热处理对9Ni钢焊接接头低温性能的影响

2024-02-27彭清和颜文煅周著学林志灿

山西大同大学学报(自然科学版) 2024年1期

彭清和，颜文煅，周著学，林志灿

（闽南理工学院光电与机电工程学院，福建石狮 362700）

9Ni钢在-196 ℃低温下仍具有较高的机械性能，尤其是良好的韧性，从而被广泛应用于生产LNG 储罐和运输船[1-2]。但是，9Ni钢接头在低温条件下服役过程塑韧性恶化现象是工业生产中相当严重的问题。在焊接该材料的时候，容易出现一些问题，如熔合线的粗晶区可能会由于低温的原因出现脆化，这是9Ni钢焊接接头易生成裂纹，从而导致该材料容易受到破坏。据此，为了避免出现这种情况，提高LNG运输的安全性，就需要对其展开研究和分析，明确热处理工艺参数对9Ni 钢焊接接头低温性能的影响。通过研究热处理工艺（调质热处理以及两相区热处理工艺）对手工电弧焊接头低温韧性的影响变化以及作用机理，为提高9Ni钢焊接接头在低温下的塑性韧性提供理论支撑。

1 试验方法

9Ni钢具有良好的低温韧性，在建造LNG储罐和运输船等方面得到了广泛的应用。因而，搞清各热处理过程中各个阶段的工艺参数对接头性能的作用就非常重要。现用试验研究调质热处理（QT）和两相区热处理（QLT）工艺过程淬火以及回火温度对9Ni钢焊接接头低温冲击性能的作用机理。

试验用钢尺寸为400 × 200 × 20 mm，把焊接好的9Ni 钢板放在KX-12-12 箱式电阻炉中经不同的热处理工艺参数后进行冲击性能试验。实验过程加热和保温阶段在KX-12-12 电阻炉（图1）进行；冲击性能试验设备选用在JB-500B摆捶式冲击设备（图2）进行。接头冲击实验应依照国标GB/T 2650进行，实验温度为-196 ℃，取10×10×55 mm 尺寸作为冲击试样标准，并在多个部位开V型缺口。

图1 箱式电阻炉

图2 JB-500B摆捶式冲击试验机

2 结果及分析

2.1 QT对9Ni钢焊接接头性能影响

2.1.1 淬火温度的影响

实验通过调整调质工艺过程的淬火温度来获得不同条件下的冲击韧性，方案如图3。

图3 调质处理下不同淬火温度的实验

对手工电弧焊后的焊接接头进行调质热处理，实验中的淬火温度分别是800 ℃、850 ℃和900 ℃。为了最大程度提升材料的低温韧性，实验过程中选择水作为冷却介质。回火温度为570 ℃，然后水冷。实验结果见表1。

表1 调质热处理不同淬火温度的冲击性能

由表1知：随淬火温度增大，低温韧性减小；800°C冲击功最大，峰值为208.158 4 J，为850 ℃和900 ℃冲击功的2 倍左右，说明调质工艺中，接头的低温韧性受淬火温度的变化差别较大；800 ℃～900 ℃之间，随淬火温度的不断增大，冲击性能不断；当温度在800 ℃～850 ℃之间时，韧性下降速度快。淬火温度在900 ℃后，逆转奥氏体的体积分数仅为2%左右。细化组织结构能加速逆转奥氏体的产生，说明850 ℃是一个关键温度，推断9Ni 钢的奥氏体晶粒大小在850℃以上的温度下会出现明显的奥氏体晶粒粗化，故9Ni 钢焊接接头的淬火温度应小于850 ℃。在800 ℃、850 ℃、900 ℃不一样的淬火温度时，伴随温度改变，Ai数值变动较小，表示QT热作用淬火温度对Ai作用不明显。Ap变化趋势和Akv差不多一样，在800 ℃～850 ℃随淬火温度的变化而变化较大，表示调质作用下淬火温度对9Ni 钢冲击性能的作用主要是由Ap完成。

800 ℃～900 ℃调质作用下伴随淬火温度增大，材料低温韧性减小。原因是9Ni 钢焊接接头回火过程中，C、Mn 原子往基体中的奥氏体晶粒内运动，这些元素在低温下能够稳定奥氏体的存在，让马氏体转变不容易存在，逆转奥氏体拥有这种优良的特性[3-4]。力学性能受组织中晶粒度制约较大，晶粒越粗大，9Ni 钢材焊接接头的低温性能变小，相同的保温时间内，淬火温度大，则奥氏体就容易长大，同时QT 作用下逆转奥氏体一般存在有晶界的地方[5]。一些碳化物粒子存在于9Ni 钢基体中，随淬火温度增加，一些在9Ni 钢马氏体中的碳物质会渗入奥氏体从而提高了其碳含量，马氏体随着碳含量增加，开始改变温度减小，这会增加残余奥氏体的比例。与回转奥氏体相比，残余奥氏体的力学性能特别不好以及受热后容易变化[6]。在外载荷或温度较低的环境，易形成马氏体转化，这容易作为裂纹产生和扩展的渠道。从实验中也可以证明，裂纹扩展功随淬火温度的增加减小越多。

2.1.2 回火温度的影响

由实验热处理工艺可知，采用已被优化的淬火温度800 ℃，保温1 h后分别在510 ℃、540 ℃、570 ℃和600 ℃回火1 h，放在水中快速冷却，低温冲击性能见表2。

表2 调质热处理不同回火温度的冲击性能

由表2知，570 ℃回火，冲击功到达峰值205.136 5 J，比540 ℃和600 ℃温度回火时增加了40～50 J；而510 ℃下冲击功才101.254 8 J，与570 ℃相比其数值相差很大。说明，伴随回火温度改变，9Ni 钢材接头低温性能变动很大。在四种不同回火温度下，温度510 ℃～570 ℃之间，9 Ni 钢材的低温性能随回火温度增加而变好；570 ℃～600 ℃之间回火，9Ni钢低温性能随回火温度升高而变差，低温性能变动与回火温度改变不存在简单线性关系[7-8]。由表2可知，随回火温度的改变，Ap数值变动很少，表示在调质处理过程Ap受回火温度改变变动很少。Ai和Akv变动方向差不多一样，都随回火温度的改变而变动范围广，则表示在调质工艺过程回火温度变化对9Ni 钢低温性能的作用是由Ai来完成。

2.2 QLT对9Ni钢焊接接头性能影响

2.2.1 淬火温度的影响

调整两相区热工艺过程的淬火温度，选用800°C、850°C和900°C，以水为冷却介质。实验结果见表3。

表3 两相区热处理不同淬火温度的冲击韧性

由表3 知，在两相区工艺中，经过800 ℃、850 ℃和900 ℃淬火后，在670 ℃下中间淬火，在570 ℃下回火，伴随淬火温度增大，低温冲击性能稍微有点减小。相对调质工艺，两相热处理过程9Ni钢材淬火温度改变对9Ni钢冲击性能影响很少。

2.2.2 中间淬火温度的影响

因为9Ni 钢的Ac1是640 ℃，Ac3为750 ℃，所以选择640 °C、670 °C 和700 °C 来研究不同中间淬火温度对9Ni钢焊接接头低温冲击性能的作用机理，实验结果见表4。

表4 两相区热处理不同中间淬火温度的冲击韧性

由表4知，在800°C 淬火，640°C、670°C、700°C中间淬火，接着570°C 回火，显示冲击功与中间淬火温度之间不存在简单线性关系；温度670°C，冲击性能到达最大值（冲击功240.746 5 J）；640°C 和700°C下冲击功与670°C 差别小，说明中间淬火温度对9Ni钢焊接接头低温冲击性能的作用不大；中间淬火温度应为670°C，在Acl或Ac3附近减小了材料低温性能；随着淬火温度的升高，Ai稍微有些减小。Ap和Akv变化情况类似，随温度的变动，二者波动幅度相对大。总之，QLT 过程中中间淬火温度对9Ni钢材焊接接头低温性能影响主要由Ap完成。

当中间淬火温度太大，残余奥氏体形核增加，由于其不可以吸纳过量稳定元素（C、Ni），从而造成生成马氏体组织。随着回火过程进行，回转奥氏体容易在出现残余奥氏体存在的位置（这些位置C、Ni、Mn 含量多）析出沉淀以致其含量大幅增加。逆转奥氏体在外界条件发生变化时（如低温等）容易形成马氏体相变，从而使组织低温性能变差。当中间淬火温度太小，大量铁素体相析出，而使后来组织逆转奥氏体比例降低。在恶劣环境条件（如低温）下，铁素体的力学以及热稳定性非常差，这可能作为裂纹存在和其传播中介，大大弱化9Ni 钢材冲击性能。因此，如果中淬火温度太大或者太小，钢的低温性能会减小，从而优化后的中间淬火参数为670℃。

2.2.3 回火温度的影响

采用最佳淬火温度为800 ℃，两相区淬火温度为670 ℃，在510 ℃、540 ℃、570 ℃以及600 ℃下回火，然后采用水冷却。低温冲击性能结果见表5。

表5 两相区热处理不同回火温度的冲击性能

由表5 知，510 ℃回火冲击功与570 ℃时相差较大，说明两相热处理过程回火温度对9Ni钢材焊接接头的冲击性能起非常大的作用。在两相工艺过程中，回火温度对Ai作用不大。Ap的变化情况与Akv走向大致一致，基本上在同一值下到达峰值。总之，QLT 热处理过程回火温度对9Ni 钢接头冲击作用主要是由Ap完成。

两相热处理过程低温性能随回火温度的改变而变化，趋势和调质热处理过程一样，最大值也出现在570 ℃，原因相似，即：回火温度低则组织中沉淀的逆向奥氏体含量相对更少，这无法达到增韧基体的作用，因而低温韧性较低。回火温度值大则沉淀逆转奥氏体数量增加，可是奥氏体中起稳定作用的元素的比例减少，从而使逆转奥氏体容易发生转变[9]。当环境发生改变（如低温下）容易转化为马氏体，从而使低温性能减小。与调质工艺对比，逆转奥氏体的分布相对分散、均匀，同时数量增加很多。