彭清和，顏文煅，周著學(xué)，林志燦

（閩南理工學(xué)院光電與機(jī)電工程學(xué)院，福建石獅 362700）

9Ni鋼在-196 ℃低溫下仍具有較高的機(jī)械性能，尤其是良好的韌性，從而被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)LNG 儲(chǔ)罐和運(yùn)輸船[1-2]。但是，9Ni鋼接頭在低溫條件下服役過程塑韌性惡化現(xiàn)象是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)嚴(yán)重的問題。在焊接該材料的時(shí)候，容易出現(xiàn)一些問題，如熔合線的粗晶區(qū)可能會(huì)由于低溫的原因出現(xiàn)脆化，這是9Ni鋼焊接接頭易生成裂紋，從而導(dǎo)致該材料容易受到破壞。據(jù)此，為了避免出現(xiàn)這種情況，提高LNG運(yùn)輸?shù)陌踩裕托枰獙ζ湔归_研究和分析，明確熱處理工藝參數(shù)對9Ni 鋼焊接接頭低溫性能的影響。通過研究熱處理工藝（調(diào)質(zhì)熱處理以及兩相區(qū)熱處理工藝）對手工電弧焊接頭低溫韌性的影響變化以及作用機(jī)理，為提高9Ni鋼焊接接頭在低溫下的塑性韌性提供理論支撐。

1 試驗(yàn)方法

9Ni鋼具有良好的低溫韌性，在建造LNG儲(chǔ)罐和運(yùn)輸船等方面得到了廣泛的應(yīng)用。因而，搞清各熱處理過程中各個(gè)階段的工藝參數(shù)對接頭性能的作用就非常重要?，F(xiàn)用試驗(yàn)研究調(diào)質(zhì)熱處理（QT）和兩相區(qū)熱處理（QLT）工藝過程淬火以及回火溫度對9Ni鋼焊接接頭低溫沖擊性能的作用機(jī)理。

試驗(yàn)用鋼尺寸為400 × 200 × 20 mm，把焊接好的9Ni 鋼板放在KX-12-12 箱式電阻爐中經(jīng)不同的熱處理工藝參數(shù)后進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程加熱和保溫階段在KX-12-12 電阻爐（圖1）進(jìn)行；沖擊性能試驗(yàn)設(shè)備選用在JB-500B擺捶式?jīng)_擊設(shè)備（圖2）進(jìn)行。接頭沖擊實(shí)驗(yàn)應(yīng)依照國標(biāo)GB/T 2650進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為-196 ℃，取10×10×55 mm 尺寸作為沖擊試樣標(biāo)準(zhǔn)，并在多個(gè)部位開V型缺口。

圖1 箱式電阻爐

圖2 JB-500B擺捶式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)

2 結(jié)果及分析

2.1 QT對9Ni鋼焊接接頭性能影響

2.1.1 淬火溫度的影響

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整調(diào)質(zhì)工藝過程的淬火溫度來獲得不同條件下的沖擊韌性，方案如圖3。

圖3 調(diào)質(zhì)處理下不同淬火溫度的實(shí)驗(yàn)

對手工電弧焊后的焊接接頭進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，實(shí)驗(yàn)中的淬火溫度分別是800 ℃、850 ℃和900 ℃。為了最大程度提升材料的低溫韌性，實(shí)驗(yàn)過程中選擇水作為冷卻介質(zhì)?；鼗饻囟葹?70 ℃，然后水冷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 調(diào)質(zhì)熱處理不同淬火溫度的沖擊性能

由表1知：隨淬火溫度增大，低溫韌性減小；800°C沖擊功最大，峰值為208.158 4 J，為850 ℃和900 ℃沖擊功的2 倍左右，說明調(diào)質(zhì)工藝中，接頭的低溫韌性受淬火溫度的變化差別較大；800 ℃～900 ℃之間，隨淬火溫度的不斷增大，沖擊性能不斷；當(dāng)溫度在800 ℃～850 ℃之間時(shí)，韌性下降速度快。淬火溫度在900 ℃后，逆轉(zhuǎn)奧氏體的體積分?jǐn)?shù)僅為2%左右。細(xì)化組織結(jié)構(gòu)能加速逆轉(zhuǎn)奧氏體的產(chǎn)生，說明850 ℃是一個(gè)關(guān)鍵溫度，推斷9Ni 鋼的奧氏體晶粒大小在850℃以上的溫度下會(huì)出現(xiàn)明顯的奧氏體晶粒粗化，故9Ni 鋼焊接接頭的淬火溫度應(yīng)小于850 ℃。在800 ℃、850 ℃、900 ℃不一樣的淬火溫度時(shí)，伴隨溫度改變，Ai數(shù)值變動(dòng)較小，表示QT熱作用淬火溫度對Ai作用不明顯。Ap變化趨勢和Akv差不多一樣，在800 ℃～850 ℃隨淬火溫度的變化而變化較大，表示調(diào)質(zhì)作用下淬火溫度對9Ni 鋼沖擊性能的作用主要是由Ap完成。

800 ℃～900 ℃調(diào)質(zhì)作用下伴隨淬火溫度增大，材料低溫韌性減小。原因是9Ni 鋼焊接接頭回火過程中，C、Mn 原子往基體中的奧氏體晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這些元素在低溫下能夠穩(wěn)定奧氏體的存在，讓馬氏體轉(zhuǎn)變不容易存在，逆轉(zhuǎn)奧氏體擁有這種優(yōu)良的特性[3-4]。力學(xué)性能受組織中晶粒度制約較大，晶粒越粗大，9Ni 鋼材焊接接頭的低溫性能變小，相同的保溫時(shí)間內(nèi)，淬火溫度大，則奧氏體就容易長大，同時(shí)QT 作用下逆轉(zhuǎn)奧氏體一般存在有晶界的地方[5]。一些碳化物粒子存在于9Ni 鋼基體中，隨淬火溫度增加，一些在9Ni 鋼馬氏體中的碳物質(zhì)會(huì)滲入奧氏體從而提高了其碳含量，馬氏體隨著碳含量增加，開始改變溫度減小，這會(huì)增加殘余奧氏體的比例。與回轉(zhuǎn)奧氏體相比，殘余奧氏體的力學(xué)性能特別不好以及受熱后容易變化[6]。在外載荷或溫度較低的環(huán)境，易形成馬氏體轉(zhuǎn)化，這容易作為裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的渠道。從實(shí)驗(yàn)中也可以證明，裂紋擴(kuò)展功隨淬火溫度的增加減小越多。

2.1.2 回火溫度的影響

由實(shí)驗(yàn)熱處理工藝可知，采用已被優(yōu)化的淬火溫度800 ℃，保溫1 h后分別在510 ℃、540 ℃、570 ℃和600 ℃回火1 h，放在水中快速冷卻，低溫沖擊性能見表2。

表2 調(diào)質(zhì)熱處理不同回火溫度的沖擊性能

由表2知，570 ℃回火，沖擊功到達(dá)峰值205.136 5 J，比540 ℃和600 ℃溫度回火時(shí)增加了40～50 J；而510 ℃下沖擊功才101.254 8 J，與570 ℃相比其數(shù)值相差很大。說明，伴隨回火溫度改變，9Ni 鋼材接頭低溫性能變動(dòng)很大。在四種不同回火溫度下，溫度510 ℃～570 ℃之間，9 Ni 鋼材的低溫性能隨回火溫度增加而變好；570 ℃～600 ℃之間回火，9Ni鋼低溫性能隨回火溫度升高而變差，低溫性能變動(dòng)與回火溫度改變不存在簡單線性關(guān)系[7-8]。由表2可知，隨回火溫度的改變，Ap數(shù)值變動(dòng)很少，表示在調(diào)質(zhì)處理過程Ap受回火溫度改變變動(dòng)很少。Ai和Akv變動(dòng)方向差不多一樣，都隨回火溫度的改變而變動(dòng)范圍廣，則表示在調(diào)質(zhì)工藝過程回火溫度變化對9Ni 鋼低溫性能的作用是由Ai來完成。

2.2 QLT對9Ni鋼焊接接頭性能影響

2.2.1 淬火溫度的影響

調(diào)整兩相區(qū)熱工藝過程的淬火溫度，選用800°C、850°C和900°C，以水為冷卻介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 兩相區(qū)熱處理不同淬火溫度的沖擊韌性

由表3 知，在兩相區(qū)工藝中，經(jīng)過800 ℃、850 ℃和900 ℃淬火后，在670 ℃下中間淬火，在570 ℃下回火，伴隨淬火溫度增大，低溫沖擊性能稍微有點(diǎn)減小。相對調(diào)質(zhì)工藝，兩相熱處理過程9Ni鋼材淬火溫度改變對9Ni鋼沖擊性能影響很少。

2.2.2 中間淬火溫度的影響

因?yàn)?Ni 鋼的Ac1是640 ℃，Ac3為750 ℃，所以選擇640 °C、670 °C 和700 °C 來研究不同中間淬火溫度對9Ni鋼焊接接頭低溫沖擊性能的作用機(jī)理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 兩相區(qū)熱處理不同中間淬火溫度的沖擊韌性

由表4知，在800°C 淬火，640°C、670°C、700°C中間淬火，接著570°C 回火，顯示沖擊功與中間淬火溫度之間不存在簡單線性關(guān)系；溫度670°C，沖擊性能到達(dá)最大值（沖擊功240.746 5 J）；640°C 和700°C下沖擊功與670°C 差別小，說明中間淬火溫度對9Ni鋼焊接接頭低溫沖擊性能的作用不大；中間淬火溫度應(yīng)為670°C，在Acl或Ac3附近減小了材料低溫性能；隨著淬火溫度的升高，Ai稍微有些減小。Ap和Akv變化情況類似，隨溫度的變動(dòng)，二者波動(dòng)幅度相對大。總之，QLT 過程中中間淬火溫度對9Ni鋼材焊接接頭低溫性能影響主要由Ap完成。

當(dāng)中間淬火溫度太大，殘余奧氏體形核增加，由于其不可以吸納過量穩(wěn)定元素（C、Ni），從而造成生成馬氏體組織。隨著回火過程進(jìn)行，回轉(zhuǎn)奧氏體容易在出現(xiàn)殘余奧氏體存在的位置（這些位置C、Ni、Mn 含量多）析出沉淀以致其含量大幅增加。逆轉(zhuǎn)奧氏體在外界條件發(fā)生變化時(shí)（如低溫等）容易形成馬氏體相變，從而使組織低溫性能變差。當(dāng)中間淬火溫度太小，大量鐵素體相析出，而使后來組織逆轉(zhuǎn)奧氏體比例降低。在惡劣環(huán)境條件（如低溫）下，鐵素體的力學(xué)以及熱穩(wěn)定性非常差，這可能作為裂紋存在和其傳播中介，大大弱化9Ni 鋼材沖擊性能。因此，如果中淬火溫度太大或者太小，鋼的低溫性能會(huì)減小，從而優(yōu)化后的中間淬火參數(shù)為670℃。

2.2.3 回火溫度的影響

采用最佳淬火溫度為800 ℃，兩相區(qū)淬火溫度為670 ℃，在510 ℃、540 ℃、570 ℃以及600 ℃下回火，然后采用水冷卻。低溫沖擊性能結(jié)果見表5。

表5 兩相區(qū)熱處理不同回火溫度的沖擊性能

由表5 知，510 ℃回火沖擊功與570 ℃時(shí)相差較大，說明兩相熱處理過程回火溫度對9Ni鋼材焊接接頭的沖擊性能起非常大的作用。在兩相工藝過程中，回火溫度對Ai作用不大。Ap的變化情況與Akv走向大致一致，基本上在同一值下到達(dá)峰值?？傊?，QLT 熱處理過程回火溫度對9Ni 鋼接頭沖擊作用主要是由Ap完成。

兩相熱處理過程低溫性能隨回火溫度的改變而變化，趨勢和調(diào)質(zhì)熱處理過程一樣，最大值也出現(xiàn)在570 ℃，原因相似，即：回火溫度低則組織中沉淀的逆向奧氏體含量相對更少，這無法達(dá)到增韌基體的作用，因而低溫韌性較低。回火溫度值大則沉淀逆轉(zhuǎn)奧氏體數(shù)量增加，可是奧氏體中起穩(wěn)定作用的元素的比例減少，從而使逆轉(zhuǎn)奧氏體容易發(fā)生轉(zhuǎn)變[9]。當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變（如低溫下）容易轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而使低溫性能減小。與調(diào)質(zhì)工藝對比，逆轉(zhuǎn)奧氏體的分布相對分散、均勻，同時(shí)數(shù)量增加很多。

3 結(jié)論

（1）QT熱處理優(yōu)化方案為淬火溫度800 ℃，回火溫度570℃。

（2）QLT 優(yōu)化方案為淬火溫度800 ℃，中間淬火溫度670 ℃，回火溫度570 ℃。

（3）QT 熱處理過程淬火溫度對9Ni 鋼低溫性能的作用主要是由Ap完成，回火溫度對9Ni鋼接頭低溫性能的作用是由Ai來完成；QLT熱處理過程淬火溫度對9Ni 鋼低溫性能影響很少，中間淬火溫度對9Ni 鋼材焊接接頭低溫性能影響主要由Ap完成，回火溫度對9Ni鋼接頭低溫性能的作用主要是由Ap完成。