羅 震 ，武鈺棟 ，馬成勇，齊彥昌，張 禹

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2. 天津大學天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300072；3. 鋼鐵研究總院，北京 100081，4. 清華大學機械工程系，北京 100084)

隨著清潔高效能源液化天然氣(LNG)在全球的推廣，作為 LNG 產業(yè)鏈中重要一環(huán)的 LNG 儲罐越來越受到各國的重視[1-2]．經過熱處理后的 9 Ni 鋼顯微組織是低碳馬氏體和殘余奧氏體，具有良好的低溫韌性，是制備 LNG 儲罐的重要材料[3-5]．9 Ni 鋼的焊接也是 LNG 儲罐制備的關鍵環(huán)節(jié)．焊條電弧焊簡易方便，適合多位置焊接，是焊接9 Ni 鋼儲罐的不錯選擇．因此，9 Ni 鋼焊條的研制經歷了長足的發(fā)展．

鎳基焊條因其具有與 9 Ni 鋼相近的熱膨脹系數和優(yōu)良的低溫韌性，成為了焊接 9 Ni 鋼最主要的材料[6-7]．鎳基焊條的高鎳性保證其熔敷金屬具有優(yōu)良的低溫韌性，加入的 Mn、Mo、Nb、Ti、Cr 等多種合金元素有固溶強化、細晶強化和沉淀強化等作用，保證其有合適的強度．吳智武等[8]研究了合金元素對鎳基焊材熔敷金屬性能的影響，發(fā)現：Cr 有利于塑性的提高，Mn 和 Mo 有利于強度的提高．Di 等[9]對元素的偏析及凝固路徑進行了分析，發(fā)現 Cr 元素分布均勻．Dupon[10]對鎳基合金焊接冶金和焊接性進行了研究，發(fā)現鎳基熔敷金屬組織包括γ相、第二相以及NbC 和 Cr23C6等碳化物．鎳基焊條的元素組成及含量影響熔敷金屬的塑性和韌性，決定了 LNG 儲罐焊接接頭的性能．因此，分析合金元素對塑性和韌性的影響機理至關重要．

形變誘導相變在新材料的研發(fā)過程中占有極其重要的作用．奧氏體型材料在形變過程中發(fā)生形變誘導相變，在保證強度的同時，提高了材料的塑性[11].眾多新材料的研制都運用了形變誘導相變的原理．TWIP 等高強鋼憑借其優(yōu)異的塑性和強度廣泛應用于汽車車身[12-13]．NiTi 記憶合金因通過相變誘導馬氏體相變得到優(yōu)異性能，因此它被廣泛應用于生物和航空等領域[14-15]．

我國的LNG 產業(yè)處于高速發(fā)展階段，實現LNG儲罐的國產化已經變得刻不容緩[16-17]．我國已經能自主生產LNG 儲罐用9 Ni 鋼，但對9 Ni 鋼鎳基焊材的研制卻有所落后，成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸[18-20].本文對兩種不同合金成分的鎳基焊條進行焊接實驗，對焊接后的熔敷金屬進行分析，通過形變誘導相變的機理解釋其塑性和韌性差異的原因，為日后的研究提供思路．

1 實驗材料及方法

實驗使用的板材是QT 態(tài)的9 Ni 鋼，化學成分為9.35 Ni-0.05 C-0.45 Si-0.62 Mn(%，質量分數)，余量為Fe，微觀組織是回火馬氏體．實驗使用了 A、B 兩種型號的焊條，即 A1、A2、B1 和 B2．B 型焊條大幅度提升了Cr 元素的含量，降低了Mo 元素和Ni 元素的含量．因為要保證鎳基焊條熔敷金屬的低溫韌性，Ni元素含量不能降低很多，所以降低了Mo 元素的含量.

焊接采用多層多道焊的方式，坡口及焊道分布如圖 1 所示．焊接電壓為 25 V，電流為 130 A，焊接速度為 220 mm/min．利用化學法測量各類焊縫熔敷金屬的元素組成．制備金相時，在實驗研磨拋光后，A型焊條試樣采用 10%鉻酸腐蝕劑在電壓 3 V、電流1 A 的條件下電解腐蝕1 min，洗凈吹干．B 型焊條試樣采用 10%草酸腐蝕劑在電壓 10 V、電流 1 A 的條件下電解腐蝕45 s．利用奧林巴斯GX51 光學顯微鏡進行金相觀察和采集．使用VH-5 維氏硬度計從熔敷金屬根部焊道到表層焊道進行硬度實驗，載荷 49 N，加載時間為10 s，打點間距1 mm．

靜力韌度是靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功，數值近似地等于鋼的拉伸曲線所包圍的面積，它是一個強度與塑性的綜合指標，是表示靜載下材料強度與塑性的配合．按照《焊接接頭拉伸試驗方法》(GB/T 2651—2008)標準，利用 WE-300液壓萬能拉伸機對制備好的熔敷金屬進行拉伸試驗，之后計算拉伸曲線與位移軸的積分面積．在 A2、B2型焊條熔敷金屬拉伸前及拉伸斷裂后斷口附近取樣，進行背散射電子衍射測試(EBSD)．A 型焊條熔敷金屬的 EBSD 試樣用 6 V 電壓電解拋光 5 s，B 型焊條熔敷金屬的 EBSD 試樣用 19 V 電壓電解拋光 18 s，電解拋光液均為 10%的高氯酸．制樣完畢后，使用電子背散射衍射一體化系統儀器進行實驗．拉伸斷裂后的試樣清潔洗凈后，在 EVO 型掃描電鏡(SEM)觀察其斷口形貌．按照《焊接接頭拉伸試驗方法》(GB/T 2650—2008)標準，采用 JBZ-300B 型自動沖擊實驗機對制備好的熔敷金屬標準樣在-196 ℃下進行示波沖擊實驗．

圖1 坡口及焊道分布Fig.1 Schematic diagram of groove and weld bead

2 實驗結果與討論

2.1 顯微組織及硬度

表1 列出熔敷金屬的化學成分．B 型焊條對應焊縫比A 型焊縫含有更多的Fe 元素和Cr 元素，而Mo元素的含量有所降低．圖 2 為 4 類焊條熔敷金屬的顯微組織金相圖，由圖2 可知4 類焊條熔敷金屬的顯微組織是由γ相樹枝晶組成．鎳基焊材通過加入Cr、Mn、Mo 和Nb 等合金元素，在保證低溫韌性的同時，提高了鎳基焊材的強度和塑性．因此，鎳基焊材有較多的第二相γ′、γ″及碳化物 MC、M6C、M23C6[10]．圖 3為 4 類焊條熔敷金屬的維氏硬度分布．熔敷金屬根部位置焊道硬度較大，這是由于根部位置冷卻速度快，而上層焊道冷卻較慢．同時觀察到A 型焊條的平均硬度也大于 B 型焊條，這是因為 B 型焊材中 Mo含量下降，導致熔敷金屬的強度和硬度下降[8]．

表1 不同焊條熔敷金屬的化學成分Tab.1 Chemical composition of weld metal with different electrodes %

圖2 熔敷金屬的顯微組織金相圖Fig.2 Metallography of weld metal

圖3 熔敷金屬硬度分布Fig.3 Hardness distributions of weld metal

2.2 拉伸實驗分析

圖 4 為熔敷金屬的拉伸曲線．表 2 為 4 種焊條熔敷金屬相應的力學性能指標．A 型焊條熔敷金屬的屈服強度比 B 型高，這與 Mo、Mn 等元素的固溶強化作用有關[7]．A1 焊材的塑性和抗拉強度的不足，是因為A1 中Nb 含量相對較低．在合理的范圍內Nb元素有細化枝晶作用，可以提高熔敷金屬的力學性能[21-23]．從曲線中可以看出，A 型焊縫對應的塑性段較短，即在拉伸力達到最高點時會急劇下降，說明其塑性較差；而 B 型焊縫在拉伸力達到最大后為緩慢下降的過程，且熔敷金屬 B 型兩類焊材的斷后伸長率均大于A 型焊材，說明B 型焊條比A 型焊條熔敷金屬的塑性好．同時計算得出 B 型焊條的靜力韌度大于A 型焊材．

圖4 熔敷金屬拉伸實驗載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves from tensile test of weld metal

表2 不同焊條熔敷金屬的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of weld metal with different electrodes

圖5 為A2 和B2 的拉伸前后熔敷金屬的EBSD實驗結果．圖 5(a)、(b)分別為 A2 焊條熔敷金屬拉伸前 EBSD 圖和拉伸斷裂后斷口附近 EBSD 圖．圖5(c)、(d)分別為 B2 焊條熔敷金屬拉伸前 EBSD 圖和拉伸斷裂后斷口附近 EBSD 圖．圖 5(a)、(c)中組織均為 fcc 的 γ 相，而在圖 5(b)、(d)中出現了 bcc 組織(綠色標記)．對比圖 5(a)、(c)、(b)和(d)可以發(fā)現，Ni 基焊材熔敷金屬在拉伸實驗形變過程中，均有fcc 組織向 bcc 組織轉變的過程，這有利于塑性的提高[24]．表 3 為實驗材料拉伸實驗前后的 fcc 組織和bcc 組織的比例，B2 中 bcc 組織比例高于 A2 中 bcc組織比例，證明了 Cr 有利于奧氏體在形變過程中向馬氏體相變．所以，形變誘導相變保證了B 型焊條熔敷金屬擁有良好的塑性和靜力韌度．B 型焊材 Cr 含量高，有較高的靜力韌度，在拉伸過程中，應力集中會誘導 fcc 結構的γ相發(fā)生 bcc 轉變，而且當相變完成后又會在其他區(qū)域發(fā)生相變，當材料相變量達到一定平衡才會發(fā)生斷裂[25]．

圖5 熔敷金屬拉伸實驗前后相分布Fig.5 Phase distributions before and after tensile test of the deposited metals

表3 EBSD實驗結果Tab.3 Experimental EBSD results %

圖6 為熔敷金屬拉伸實驗斷口SEM 圖．可以發(fā)現 A 型焊材熔敷金屬的拉伸斷口的形貌特征為韌窩和解理相混合，而 B 型熔敷金屬的拉伸斷口為韌窩形貌，這進一步證明了含 Cr 量較高的焊材具有優(yōu)異的塑性．

圖6 熔敷金屬拉伸實驗斷口SEM圖Fig.6 SEM images of fractures in tensile test of weld metals

2.3 低溫沖擊試驗分析

圖 7 為-196 ℃時 A1、A2、B1 和 B2 試樣示波沖擊實驗的力-位移曲線．4 種焊材的熔敷金屬沖擊實驗過程中，當實驗力達到最大后都有緩慢下降的過程，它們沒有明顯的失穩(wěn)擴展過程，證明實驗所用焊材都有較為優(yōu)良的低溫韌性．計算 4 種焊材的熔敷金屬各自的沖擊功，即沖擊曲線所圍成的面積．A1、A2、B1、B2 焊條所對應的-196 ℃的沖擊功分別為77 J、76 J、59 J 和 55 J．A 型焊材熔敷金屬的沖擊功大于 B 型．這是因為 Ni 含量下降，導致低溫韌性下降[26-27]．

圖7 -196 ℃熔敷金屬示波沖擊實驗力-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of weld metals obtained from -196 ℃ charpy instrumented impact tests

3 結 論

(1) 鎳基焊條熔敷金屬的顯微組織為奧氏體樹枝晶，枝晶間分布有第二相和碳化物．熔敷金屬硬度在焊根處較大，在表面較小．

(2) 含 Cr 和 Fe 元素較高的焊條熔敷金屬有較高的靜力韌度，在拉伸過程中 fcc 的γ相容易發(fā)生形變誘導相變，生成bcc 相．含Cr 和Fe 高的B 型焊材熔敷金屬有較好的塑性．

(3) 高的 Cr 和 Fe 元素含量熔敷金屬的低溫沖擊功下降，低溫沖擊韌性較差．