应变强化对S30408不锈钢焊接接头性能及组织的影响

马秀清，李 祺，吴学纲，吕宏光，张庆春，黄超鹏，李 琪，张 宁

(1.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司，上海 201518；2.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518；3.塔里木油田公司 塔中油气开发部，新疆 库尔勒 841000)

应变强化技术最早由瑞典Avesta公司在20世纪50年代提出，现在已越来越广泛地应用于压力容器制造领域，具有减薄容器壁厚的作用，是容器轻量化的技术手段之一[1-6]。不锈钢材料经过应变强化处理能够显著提高材料的屈服强度，但同时却降低了材料的部分塑性。应变量过小时材料强化不充分，材料节约不明显，应变量过大时材料的韧性和塑性下降过多，影响材料的安全性能。因此需要对应变强化过程进行控制研究。

邓阳春等[7]分析了奥氏体不锈钢压力容器应变强化的常温应变强化模式和低温应变强化模式，对比了国外不同压力容器标准在奥氏体不锈钢材料许用应力选取方面的差异。王步美等[8]对S30408薄板进行应变强化试验，研究了S30408材料的力学性能和金相组织。韩愈等[9]分析了应变速度和应变量对材料力学性能的影响，指出材料应变量控制在10%以下时应变强化对材料的力学性能和微观组织影响不大。周连东等[10]对奥氏体不锈钢低温压力容器常规设计与应变强化设计进行了比较，确定了国产S30408奥氏体不锈钢应变强化压力容器的应变上限值，比较了国产S30408奥氏体不锈钢材料的ASME和双线性应力应变曲线。

文中采用应力控制和应变控制2种方法对S30408不锈钢焊接接头进行应变强化，对应变强化前后材料的拉伸、弯曲及低温冲击等力学性能和微观金相组织进行测试和分析，为应变强化技术在S30408不锈钢压力容器设计和制造中的应用提供数据支持。

1 应变强化基本原理

奥氏体不锈钢压力容器的强化控制最初为直径增量控制，现阶段为应力控制和应变控制。应力控制主要依照压力容器强化工艺，对容器加载至强化压力后保压一段时间，直至容器发生充分的塑性变形。应变控制则是基于应变强化原理，对应变强化过程中的塑性变形量进行控制。

奥氏体不锈钢应变强化过程见图1，图中RP0.2为材料的屈服强度，RP1.0为材料塑性变形至伸长率为1.0%时的应力，Rk为材料预拉伸应力，Rm为材料的抗拉强度,可见奥氏体不锈钢应力-应变曲线无明显的屈服点，以材料产生0.2%的塑性变形时的应力作为屈服强度，在屈服强度以后还有相当长的应变强化段。当材料变形受到大于屈服强度RP0.2的拉伸应力Rk时，应力卸载之后材料将会产生永久的塑性变形。再次对材料进行加载时，应力应变曲线将沿卸载路径保持弹性增长，直至应力大于Rk时材料才重新进入塑性阶段，强化后材料的屈服强度就由RP0.2提高到了Rk。

图1 奥氏体不锈钢应变强化曲线

2 应变强化试验试样和试件制备及试验方法

2.1 试验材料复验

试验材料为国内某钢厂生产的S30408奥氏体不锈钢，钢板厚度8 mm，测量其力学性能和化学组成，并与GB/T 24511—2017《承压设备用不锈钢钢板及钢带》[11]规定的标准值进行比较，结果见表1和表2。

表1 试验用S30408材料力学性能

表2 试验用S30408材料化学组成(质量分数) %

从表1和表2可知，试验所选材料的力学性能和化学组成均符合标准要求。

2.2 试件焊接工艺参数选择

试件焊接方法选用钨极气体保护电弧焊(GTSW)，焊接材料种类选择ER308L，焊丝直径选择2.4 mm，焊接电流选择135～190 A，电弧电压选择11～14 V, 焊接速度选择90～115 cm/min。

2.3 试件预拉伸试验

制取3件试件，依次编号为A、B和C，尺寸均为8 mm×55 mm×300 mm。其中，试件A未经预拉伸处理。

对试件B以1 MPa/s的应力速率加压至410 MPa之后保压16 min。410 MPa为EN 13458-2—2002《低温容器-固定式真空绝热容器—第2部分：设计、制造检验及测试》[12]附录C中规定的S30408奥氏体不锈钢最大强化应力。按此条件进行应变强化处理后，试件B的塑性变形率为6%。

对试件C以0.000 25/s的恒定应变速率进行拉伸，使材料产生塑性变形，至塑性变形率为9%时卸载拉力。

2.4 试样拉伸试验

对未经预拉伸处理的试件A和经过预拉伸应变强化处理后的试件B、试件C进行拉伸试验。依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温拉伸方法》[13]，在试件中心处截取拉伸试样，每个试件上各取1件试样，试样编号分别为A-1、B-1及C-1。试样轴向垂直于焊缝，为带肩式试样，厚度8 mm，平行段宽度20 mm。采用SHT4305电液伺服万能试验机进行拉伸试验，采用SIGMA扫描电子显微镜扫描拉伸试样断口。

2.5 试样低温冲击试验

依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》[14]截取冲击试验试样，试样长度方向垂直于焊缝，V型缺口的轴线平行于板厚方向。试样尺寸为 5mm×10 mm×55 mm，V型缺口深2 mm。从试件A、B、C的焊缝中心区和热影响区分别取3组试样，总共18件。

从试件A上截取的3组试样编号为A-2H、A-2W、A-3H、A-3W、A-4H、A-4W,H代表热影响区，W代表焊缝中心区。试件B和试件C的取样编号方法与试件A的相同。

采用ZBC3452-2液晶金属摆锤冲击试验机进行试验，试验机量程为450 J，摆锤打击刀刃半径为2 mm。操作时，试样低温冷却介质为液氮,试验温度为-196 ℃。

2.6 试样金相组织检测

在试件A、试件B和试件C的中心处切取厚度8 mm、长度10 mm、宽度10 mm的金相检测试样，试样编号为A-5、B-5、C-5。经手工打磨抛光和用质量分数10%草酸溶液电解腐蚀后，采用CMM-202E型光学显微镜观察试样显微组织。

3 应变强化试验结果及讨论

3.1 应变强化对拉伸性能影响

3.1.1数据分析

拉伸试样拉断后，试样A-1、B-1、C-1的断裂位置全部在焊缝区。依据试样A-1、B-1、C-1的室温拉伸试验曲线可以得到试样的抗拉强度Rm和屈服强度RP0.2。

通过对试样拉断后的长度进行测量，可以计算得到试样的断后伸长率，试验及计算结果见表3。

表3 拉伸试样拉伸试验结果

从表3的拉伸试验结果可以看出，试样B-1(强化应力410 MPa,控制强化)与未进行强化的试样A-1相比，应变强化处理后材料屈服强度提高了102 MPa，断后伸长率由33.5%下降至27.5%，屈强比由0.47增大到0.61。试样C-1(应变控制强化，塑性变形率9%)与未进行强化的试样A-1相比，应变强化处理后材料的屈服强度提高了130 MPa，断后伸长率由33.5%下降至25.0%，屈强比由0.47增大到0.65。

由以上数据对比可以看出，S30408不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm和屈服强度RP0.2随着材料形变量的增大而逐渐增大，断后伸长率随着形变量的增大而逐渐减小，屈强比随着材料形变量的增大而逐渐增大，材料抗变形能力增强。

3.1.2显微组织分析

对试样A-1、B-1、C-1拉断后的试样进行断口电镜扫描，结果见图2。

图2 拉伸试样拉断后断口金相组织扫描图(1 500×)

由图2可见，试样A-1、B-1、C-1拉伸断口表面均为聚集型微坑,且微坑形状为圆形，说明断口表面为拉伸正应力作用下形成的等轴型韧窝，试样A-1的韧窝直径和深度均为最大。试样A-1、B-1、C-1拉伸断口表面存在无数纤维状小峰组成的纤维区，相同放大倍数和相同面积条件下试样A-1的纤维状小峰数量也最多。一般来说，材料拉伸断口表面韧窝的直径越大，深度越深，表明材料的塑性变形能力越好。材料的塑性越好、断裂快速扩展的速度越低，纤维区在断口宽度(厚度)中所占比例就越大[15-17]，由此可判断S30408不锈钢焊接接头经过强化处理后韧性出现下降。

3.2 应变强化对低温冲击韧性影响

低温冲击试样的低温冲击试验结果见表4。

表4 低温冲击试样低温冲击试验结果

由表4的低温冲击试验结果可以看出，焊缝区和热影响区的低温冲击功都随着材料应变强化形变量的增大而减小，这主要是因为材料经过应变强化后，金属晶体间位错相互作用加剧，位错密度增加，晶格结构畸变严重，位错运动的阻力增大，引起材料整体变形抵抗力增加，材料的强度和硬度得到提高，而塑性和韧性降低。

虽然经过应变强化处理后试样B-2～B-4和C-2～C-4的冲击吸收功都有所降低，但焊缝的低温韧性仍然较好，焊缝区冲击吸收功最小值为22 J，能够满足奥氏体不锈钢应变强化技术标准GB/T 18442.7—17《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》[18]中低温冲击韧性不得小于16 J的要求。

3.3 应变强化对金相组织影响

分析试样A-5、试样B-5和试样C-5焊接接头的焊缝区、热影响区和母材区的金相组织，分别见图3～图5。

图3 金相组织试样焊接接头焊缝区金相组织(200×)

图4 金相组织试样焊接接头热影响区金相组织(200×)

图5 金相组织试样焊接接头母材区金相组织(200×)

由图3～图5所示的焊接接头金相组织可以看出，试样A-5、试样B-5和试样C-5的母材区、热影响区、焊缝区的金相组织均为奥氏体和少量铁素体，而且未见形变马氏体组织，这说明试件C应变强化前后的金相组织无明显变化，预拉伸产生9%的塑性变形不会诱发马氏体相变。

4 结语

进行了S30408奥氏体不锈钢的应力控制和应变控制强化处理试验。在文中试验条件下，应变强化S30408奥氏体不锈钢焊接接头在强化到410 MPa和发生9%塑性变形的情况下均没有诱发马氏体相变。试验证明，S30408奥氏体不锈钢焊接接头的稳定性很好，应变强化S30408奥氏体不锈钢焊接接头的抗拉强度和屈服强度随着应变量增大而逐渐增大，冲击韧性随着应变量的增大而降低，但低温韧性仍较好，能够满足奥氏体不锈钢应变强化技术标准中低温冲击韧性指标要求，可以通过应变强化提高焊接接头的抗拉强度和屈服强度，提高屈强比。