08Ni3DR钢焊接接头最薄弱区域与冲击韧性之间的关系

杨兆庆 李金梅 梁小武

摘要：低温压力容器08Ni3DR钢在极低温度下（-100 ℃）具有较好的强韧性匹配，在实际工程应用中，保障焊接接头的低温冲击韧性一直是压力容器制造过程中的难题之一。对于实际的焊接接头，最薄弱区域的确定以及最薄弱区域的影响对焊接接头的表征具有重要的意义。通过将夏比V型缺口开在母材、焊缝、热影响区不同位置处，系统研究了08Ni3DR压力容器钢焊接接头的组织和韧性。结果表明：焊接接头韧性最薄弱区域为粗晶热影响区，其粗晶热影响区的显微组织为粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体组成的复合组织。粗晶热影响区宽度在缺口尖端前沿所占比例越高，试样的冲击吸收能量越低。当粗晶热影响区宽度所占比例达到100%时，冲击吸收能量为27 J，相比于母材冲击韧性损失高达90.7%。以上两个方面充分体现出焊接接头最薄弱区域对冲击韧性有很大的影响。

关键词：08Ni3DR;最薄弱区域;粗晶热影响区;冲击韧性

0    前言

近几十年来随着石油、化工产品的消费迅速上升，尤其是乙烯工业的飞速发展，对低温及超低温用结构材料的需求越来越大，低温材料作为重要的战略物资，国内各大钢厂都在进行研究，这就对大型低温装置的建设提出了更高的要求[1-3]。低温压力容器08Ni3DR钢在极低温度下（-100 ℃）具有较好的强韧性匹配，已被广泛用于存储包括乙烯、低温甲醇洗、城市燃气、二氧化碳等低温装置中。在实际的工程应用中，熔焊技术是制造大型压力容器结构必不可少的技术。但是，保障焊接接头的低温冲击韧性一直是压力容器制造过程中的难题之一。焊接接头热影响区（heat affected zone，HAZ）中的粗晶热影响区（coarse grain heat affected zone，CGHAZ）有可能产生粗大晶粒和损害韧性的微观组织，例如粒状贝氏体、上贝氏体、马氏体、侧板条铁素体等[4-6]，从而成为诱发解理裂纹失稳扩展，引发断裂的最薄弱区域[7-8]。因此这不仅需要提高压力容器设备的冲击性能，而且还必须具有优良的可焊接性[9]。目前，国内外学者大多采用热模拟技术或通过改变焊接参数来研究热影响区的性能，其结果仅能反映焊接接头在一定热模拟参数下的力学性能，并不能反映钢材的真实可焊性及其对焊接的适应性。实际焊接接头中的热影响区是一个很窄的区域，最薄弱的粗晶热影响区是一个狭小的微区，单独表征实际焊接接头中热影响区的冲击韧性是非常困难的，并且热影响区特别是粗晶热影响区占缺口尖端8 mm韧带不同比例时冲击韧性是不一样的。因此通过将缺口尖端开在焊接接头热影响区不同位置处，通过一系列实验得出不同比例的粗晶热影响区试样所对应的冲击韧性以及焊接接头最低的冲击韧性，综合以上两个方面来体现焊接接头最薄弱区域对冲击韧性的影响。基于此，文中揭示了08Ni3DR焊条电弧焊焊接接头的最薄弱区域，结合热影响区的组织、硬度、断口形貌，从理论上研究了缺口位于热影响区不同位置时最薄弱区域在缺口试样8 mm韧带上占的比例与冲击韧性之间的关系。为承压设备常用材料焊接接头最薄弱区域韧性的合格指标提供数据支撑，为建立钢材焊接最薄弱区域对冲击韧性的评价方法提供理论基础。

1 实验材料与方法

实验母材采用08Ni3DR压力容器低温钢板，厚度32 mm，母材化学成分如表1所示。焊前预热温度为120～160 ℃，焊后热处理工艺为590 ℃，保温4 h，开V型坡口。焊条电弧焊采用 OERLIKON 公司生产的 E7016-C2L 焊条，其熔敷金属化学成分如表2所示。焊接工艺参数为：热输入15 kJ/cm，焊接电流150～160 A，焊接电压30 V，焊接速度10 m/h。在板厚的1/4处取横向试样，缺口方向垂直于焊接方向。试样参照并执行国家标准 GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行取样加工，标准的夏比V型缺口分别取在母材（base metal，BM），焊缝（weld metal，WM）和热影响区。将热影响区划分为粗晶热影响区（CGHAZ），细晶热影响区（fine grained heat affected zone，FGHAZ），临界热影响区（intercritical heat affected zone，ICHAZ），亚临界热影响区（subcritical heat affected zone，SCHAZ）。选取熔合线较为平直的试样，将缺口取在熔合线处（粗晶热影响区），如图1所示。细晶热影响区缺口开在距离熔合线1 mm处，临界热影响区缺口开在距离熔合线1.5 mm处，亚临界热影响区缺口开在距离熔合线2 mm处。通过带有千分尺的光学显微镜在左右移动距离为0.1 mm的范围内统计出缺口尖端粗晶热影响区宽度所占8 mm缺口尖端前沿的比例。使用CIEM-300-CPC電气测量冲击试验机在-100 ℃下进行低温冲击试验。其中，母材、焊缝各制备5个冲击试样，粗晶热影响区制备50个冲击试样，热影响区其他区域制备10个冲击试样。采用Quanta450FEG型扫描电子显微镜（SEM）分析组织和断口形貌。采用HAT-1000A数字显示显微硬度仪测量显微硬度。

2 结果与分析

2.1 焊接接头各区域的冲击吸收能量

08Ni3DR钢焊接接头在-100 ℃下各区域的冲击吸收能量如表3所示。-100 ℃时，母材、亚临界热影响区、临界热影响区、细晶热影响区的平均冲击吸收能量均在270 J以上，都具有优异的冲击韧性，焊缝的平均冲击吸收能量为158 J，冲击韧性表现良好。通过一系列实验得到缺口尖端冲击试样前沿含有粗晶热影响区的冲击吸收能量最低只有41 J，粗晶热影响区的冲击吸收能量相比焊接接头其他区域差异巨大，其冲击吸收能量相比于母材损失了约86%，成为韧性最薄弱的区域。08Ni3DR钢焊接接头各区域在-100 ℃下的冲击断口形貌如图2所示。母材、亚临界热影响区、临界热影响区、细晶热影响区的断口都被韧性断裂区覆盖，在微观断口发现了大量密集的韧窝和撕裂棱，表现为完全的韧性断裂。焊缝金属的断口由解理区和韧性断裂区共同组成，在微观断口上展现出河流状花样的解理台阶、韧窝、撕裂脊共存的现象，表现为准解理断裂。

2.2 焊接接头各区域的微观组织及硬度

08Ni3DR钢焊接接头各区域的显微组织如图3所示。亚临界热影响区组织与母材相比，均为块状铁素体，且基体上弥散分布有少许碳化物。临界热影响区组织为晶粒尺寸差异较大的铁素体，这可能是由于一部分组织发生奥氏体化，在冷却的过程中转变为细小的晶粒，其余部分仍保持原来晶粒较大的尺寸。因此，此区域的组织由一部分未转变的较粗大晶粒和已转变的细小晶粒组成。细晶热影响区的组织由晶粒尺寸均一且细小的块状铁素体（Block ferrite，BF）组成。粗晶热影响区组织发生严重的粗化，在冷却过程中，产生粒状贝氏体（Granular  ferrite，GB）和板条贝氏体（Lath bainite，LB）组成的复合组织。焊缝一次组织为粗大的柱状晶，分布有少量碳化物，在晶界内形成细小的针状铁素体（Acicular ferrite，AF）。二次组织为块状铁素体，且尺寸较为均匀。晶粒尺寸分布如图4所示。由图可知，母材的平均晶粒尺寸为13.5 µm，最大为27 µm;亚临界热影响区的平均晶粒尺寸为13.7 µm，最大为27 µm;临界热影响区的平均晶粒尺寸为11.5 µm，最大为26 µm;细晶热影响区的平均晶粒尺寸为7.8 µm，最大为18 µm;而粗晶热影响区的平均晶粒尺寸为25 µm，最大为55 µm。通过比较图3的微观组织以及图4的晶粒尺寸分布可知，母材、细晶热影响区、粗晶热影响区的晶粒尺寸差异较大。虽然临界热影响区的晶粒尺寸不均匀，但平均晶粒尺寸和母材、亚临界热影响区的晶粒尺寸相近。相比细晶热影响区，粗晶热影响区的晶粒尺寸粗化显著。焊缝、热影响区以及母材的硬度分布如图5所示。远离熔合线的亚临界热影响区平均硬度最小，显微硬度值为157～164 HV，相对于母材硬度值的168～181 HV发生少许软化。临界热影响区和细晶热影响区相比母材，硬度有所提升。紧邻熔合线的焊缝和粗晶热影响区的硬度较高，而粗晶热影响区表现出最高的硬度，硬度平均值达到210～231 HV。

2.3 粗晶热影响区宽度占缺口尖端前沿比例与冲击吸收能量的关系

通过一系列缺口试样的研究，将缺口开在熔合线处，发现冲击吸收能量在41～305 J范围内波动，说明缺口尖端前沿粗晶热影响区组织比例的不同，会严重影响缺口试样的冲击韧性。缺口尖端开在熔合线处，但韧带上含有不同比例不同区域的混合组织断口形貌如图6所示。比较图6可知，缺口尖端呈现准解理断裂区域的不同，最后决定了不同试样存在不同的冲击韧性，而且随着呈现准解理断裂区域的粗晶热影响区比例的增加，冲击韧性随之降低。通过测量缺口尖端粗晶热影响区宽度分布比例，得到不同粗晶热影响区宽度的断口形貌。当冲击吸收能量在270 J以上时，缺口尖端并没有粗晶热影响区组织的存在，因而对其韧性并没有削弱。当冲击冲击吸收能量下降到233 J时，测得粗晶热影响区宽度所占比例达到整个韧带区的21.7%，断口由大量的韧性断裂区和21.7%的脆性解理断裂区组成。当冲击吸收能量下降到123 J时，粗晶热影响区宽度所占比例达到了62.1%，断口由少量的韧性断裂区和62.1%的脆性解理断裂区组成。当冲击吸收能量降低到47 J时，粗晶热影响区宽度所占比例达到了86.5%，断口上大部分由脆性解理断裂区组成，仅有少许韧性断裂区，此时，相比于母材冲击吸收能量损失了约86%。虽然在实际施焊条件下，并没有出现粗晶热影响区宽度所占百分比例的缺口试样，但是可以通过粗晶热影响区的分布比例与冲击韧性的分布曲线（见图7），通过函数拟合公式，从而间接地计算出100%粗晶热影响区宽度所占比例相对应的冲击韧性。完整的粗晶热影响区的冲击吸收能量拟合值为27 J （非实验线性拟合值）。从曲线分布来看，总体趋势为：随着粗晶热影响区所占缺口尖端前沿的比例增加冲击韧性逐渐降低。

2.4 焊接接头最薄弱区域的确定

焊接接头热影响区中的局部脆性大多是由粗晶热影响区引起的。由于晶粒的显著粗化，这使得热影响区和母材的性能严重失配。粗晶热影响区的显微组织通常是粒状贝氏体、多边形铁素体和M-A组元组成的混合微观组织，区别主要在于贝氏体、铁素体的晶粒尺寸以及M-A组元的尺寸和含量[10-13]。在本研究中，母材、细晶热影响区、粗晶热影响区的平均晶粒尺寸分别为13.5 µm、7.8 µm、25 µm，最大平均晶粒尺寸为27 µm、18 µm、55 µm。细晶热影响区的平均晶粒尺寸约为粗晶热影响区晶粒尺寸的1/3。结合焊接接头各区域的硬度值，临界热影响区与细晶热影响区的硬度相比母材有所提升，其原因可能是晶粒细化所导致的细晶强化。同时，粗晶热影响区的组织为粒状贝氏体和板条贝氏体组成。而其他区域为单一的铁素体组成。因此，韧性的提高是由更细小的单一晶粒组织引起的。粗晶热影响区和细晶热影响区之间冲击韧性的主要差异是晶粒尺寸和组织的不同所致[14-15]。对比各个区域的显微组织，由于粗晶热影响区有贝氏体出现，而其他区域并不存在，因而表现出更高的硬度（210～231 HV），大于焊接接头任何区域的硬度。所以，显微组织由粗大的粒状贝氏体以及板条贝氏体组成的粗晶热影响区表现出最差的冲击韧性，而晶粒尺寸较细小且组织组成较单一的母材、亚临界影响区、临界热影响区、细晶热影响区拥有更好的冲击韧性。上述实验结果表明，08Ni3DR钢焊接接头的最薄弱区域是粗晶热影响区，而粗大的粒状貝氏体+板条贝氏体是韧性最弱的显微组织，这是粗晶热影响区韧性差的最直接原因。

2.5 最薄弱区域比例对冲击韧性的影响规律

由于缺口位置的差异，冲击吸收能量的差异超过了250 J左右。粗晶热影响区的宽度随热影响区熔合线中缺口位置的微小变化而发生显著变化。随着缺口尖端的粗晶热影响区分数的增加，冲击吸收能量逐渐降低，直到达到27 J（非实验线性拟合值），这表明缺口尖端的微观组织对冲击韧性有很大的影响。与母材和热影响区其他区域的韧性相比，最薄弱的粗晶热影响区的冲击韧性降低了约90.7%。因此，也进一步说明最薄弱区域在缺口尖端前的分布位置和所占比例对整体焊接接头冲击韧性有很大的影响。当缺口尖端前沿没有粗晶热影响区时，冲击吸收能量大于270 J，缺口尖端前沿的组织由韧性较好的细晶热影响区所组成，试样为完全的韧性断裂。因此，08Ni3DR焊接接头试样中冲击吸收能量从41 J变化到305 J，断裂模式从解理断裂—准解理断裂—韧性断裂逐渐转变，其中主要的原因是在缺口尖端韧带上存在一定比例的粗晶热影响区。这表明除了粗晶热影响区外，其他区域的组织在实验温度下表现出更好的韧性。如果在实际焊接条件下无法获得完整粗晶热影响区的冲击韧性，根据图7可以通过函数模型拟合公式计算出完整的粗晶热影响区所对应的冲击韧性。基于上述讨论，焊接接头缺口试样冲击韧性的差异主要来自于缺口尖端前沿最薄弱区域的分布位置和比例。而最薄弱区域的组织组成决定了该区域的强韧性，因而最薄弱区域在缺口尖端前沿的比例也就影响着缺口试样的冲击韧性。

3 结论

（1） 08Ni3DR钢焊条电弧焊焊接接头在热输入为15 kJ/cm的情况下，最薄弱区域为粗晶热影响区，微观组织由粗大的粒状贝氏体以及板条贝氏体组成，其冲击吸收能量为27 J（非实验线性拟合值）。相对于母材冲击吸收能量降低约90.7%。粗晶热影响区韧性恶化的根本因素是微观组织的转变以及晶粒的粗化。

（2）在实际焊接接头中，最薄弱区域在缺口尖端前沿所占的比例越多，相对应的冲击韧性越低。最薄弱区域占缺口尖端前沿韧带60%～70%时，冲击吸收能量相比母材损失了约70%。当最薄弱区域占缺口尖端前沿的90%～100%时，冲击吸收能量相比母材损失了约90%，充分展现出焊接接头最薄弱区域对缺口试样的冲击韧性有巨大影响。如果在实际施焊条件下，没有得到完整的最薄弱区域的冲击韧性，可以通过拟合的函数模型，从而间接计算出最薄弱区域宽度所占比例相对应的冲击韧性。

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