S30408不锈钢角焊缝低温力学性能试验

高喜峰，杨怡昕，刘红波，李 景，周 婷

S30408不锈钢角焊缝低温力学性能试验

高喜峰1，杨怡昕1，刘红波2，李 景3，周 婷4

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038；3. 中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300222；4. 天津大学建筑学院，天津 300072)

焊接接头作为压力容器的重要组成，其低温下的力学性能直接影响容器的安全性．目前针对奥氏体不锈钢焊接接头的力学性能研究主要集中在对接焊缝连接件，且试验温度多为常温和-196℃，对角焊缝在不同温度下的研究较少．为了研究S30408不锈钢角焊缝接头的低温力学性能，采用100t万能试验机，在-60～20℃的温度范围内，进行了一批正面和侧面角焊缝接头试件低温下的拉伸试验，绘制其在各温度下的应力-应变曲线，以及焊缝强度、变形和破坏特征．采用热场发射扫描电子显微镜JSF对断口形貌进行了观测研究，分析其组织特点．试验结果表明：-60℃相较于20℃，正面角焊缝构件屈服强度提高了18%、抗拉强度提高了25%，侧面角焊缝构件分别提高了约35%和30%，低温强化效应显著；正面角焊缝构件的抗拉强度与侧面件的比值略小于理论值1.5；正面角焊缝受到拉力和剪力共同作用，20℃时其弹性模量为198GPa，侧面构件仅受剪力作用，其弹性模量约102GPa；弹性模量随温度降低增长缓慢，正面构件的弹性模量最大增幅为6%，侧面构件为9%；正面角焊缝的断口呈多边形韧窝形貌，侧面为剪切型韧窝形貌，温度降低，韧窝数量均减少，颜色变浅，塑性变形能力减弱，但仍旧为韧性断裂．

奥氏体不锈钢；角焊缝；拉伸试验；低温性能

S30408不锈钢材料具有良好耐久性能以及焊接性能，其被广泛应用于LNG(液态天然气)储罐等压力容器中[1-2]．目前在设计压力容器时，设计温度仍旧采用20℃下的许用应力，未能充分利用不锈钢低温强化特性，使得压力容器用钢量增多，故对奥氏体不锈钢的低温力学性能进行研究可以实现压力容器的轻量化设计[3-5]．并且，不锈钢规范中对于焊接构件的规定主要参考普通钢结构设计规范，缺乏不锈钢焊缝性能相关研究数据，对焊接性能进行研究可以为完善规范提供依据．

目前，已有国内外学者对普通钢材以及高强度钢材的焊接构件开展了系统的研究工作，特别是针对合金钢结构的焊接接头强度，如Ibrahim等[6]研究了304L、316L和双相不锈钢205焊接接头在-196～ 25℃的冲击韧性；王元清等[7]对Q235和Q345B钢材及焊缝进行循环加载，得到其滞回性能及破坏形态；杨璐等[8]对奥氏体型S30408不锈钢角焊缝进行室温拉伸试验研究，测得其承载力以及变形情况；毛楠[9]研究了316L不锈钢焊接接头在-196℃下的冲击韧性；罗震等[10]研究了LNG储罐用9Ni钢接头的微观组织性能．综上，目前对奥氏体不锈钢的力学性能研究多集中于20℃和液氮温度下(-196℃)，对其他温度下力学性能的系统性研究较少．且现有的焊缝研究多为对接焊缝，由于角焊缝的受力形式不同以及钢材的牌号不同，其是否可以套用现有的对接焊缝研究规律有待考证．

为研究S30408不锈钢角焊缝接头低温下的力学性能，在不同温度下，进行了正面角焊缝试件(15个)和侧面角焊缝试件(15个)的拉伸试验，得到其在 20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃下的屈服强度、抗拉强度等力学参数变化规律，并对焊缝破坏处的微观形貌进行观察，得到其断裂机理，为焊接奥氏体不锈钢结构在低温压力容器中的应用提供依据．

1 试验方案设计

根据《金属材料低温拉伸试验方法》(GB/T 13239—2006)[11]以及《金属材料焊缝破坏试验 十字接头和搭接接头拉伸试验方法》(GB/T26957—2011)[12]的尺寸要求，进行试件设计．角焊接连接件选用10mm厚S30408不锈钢钢板，选用ER308L焊条对角焊缝处进行焊接，焊脚尺寸为6mm，其几何尺寸如图1、图2所示．焊接工艺为手工电弧焊，电压为30V，电流为350A．

图1 正面角焊缝试件尺寸

图2 侧面角焊缝试件尺寸

为控制焊缝的破坏位置，对焊接件一端采用3面围焊，另一端采用正面角焊缝或侧面角焊缝的连接方式，并将引伸计固定在测量端，以保证引伸计测量的变形量更为准确．正面角焊缝及侧面角焊缝连接件分别如图1和图2所示．进行低温拉伸试验时，5个温度下每组均设置3个平行试样，得到各个试样的强度指标(抗拉强度、屈服强度等)随温度的变化规律．

2 试验装置和测量方案

低温拉伸试验在天津大学建筑工程学院材料试验室进行，为模拟低温环境，将构件放在制作好的保温箱中，在箱内通入液氮对构件进行降温，当温度传感器显示到达试验温度时，保温20min后再进行试验[13]．使用100t万能试验机进行试验，采用低温引伸计(Epsilon 3542-050M-050-LT)测量盖板和焊缝的总变形量，试验装置见图3，保温箱内部装置见图4．

图3 拉伸试验装置

图4 保温箱内部装置示意

加载过程中不考虑偏心和弯矩的影响[14]，在试件正反两侧盖板中心位置均布置应变片，引伸计布置在测量一侧，正面角焊缝和侧面角焊缝测点布置分别如图5和图6所示．试件按温度编号，正面角焊缝的编号为ZM-P20-1至ZM-M60-3，侧面角焊缝的编号为CM-P20-1至CM-M60-3．

图5 正面角焊缝测点布置

图6 侧面角焊缝测点布置

3 试验结果及分析

3.1 正面角焊缝低温拉伸试验

3.1.1 破坏模式及现象

正面角焊缝受到正应力和剪应力共同作用，破坏时根部先出现裂缝，再扩展到整个截面．部分试件正反两面均发生破坏，由于其受力均匀，破坏截面平整．对于盖板发生单面破坏的试件，有明显翘曲变形，试件破坏现象如图7所示．破坏截面与水平芯板间的角度均在38°～46°之间，平均角度约为40°，略小于理论值45°，见图8．

图7 正面角焊缝试件的截面破坏

图8 正面角焊缝试件破坏角

3.1.2 试验数据及分析

不同温度下正面角焊缝试件的拉伸试验结果见表1，将平行试件的应力-应变曲线取均值，得到各温度下试件的应力-应变曲线汇于图9．ZM-P0试验中由于通氮口距离测量应变片过近导致应变片产生了温度漂移，所以产生了较大的误差．这是可以控制的．在后续的试验中调整通氮口的位置，以消除温度漂移的影响，保证试验的准确性．ZM-P0的3个平行件得到的屈服强度、抗拉强度相差较小，但是曲线相差较大，故本文中ZM-P0的应力-应变曲线在图9中暂不列出．

表1 正面角焊缝试件低温拉伸试验结果

Tab.1 Low temperature tensile test results of front fillet welded joint

图9 正面角焊缝应力-应变曲线

由图10～图12可知，随着温度的降低，正面角焊缝的屈服强度、抗拉强度均升高，应力-应变曲线几乎无下降段．由20℃降低到-60℃时，其屈服强度提高了18%，抗拉强度均提高了25%左右．弹性模量由20℃至-60℃变化较小，20℃时弹性模量的均值为198GPa，-60℃时增长了6%，约为211GPa．焊接构件的断后伸长率随温度的降低而降低，-60℃变形量为常温的1/2．

图10 屈服强度随温度变化曲线

图11 抗拉强度随温度变化曲线

图12 弹性模量随温度变化曲线

3.2 侧面角焊缝低温拉伸试验

3.2.1 破坏模式及现象

侧面角焊缝的整体塑性变形能力远大于正面角焊缝．如图13所示，由于侧面角焊缝受到剪应力作

用，其破坏时两端先出现裂缝再向中间扩展．破坏时盖板没有明显的翘起．破坏截面和芯板间的夹角在42°～48°之间，平均角度约为45°，侧面角焊缝破坏角度如图14所示．

3.2.2 试验数据及分析

侧面角焊缝变形量计算如下：

不同温度下侧面角焊缝试件的拉伸试验计算结果见表2．平行试件的应力-应变曲线见图15．

由于剪应力的作用，试件在破坏时，有明显的下降阶段．由图12可知，其弹性模量远小于正面角焊缝，弹性模量在-40～20℃变化较小，增长了约9%， -60～40℃几乎不变，最大弹性模量为111GPa．变形能力随温度降低减小，但其极限变形远大于正面角焊缝．由图10和图11可知，侧面角焊缝的屈服强度提高了35%，抗拉强度提高了30%，略大于正面角焊缝.

图13 侧面角焊件截面破坏

图14 侧面角焊缝件破坏角

表2 侧面角焊缝试件低温拉伸试验结果

Tab.2 Low temperature tensile test results of side fillet welding

图15 侧面角焊缝应力-应变曲线

根据Lesik等[15]提出的正面角焊缝和侧面角焊缝的关系，即

图16 正面角焊缝与侧面角焊缝抗拉强度的比值

4 角焊缝断口电镜扫描分析

本文对S30408不锈钢角焊缝拉伸试件进行断口扫描，采用JSM-7800F热场发射扫描电子显微镜．拍摄时位置处于中心纤维区处，放大倍数为2000倍．

S30408不锈钢角焊缝连接件的断裂均为韧性断裂，断裂时有明显的塑形变形．焊缝连接件在外部荷载和内部空穴的共同作用下断裂．S30408不锈钢基体中含有大量的二相粒子以及部分夹杂物．在加载状态下，二相粒子由于受到较大的集中应力，发生晶体内部变形直至粒子破裂形成空穴形核．空穴也可能由晶体间的不协调变形，导致晶体沿晶界产生滑移产生．空穴在外力的作用下不断扩大，导致应力场分布更加不均匀．不同空穴间相互聚集，当塑形应变过大时，构件表面形成微裂纹，构件断裂．

5个温度下正面角焊缝的扫描图如图17所示，在电子显微镜下，断口的微观形态均呈蜂窝状，为韧窝-微孔聚集型断裂．由于正面角焊缝受到拉伸正应力和剪应力的共同作用，韧窝呈多边形微坑分布在断口表面．随着温度的降低，韧窝分布得越不均匀．断口处的韧窝数量减少，韧窝的尺寸由大变小，长度由长变短，且韧窝颜色变浅．整体仍旧以塑性变形为主，没有明显的脆性特征．可以发现，晶体间的夹杂物或第二相粒子[16]随着温度的降低数量也在增多，即焊缝的塑性变形能力变差．

5个温度下侧面角焊缝的扫描图见图18，由于侧面角焊缝受到剪切力作用导致剪切破坏，故其韧窝为剪切韧窝，形状呈抛物线形状，沿剪切方向上被拉长，在断口表面处凸向不一致，出现在拉伸的剪切唇部位．随着温度的降低，韧窝的深度降低，且断口处韧窝和撕裂棱数量逐渐减小．当温度降低至-60℃时，韧窝数量非常少，未出现明显的河流花样[17]，断口处纤维区较少，仍旧呈现出韧性断裂的特征．

图17 正面角焊缝断口扫描图

图18 侧面角焊缝断口扫描图

5 结 论

本文通过对S30408不锈钢角焊缝试件进行低温拉伸试验，对其宏观、微观破坏形态进行观察，得到了抗拉强度等随温度变化的规律．主要结论如下．

(1) 正面角焊缝受到正应力和剪应力的共同作用破坏，破坏截面与芯板间的平均角度为40°，略小于理论值45°．随着温度的降低，屈服强度和抗拉强度均有明显提升，有明显的低温强化效果．弹性模量由198GPa缓慢增长至210GPa，最大增幅为6%，变形能力明显降低．

(2) 侧面角焊缝受到剪应力的作用破坏，破坏平均夹角为45°，符合理论值．与室温20℃相比，屈服强度增加了35%，抗拉强度增加了30%．正面角焊缝和侧面角焊缝的抗拉强度比值略小于1.5．且侧面角焊缝连接件的弹性模量约为正面的1/2，随着温度的升高增大，变形能力略有减小．

(3) 正面角焊缝断口处韧窝呈多边形微坑分布，随着温度的降低，韧窝数目减少，颜色变浅，长度变短．且第二相粒子和夹杂物数目增多，塑性降低．

(4) 侧面角焊缝断口处韧窝呈抛物线形状，沿拉伸方向拓展．且随着温度的降低，韧窝数量较少．当温度为－60℃时，韧窝数量非常少，但断口处未出现脆性断裂特征．

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Experimental Study on Mechanical Properties of Fillet Weld Connections of S30408 Stainless Steel in Low Temperature

Gao Xifeng1，Yang Yixin1，Liu Hongbo2，Li Jing3，Zhou Ting4

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；3. China Railway 18th Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；4. School of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

As an essential part of a pressure vessel，the mechanical properties of welded joints at low temperatures directly influence the vessel’s safety. At present，most research on mechanical properties of stainless steel welded joints focuses on butt weld at the experimental temperature range betweenroom temperature and -196℃. However，fillet weld at different temperatures has been scarcely investigated. To study the low-temperature mechanical properties of the S30408 stainless steel fillet weld joint，the low-temperature tensile tests were performed on 15 transverse and longitudinal fillet weld joint specimens in the temperature range -60—20℃using a 100t universal testing machine. Besides，the stress-strain curves，weld strength，deformation，and failure characteristics were measured. The fracture morphology was observed using a thermal field-emission scanning electron microscope，and microstructure characteristics were analyzed. The results show that -60℃ compared to 20℃，the yield and tensile strength of the transverse fillet weld increased by 18% and 25%，respectively，and that of the longitudinal fillet weld increased by 35% and 30%，respectively. Low temperature hardening effect is remarkable. The ratio of the tensile strength of the transverse fillet weld member to the longitudinal member is slightly less than the theoretical value of 1.5. The results show that the combined action of tensile and shear forces influence the transverse fillet weld. The elastic modulus of the transverse fillet weld is 198 GPa at 20℃ and the longitudinal member is 102GPa under the action of shear force. The elastic modulus increases gradually with decreasing temperature. The elastic modulus of the transverse member increases by a maximum of 6% and the longitudinal member by 9%. The fracture surface of the front fillet weld has polygonal dimple morphology，and the longitudinal one has shear dimple morphology. The number of dimples decreases with the decreasing temperature，the color lightens，and the plastic deformation ability weakens；however，the fracture is still ductile.

austenitic stainless steel；fillet weld；tensile test；cryogenic property

10.11784/tdxbz202107018

TG407

A

0493-2137(2022)08-0820-08

2021-07-27；

2021-10-11.

高喜峰（1975—  ），男，博士，副教授，gaoxifeng@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

刘红波，hbliu@tju.edu.cn.

河北省杰出青年基金资助项目(E2021402006).

Hebei Province Distinguished Young Scholars Fund Project(No. E2021402006).

(责任编辑：金顺爱)