M-A组元对低温压力容器用钢09 M n NiDR焊接接头的影响

马世成 周冰峰 杨 锐

（德州市产品检验检测研究院 德州 253000）

M-A组元对低温压力容器用钢09 M n NiDR焊接接头的影响

马世成 周冰峰 杨 锐

（德州市产品检验检测研究院 德州 253000）

本文比较了09MnNiDR焊接接头在焊态和SR态的组织、拉伸性能和摆锤冲击性能，揭示了09MnNiDR钢在焊接过程中有M-A组元出现，以及经去应力退火后M-A组元明显分解的现象，同时试验表明M-A组元的分解可以大幅度改善焊接接头的低温韧性。

09MnNiDR钢 M-A组元 低温韧性

09MnNiDR钢是我国自主研发的一种-70℃低温压力容器用钢，凭借其优越的低温韧性，在低温压力容器中获得广泛应用[1-6]。目前国内外对09MnNiDR钢的研究主要集中在焊接接头的性能及焊后热处理等方面[7-14]，很少有人探讨M-A组元对09MnNiDR钢焊接接头的影响，本文通过对比研究了09MnNiDR焊接接头在焊态和SR态的组织、拉伸性能和摆锤冲击性能，重点研究了M-A组元对09MnNiDR钢焊接接头的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用材料为热轧09MnNiDR钢经正火+回火处理后的钢板，且钢板厚度为20mm。其化学成分见表1。试验所用焊丝为H09MnNiDR的承压设备埋弧焊用钢焊丝，其化学成分见表2。

表1 试验用钢化学成分Wt/%

表2 焊丝化学成分Wt/%

1.2 试验方法

试验采用林肯双丝埋弧焊机，为保证09MnNiDR钢焊接接头的性能采用多道次焊接，试验焊接规范参数见表3。

表3 焊接规范参数

从两块焊接钢板中任取一块进行去应力退火（SR，stress relief annealing）处理，其去应力退火工艺为570℃×2h，分别从两块钢板上切取金相试样，试样经镶嵌、打磨、抛光、4%的硝酸酒精腐蚀后，并在FEI Quanta 600型扫描电子显微镜和JEOL JXA-8530F电子探针下观察显微组织。

焊接接头拉伸试验参照GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸实验方法》，对09MnNiDR焊接态和SR态的焊接接头进行拉伸实验，确定断裂部位。拉伸试样从垂直于焊缝轴线方向截取，试样加工完成后，焊缝的轴线位于试样平行长度部分的中间，拉伸试样的形状、尺寸如图1所示，拉伸实验在WAW-1000微机控制电液伺服万能实验机上进行。

图1 拉伸试样形状和尺寸

最后分别从09MnNiDR焊接态和SR态两块钢板上切取10mm×10mm×55mm的V型缺口标准冲击试样，冲击试验按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行，试验温度为-70℃。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织分析

图2为扫描电镜下观察焊态和SR态焊接接头的组织，从图2（a）可以看出，焊缝组织为针状铁素体基体上分布着杂乱无序的块状M-A组元，并伴有细长条状的M-A岛；从图2（c）可以看出，在热影响区组织中也存在M-A组元，不同的是，热影响区内的M-A组元呈细长条状，且分布具有方向性，可见M-A组元不仅出现在焊缝组织中，而且还会出现在热影响区内。

09MnNiDR钢在焊态下出现M-A组元的主要原因是，高温奥氏体在向针状铁素体的转变过程中，碳不断向未发生转变的奥氏体中扩散，使碳不易在g/a相界面聚集，抑制了渗碳体的形成[15]，然后在随后的冷却过程中，未发生转变的奥氏体一部分转变为马氏体，而另一部分来不及转变便以残余奥氏体的形式保留下来，于是形成了富碳的M-A组元。

图2 扫描电镜下观察焊态和SR态焊接接头的组织组织

从图2（b） 、图2（d）可以看出，经过去应力退火后，大部分的M-A组元已分解。为了证明这一点，通过电子探针（EPMA）对比研究了在焊态和SR态两种状态下热影响区C含量的测定，如图3所示。

从图3（a）可以看出，M-A组元中的C含量比针状铁素体基体中C含量高很多；从图3（b）可以看出，M-A组元经去应力退火后发生明显分解，分解出含C量更高的碳化物。

图3 焊态和SR态下热影响区的C含量

2.2 拉伸试验分析

表4为拉伸试验结果，无论是焊态还是去应力退火后的焊接接头，拉伸试样的断裂位置都在母材，说明焊接接头的强度高于母材，具有良好的抗拉性能，通过比较两种状态下的试验结果，表明M-A组元的分解对焊接接头强度影响不大，略有下降。这是因为M-A组元属于硬脆相，具有很高的强度；经去应力退火处理后M-A组元分解为含C量更高的碳化物和铁素体，从而导致强度有所下降。

表4 拉伸试验结果

2.3 冲击试验分析

冲击试验结果见表5。经去应力退火后焊接接头的低温韧性较焊态有了大幅度改善，这是由于经去应力退火后焊接接头中M-A组元分解的缘故。文献[16-19]都认为大块状的M-A组元对韧性不利，一方面是由于M-A组元是针状铁素体基体中的硬颗粒，在受载时很难发生塑性变形，而强度相对较低的针状铁素体易发生塑性变形，于是保持原有形态的M-A组元阻碍了针状铁素体变形，这种变形的不协调必然会产生不协调力；另一方面是由于M-A组元阻碍了位错运动，位错塞积在M-A组元与针状铁素体之间的界面上，M-A组元对塞积的位错产生力的作用，同样塞积的位错也会对M-A组元产生位错力，在不协调力和位错力共同作用下形成了局部应力集中，当共同作用达到一定程度时，就会在晶界处产生微裂纹，微裂纹会沿M-A组元扩展至针状铁素体基体内，导致冲击试样产生解理断裂。

表5 -70℃冲击试验结果

3 结论

1）09MnNiDR钢在焊态下，在焊缝和热影响区内均有M-A组元存在，不同的是焊缝组织中的M-A组元主要呈块状，分布杂乱，并伴有细长条状的M-A岛，而热影响区组织内的M-A组元呈细长条状，且分布具有方向性。

2）经去应力退火后M-A组元明显分解，M-A组元的分解对强度影响不大，但可以大幅度改善焊接接头的低温韧性。

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The In fl uence of M-A Constituent on the Welded Joint of Low Temperature Pressure Vessel Steel 09MnNiDR

Ma Shicheng Zhou Bingfeng Yang Rui
(Dezhou Institute of Product Inspection and Testing Dezhou 253000)

In this paper, the microstructure, tensile properties and impact absorbed energy of 09MnNiDR welded joint in the welded and SR states were compared. The research revealed the martensite-austenite constituent was generated in the welding process of the steel, and the apparent decomposition of M-A group after annealing by stress annealing, in the meantime, the performance of low-temperature toughness of the joint improved remarkable after the annealing.

09MnNiDR steel M-A constituent Low-temperature toughness

X933.4

B

1673-257X（2017）10-0020-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.005

马世成（1984～)，男，硕士，工程师，从事承压类特种设备检验、无损检测、理化分析及基础科学研究工作。

马世成，E-mail： Mshch1000820@163.com。

2017-04-07）