趙勇臻 李 芳，2 蔡 艷，，2 華學明，2

(1．上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海200240;2．高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240)

低溫環(huán)境對9%Ni鋼SMAW接頭低周疲勞性能的影響

趙勇臻1李 芳1，2蔡 艷，1，2華學明1，2

(1．上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海200240;2．高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240)

對9%Ni鋼焊條電弧焊接頭的低周疲勞性能進行了測試，繪制了室溫環(huán)境的應(yīng)變－壽命曲線，測試了低溫(－180℃)環(huán)境下高應(yīng)變幅值(0．6%)的低周疲勞壽命，觀察了不同測試溫度的試樣斷口，分析低溫環(huán)境對裂紋萌生和裂紋擴展過程的影響。結(jié)果表明，在高應(yīng)變幅值循環(huán)作用下，9%Ni鋼接頭在低溫環(huán)境中出現(xiàn)循環(huán)硬化效應(yīng)，而在室溫中出現(xiàn)循環(huán)軟化效應(yīng)，表明低溫環(huán)境有助于減緩9%Ni鋼接頭的裂紋萌生過程，裂紋的擴展速度在低溫時有所增加。

含鎳低溫鋼 焊條電弧焊接頭 低周疲勞 低溫環(huán)境

0 序 言

隨著能源消耗量的增長，天然氣成為全球范圍內(nèi)需求量增長最快的化石燃料。LNG船是運輸LNG重要途徑，其建造技術(shù)難度高、附加值高、使用過程中安全性要求極高，被譽為世界造船業(yè)皇冠上的明珠。在長距離運輸過程中，海浪、大風造成的液體晃蕩造成對儲罐側(cè)壁的周期性載荷，帶來疲勞失效的潛在風險。此外，LNG儲罐服役過程中反復(fù)承受加載－卸載的應(yīng)力循環(huán)，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中區(qū)損傷場發(fā)生變化，逐漸積累以致于萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生斷裂。

9%Ni鋼作為大型LNG船液貨圍護系統(tǒng)建造的主要鋼材，在低溫下依然具有優(yōu)良的韌性和較高的強度［1］。目前，9%Ni鋼主要的焊接方法為焊條電弧焊和埋弧焊，前者由于操作靈活，在實際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。液化天然氣的沸點為－163℃，9%Ni鋼儲罐在這種低溫環(huán)境中服役的安全性一直是關(guān)注的熱點。為了考察9%Ni鋼焊接接頭在低溫環(huán)境中的韌性，國內(nèi)外學者采用低溫沖擊、低溫CTOD等方法展開了深入研究［2－3］，也有學者對9%Ni鋼母材的室溫疲勞壽命進行了測試［4］，但對焊接接頭低溫疲勞性能的研究尚少見報道。因此，開展相關(guān)測試和分析，顯然對于LNG船的建造和服役都是必要的。

文中在室溫(23℃)下完成了不同總應(yīng)變幅(0．25%，0．3%，0．6%)的9%Ni鋼焊條電弧焊接頭疲勞壽命測試，繪制了E－N曲線;在低溫(－180℃)環(huán)境中采用0．6%應(yīng)變幅進行了等幅循環(huán)疲勞試驗;分析了不同測試環(huán)境下疲勞裂紋萌生和擴展的特征，以及溫度對試樣循環(huán)響應(yīng)特性和疲勞斷口形貌的影響。

1 試驗材料與方法

試驗所采用的材料為南京鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的X7Ni9鋼板，供貨狀態(tài)為淬火+回火(QT)。母材的厚度為20 mm，化學成分見表1，該材料碳含量很低，硫、磷等雜質(zhì)也得到良好控制。選用伯樂公司生產(chǎn)的ENiCrMo－6 型焊條，符合美國 AWS A5．14/A5．14M 標準。焊條直徑為4．0 mm，其化學成分見表2。

圖1為X7Ni9鋼板的顯微組織，主要以回火馬氏體為主。該材料在室溫下的抗拉強度為708 MPa，屈服強度為669 MPa。

表1 9%Ni鋼母材化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

試樣坡口和焊道布置如圖2所示，焊接位置為立向上焊，鈍邊間隙為1～2 mm，各道焊接參數(shù)，見表3，層間溫度控制在100～120℃。

表2 ENiCrMo－6焊條化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 9%Ni鋼母材的組織

圖2 試樣坡口和焊道布置示意圖

低周疲勞試樣按GB/T 5248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》進行設(shè)計，其尺寸如圖3所示，試樣表面經(jīng)嚴格拋光處理。

表3 9%Ni鋼焊條電弧焊接數(shù)

圖3 低周疲勞試樣尺寸

分別在室溫(23℃)和低溫(－180℃)環(huán)境下進行疲勞壽命測試，試驗設(shè)備為MTS電液伺服試驗機Landmark 100 kN，循環(huán)波形為三角波，應(yīng)變比R=－1，應(yīng)變速率恒定為0．002 4/s。采用跨度為12．5 mm的軸向引伸計測量應(yīng)變，室溫下總應(yīng)變幅為0．25%，0．3%和0．6%，低溫下總應(yīng)變幅值恒定為0．6%，每級應(yīng)變至少做3個數(shù)據(jù)點。

2 試驗結(jié)果分析

2．1 應(yīng)變－壽命關(guān)系

在不同循環(huán)應(yīng)變加載情況下，得到9%Ni鋼焊條電弧焊接頭的應(yīng)變－壽命數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在室溫環(huán)境中(23℃)，隨著循環(huán)加載應(yīng)變幅的提高，接頭的疲勞壽命逐漸降低，整個曲線呈冪函數(shù)下降趨勢?？倯?yīng)變幅為0．6%時，接頭在低溫環(huán)境下(23℃)的疲勞壽命顯著提高，其平均增長幅度達到27%。

圖4 應(yīng)變－壽命關(guān)系圖

用Manson-Coffin方程［5］對常溫下9Ni鋼接頭低周疲勞試驗結(jié)果的應(yīng)變－壽命數(shù)據(jù)進行擬合，得到其應(yīng)變－疲勞壽命關(guān)系式為:

式中，Δε為應(yīng)變;Nf為壽命。當零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的;當損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。忽略彈性體積變化，假定試驗均勻變形后體積不變，發(fā)現(xiàn)所有的試樣均斷裂在焊縫區(qū)，如圖5所示。從中發(fā)現(xiàn)，室溫環(huán)境下，隨著應(yīng)變幅的增加，斷口角度基本在30°～45°范圍，表明焊縫金屬具有較好的塑性;但是在低溫環(huán)境的大應(yīng)變幅測試中，斷口截面幾乎垂直于工件表面，表明焊縫金屬在低溫環(huán)境中脆性增加。2．2 循環(huán)響應(yīng)特性

圖5 試樣斷裂位置和典型形貌

圖6 為9%Ni鋼焊條電弧焊接頭在不同應(yīng)變幅下的循環(huán)特征曲線。從圖6a中可以發(fā)現(xiàn)，在室溫環(huán)境中，試樣在低應(yīng)變幅(0．25%)作用下首先發(fā)生循環(huán)硬化效應(yīng)，然后進入穩(wěn)定應(yīng)力階段直至破壞;當應(yīng)變幅增加到0．3%時，試樣同樣在起始階段出現(xiàn)少量循環(huán)硬化，維持到1 000周左右時則發(fā)生了一定程度的循環(huán)軟化，并一直維持到試樣失效;當高應(yīng)變幅(0．6%)作用下，循環(huán)硬化只發(fā)生在最初幾個循環(huán)載荷中，隨后很快就出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象，并且這種軟化現(xiàn)象比低應(yīng)變幅時更為顯著;另一方面，采用高應(yīng)變幅(0．6%)時，三個試樣的循環(huán)響應(yīng)特征曲線存在較大波動，這應(yīng)當是焊縫金屬在成分和組織上的差異造成的。

圖6b為低溫環(huán)境下采用高應(yīng)變幅(0．6%)加載時的循環(huán)響應(yīng)特征曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，試樣在前100周內(nèi)迅速發(fā)生循環(huán)硬化，然后逐漸進入穩(wěn)定應(yīng)力階段，并保持到斷裂階段。

圖6 循環(huán)響應(yīng)特征曲線(

根據(jù)疲勞過程的三個階段，總壽命包括裂紋萌生壽命和擴展壽命兩部分，其中起始壽命包括小裂紋的形成和早期擴展，擴展壽命是裂紋擴展到破壞的部分。在循環(huán)響應(yīng)特征曲線中，可以認為應(yīng)力發(fā)生急劇下降的點為疲勞裂紋萌生和裂紋擴展的分界點。有文獻在循環(huán)應(yīng)力幅連續(xù)下降階段，取應(yīng)力下降幅值達到恒定應(yīng)力幅值5%的點作為裂紋萌生和發(fā)展的分界點［6］，文中分別計算了焊接接頭在室溫和低溫環(huán)境中，高應(yīng)變幅值情況下的裂紋萌生壽命占總壽命的百分比，見表4。

表4 裂紋萌生和總壽命的關(guān)系

觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋萌生階段在9%Ni鋼接頭總疲勞壽命中占了相當高的比例，特別是在低溫環(huán)境中，萌生階段的壽命比例高達90%以上。低溫環(huán)境下，位錯移動阻力增加，試樣的抗拉強度和屈服強度均有所提高，裂紋萌生速度得到抑制，因此應(yīng)力驟降點延后發(fā)生。然而，由于接頭在低溫環(huán)境中塑性下降，裂紋擴展速度增加，應(yīng)力驟降點到斷裂失效的過程較室溫下顯著縮短。

2．3 斷口形貌

圖7為疲勞斷口的宏觀界面照片，觀察發(fā)現(xiàn):疲勞裂紋主要源于試樣表面，裂紋源沿斷口周邊分布，少量裂紋源位于焊縫金屬中的夾渣或析出相變，斷口整體具有多源性特征。

從面積上看，疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)在斷口橫截面上的比例最高，并且可以明顯看到不同形狀的疲勞條帶。

圖7 疲勞斷口形貌

圖8 為疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)微觀形貌。觀察發(fā)現(xiàn)，試樣在室溫和低溫下均具有典型的疲勞輝紋，但輝紋間隔距離存在差異。經(jīng)測量計算，常溫下的疲勞輝紋間距平均值為3．7 μm，低溫下的疲勞輝紋間距減小至1．4 μm，這也說明低溫下疲勞裂紋的擴展速度略有增加。

圖8 疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)

試樣疲勞失效瞬斷區(qū)如圖9所示。觀察發(fā)現(xiàn)室溫試樣在該區(qū)域具有不同尺寸和深淺程度的韌窩，說明試樣具有較好的韌性;低溫試樣上韌窩特征不明顯，表明9%Ni鋼焊縫金屬隨著溫度下降呈現(xiàn)出一定程度的脆性。

圖9 試樣疲勞失效瞬斷區(qū)

3 結(jié) 論

(1)常溫下(23℃)，9%Ni鋼焊條電弧焊接頭的應(yīng)變幅－壽命關(guān)系呈冪函數(shù)下降趨勢，總應(yīng)變幅越高，疲勞壽命越低。保持應(yīng)變幅恒定為0．6%的情況下，試樣在低溫(－180℃)環(huán)境中疲勞壽命平均增加27%。

(2)高應(yīng)變幅時，試樣在室溫時主要呈現(xiàn)循環(huán)軟化

［］［］特征，在低溫時則具有顯著的循環(huán)硬化特征。相對于室溫來說，低溫時裂紋萌生難度增加，但裂紋擴展速度略有提高。

(3)不同溫度下疲勞斷口的疲勞源區(qū)基本都表現(xiàn)為多源性特征，疲勞裂紋擴展區(qū)在疲勞斷口上所占面積最大。裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)的輝紋間距在常溫下為3．7 μm，低溫時為1．4 μm。室溫試樣的瞬斷區(qū)具有不同尺寸的韌窩，為典型的韌性斷裂，低溫試樣瞬斷區(qū)的韌窩數(shù)量較少，具有準解理特征。

［1］ 王鐘煒，黎 雨，李 偉，等．不同成分9Ni鋼的性能和組織研究［J］．上海金屬，2016，38(1):24－28．

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［4］ 王麗英，李金許．9Ni鋼的低周疲勞行為研究［C］．北京:海峽兩岸材料破壞/斷裂學術(shù)會議暨全國MTS材料試驗學術(shù)會議，2010．

［5］ 鄭戰(zhàn)光，蔡敢為，李兆軍，等．基于損傷力學闡釋Manson-Coffin低周疲勞模型［J］．中國機械工程，2011(7):812－814．

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TG445

2017－02－07

趙勇臻，1992年出生，碩士。主要研究方向為9Ni鋼低溫疲勞性能和斷裂韌性。