关系呈幂函数下降趋势，总应变幅越高，疲劳寿命越低。保持应变幅恒定为0．6%的情况下，试样在低温(－180℃)环境中疲劳寿命平均增加27%。

(2)高应变幅时，试样在室温时主要呈现循环软化

［］［］特征，在低温时则具有显著的循环硬化特征。相对于室温来说，低温时裂纹萌生难度增加，但裂纹扩展速度略有提高。

(3)不同温度下疲劳断口的疲劳源区基本都表现为多源性特征，疲劳裂纹扩展区在疲劳断口上所占面积最大。裂纹稳定扩展区的辉纹间距在常温下为3．7 μm，低温时为1．4 μm。室温试样的瞬断区具有不同尺寸的韧窝，为典型的韧性断裂，低温试样瞬断区的韧窝数量较少，具有准解理特征。

［1］ 王钟炜，黎 雨，李 伟，等．不同成分9Ni钢的性能和组织研究［J］．上海金属，2016，38(1):24－28．

［2］ Jang J I，Ju J B，Lee B W，et al．Effects of microstructural change on fracture characteristics in coarse-grained heat-affected zones of QLT-processed 9%Ni steel［J］．Materials Science＆ Engineering A，2003，340(1):68－79．

［3］ Menggenbagen，Chengyong M A，Yun P，et al．Effect of heat input on microstructure and low temperature impact resistance of welded joint of 9Ni steel［J］．Transactions of the China Welding Institution，2010，17(6):69－72．

［4］ 王丽英，李金许．9Ni钢的低周疲劳行为研究［C］．北京:海峡两岸材料破坏/断裂学术会议暨全国MTS材料试验学术会议，2010．

［5］ 郑战光，蔡敢为，李兆军，等．基于损伤力学阐释Manson-Coffin低周疲劳模型［J］．中国机械工程，2011(7):812－814．

［6］ 崔仕明，王睿东，游 翔，等．Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析［J］．实验力学，2014，29(5):537－542．

TG445

2017－02－07

赵勇臻，1992年出生，硕士。主要研究方向为9Ni钢低温疲劳性能和断裂韧性。