30408 不锈钢焊缝高温下力学性能研究

张 勇 梁子西 王加宁 胡效东

（1.山东百特机械设备有限公司，临沂 276000；2.山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

30408 奥氏体不锈钢的焊接性能和延展性能良好，常用于高温压力容器和压力管道，且广泛应用于化工机械和电器等行业[1-2]。高温拉伸试验主要用来检测金属材料不同温度下的力学性能，且测试时要保证将试样加热到所需温度[3]。国内外学者已经对材料的高温力学性能进行了研究[4-5]。例如：Brnic J 等研究了304 不锈钢在高温下力学性能对蠕变的影响，并证明304 不锈钢可以作为耐蠕变的材料[6]；王殊寻等人研究发现，在一定范围内升高温度能改善30408不锈钢的塑性，但温度升高到600℃时，材料晶界明显出现弱化现象[7]。本文以30408 不锈钢材料作为研究对象，测试母材和带焊缝两种试样的拉伸性能，对比分析两种不同试样在不同高温下的屈服强度和抗拉强度等力学性能。

1 焊接工艺设计

本文采用的材料为固溶处理后的30408 奥氏体不锈钢板，尺寸为16mm（厚）×100mm（长）×200mm（宽），并采用金属分析光谱仪测试得到其化学成分含量，如表1所示。取试样前的母材和带焊缝材料，如图1 所示。

表1 30408 奥氏体不锈钢的化学成分

图1（b）试板采用GTAM 打底且SMAW 填充及盖面的焊接方法，按照表2 中的焊接工艺参数对接焊接给定的试板。焊接前，采用机械方法及有机溶剂清理焊丝和焊接部位表面的铁锈、油渍以及其他污物。

图1 取试样前的母材和带焊缝材料

2 试样的制备及试验装置

2.1 试样的制备

母材和带焊缝材料的拉伸试样取样位置，如图2 所示，位于厚度中间位置[8]。两种试样按照《金属材料拉伸实验-高温实验方法》GB/T 228.2—2015 进行设计和加工，且试样尺寸为Φ8mm×160mm×M15mm，设计图纸及试样加工后的实物分别如图3 和图4 所示。

表2 30408 不锈钢板材的焊接工艺参数

图2 高温拉伸试样取样示意图

图3 高温拉伸试样设计图（单位：mm）

图4 试样加工后的实物图

2.2 试验装置及试验方法

高温拉伸试验采用MTS 647 高温拉伸材料试验机，测定两种不同试样在500℃、600℃和700℃下的力学性能，如图5 所示。

图5 MTS 647 高温拉伸材料试验机

试样拉伸前的温度参数如表3 所示，试样的加热曲线如图6 所示。

表3 试验拉伸前的温度参数

图6 试样的加热曲线

3 试验结果分析

3.1 高温下断裂方式分析

无焊缝试样和带焊缝试样分别在500℃、600℃以及700℃温度下拉伸的断裂宏观照片如图7 所示。

图7 不同温度下拉伸试样的断口形状

由图7（a）可得：母材试样在高温拉伸过程中为延性断裂；断口为杯锥状断口，由纤维区、放射区和表面光滑的剪切唇构成，且温度越高，断面收缩率越大[9]。由图7（b）可知：带焊缝试样在500℃和600℃下拉伸的断口为典型的延性断裂，而700℃下拉伸的断裂接近于脆性断裂,断口较齐整且位于焊缝处。

3.2 高温下试件的拉伸强度和拉伸应变分析

母材试样和带焊缝试样分别在500 ℃、600 ℃以及700℃温度下拉伸的强度和应变，如图8 所示。

图8 不同温度下试样的拉伸曲线

由图8 可知，母材试样在3 个温度下的拉伸强度分别为405MPa、360MPa 和220MPa，拉伸应变分别约为0.42、0.33 和0.26；带焊缝试样拉伸强度在3 个温度下分别为380MPa、320MPa 和180MPa，拉伸应变分别为0.34、0.27和0.11。

通过数据对比，在相同的高温环境下，母材试样的拉伸强度和拉伸应变都大于带焊缝试样。但是，随着试验温度的升高，两种试样的拉伸强度和拉伸应变都将降低。

4 结论

本文进行了30408 奥氏体不锈钢母材试样和带焊缝试样分别在500℃、600℃和700℃温度下的高温拉伸试验，可得出如下结论：

（1）30408 奥氏体不锈钢母材试样和带焊缝试样在500℃和600℃温度下的断裂为延性断裂，而在700℃温度下的断口较平整；

（2）通过数据对比，在相同的高温环境下，母材试样的拉伸强度和拉伸应力都大于带焊缝试样；

（3）随着试验温度的升高，两种试样的拉伸强度和拉伸应力均降低。