9Ni钢焊接热影响区组织转变规律的研究.pdf

材料工程／２０１０年２期９Ｎｉ钢焊接热影响区组织转变规律的研究ＳｔｕｄｙｏｎＰｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＷｅｌｄｉｎｇＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅｏｆ９ＮｉＳｔｅｅｌ严春妍，李午申。，白世武。，薛振奎。（１河海大学机电工程学院，江苏常州２１３０２２；２天津大学材料科学与工程学院，天津３０００７２；３中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊０６５０００）————ＹＡＮＣｈｕｎｙａｎ，ＬＩＷｕｓｈｅｎ，ＢＡＩＳｈｉｗｕ。，ＸＵＥＺｈｅｎｋｕｉ。（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；３ＰｉｐｅｌｉｎｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＮＰＣ，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５０００，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用热模拟技术研究了液化天然气储罐用９Ｎｉ钢焊接热影响区的组织转变规律。实验结果表明，９Ｎｉ钢经历热循环后的显微组织类型包括贝氏体和马氏体两种。低冷却速度条件下，９Ｎｉ钢经历热循环后的主要转变产物为贝氏体（包括粒状贝氏体和上贝氏体两种类型）；随着冷却速度的提高，组织类型由粒状贝氏体向上贝氏体转化。高冷却速度条件下，经历热循环后的转变产物为马氏体。关键词：９Ｎｉ钢；组织转变；热影响区中图分类号：ＴＧ１４２．７９文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０ｌＯ）０２０００６０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＧｌｅｅｂｌｅｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｏｆ９Ｎｉｓｔｅｅｌｆｏｒｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｂａｉｎｉｔｅａｎｄｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｍｉｇｈｔｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｅｘｐｅｒｉｅｎｃｉｎｇｈｅａｔｃｙｃｌｅｓ．Ｗｉｔｈｌｏｗｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓ，ａｍａｉｎｌｙｂａｉｎｉｔｉｃｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ｉｎｃ１ｕｄｉｎｇｇｒａｎｕｌａｒｂａｉｎｉｔｅａｎｄｕｐｐｅｒｂａｉｎｉｔｅ）ｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｆｔｅｒｅｘｐｅｒｉｅｎｃｉｎｇｈｅａｔｃｙｃｌｅｓ．Ｗｈｅｎｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｇｒａｎｕｌａｒｂａｉｎｉｔｅｗａｓｍｏｒｅｌｉｋｅｌｙｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈａｎｕｐｐｅｒｂａｉｎｉｔｅ．Ｗｉｔｈｈｉｇｈｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓ，ａｍａｉｎｌｙｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｆｔｅｒｅｘｐｅｒｉｅｎｃｉｎｇｈｅａｔｃｙｃｌｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：９Ｎｉｓｔｅｅｌ；ｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ９Ｎｉ钢是２０世纪４Ｏ年代由美国首先开发出的含Ｎｉ量为９（质量分数）的钢种，使用温度最低可达一℃—１９６，是国际上建造液化天然气（ＬｉｑｕｅｆｉｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ，ＬＮＧ）储罐广泛使用的钢种。９Ｎｉ钢属于低温用钢，具有良好的强韧性匹配，其低温力学性能主要决定于化学成分、钢的纯净度以及微观组织［１］。９Ｎｉ钢在经历焊接热循环作用后，焊接热影响区的力学性能在很大程度上取决于该区域的最终组织类型和形态，且由于焊接热影响区（ＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ，ＨＡＺ）是整个焊接接头的薄弱环节，因此研究该区域的组织转变规律、确定组织变化与焊接热循环之间的关系，对于预测焊接接头的性能和控制焊接质量是极其重要的。℃由于热循环峰值温度在１３００以上的过热粗晶区为焊接热影响区中力学性能较差的部分，因此，本工作以该区域为研究对象，采用热模拟技术对其进行模拟，观察和分析了不同焊接热循环条件下该区域的组—织类型和构成、组织形态以及ＭＡ组元，研究了９Ｎｉ钢粗晶热影响区的组织转变规律，从而为提高９Ｎｉ钢焊接接头的低温性能、保证ＬＮＧ低温储罐的安全运行提供了可靠的实验依据。１实验材料及方法１．１实验材料实验材料为淬火＋回火态９Ｎｉ钢，牌号为ＡＳＴＭ℃℃Ａ５５３，Ａｃ和Ａｃ。分别为６２０和７３０，显微组织为回火马氏体和质量分数为７％左右的残余奥氏体。实验用９Ｎｉ钢的主要化学成分和力学性能如表１和表２所示，显微组织如图１所示。表１９Ｎｉ钢的化学成分（质量分数／％）Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ９Ｎｉｓｔｅｅｌ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／）９Ｎｉ钢焊接热影响区组织转变规律的研究９—束间的位相关系不定，ＭＡ小岛排列的方向性不明显。冷速增加时，贝氏体转变温度稍低，碳的扩散距离近，在较小的奥氏体范围内富集，界面处形成较高的碳浓度峰值，因此易沉淀出碳化物而形成上贝氏体，使得转变产物中上贝氏体的比例增加，粒状贝氏体所占比重减小。转变产物中上贝氏体的比重显著增加，而粒—状贝氏体则大大减少，粒状贝氏体的第二相ＭＡ小岛相对慢冷情况其尺寸有所增加，贝氏体铁素体条变细。℃当冷速增加到２／ｓ以上时，冷却后的转变产物为１００７００的马氏体。马氏体的形貌呈板条状，其组织是由许多呈板条状的马氏体束构成。先形成的马氏体束领域较大，后形成的则较小，各束之间有一定角度区分开来。随着冷却速度的增加，马氏体板条略有细化，但其受冷速变化的影响不是很大］。２．２．２组织构成的变化为定量研究焊接热循环对９Ｎｉ钢的组织转变规律的影响，本工作采用定量金相分析软件对不同冷却速度下的组织构成进行了统计，结果如图７所示。图７热模拟试样金相组织统计结果Ｆｉｇ．７Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓ由图７可见，随着冷却速度的增加，马氏体所占的比重增加，粒状贝氏体所占比重减小，而上贝氏体所占的比重则呈先增加后减小的变化趋势。在冷却速度很慢的条件下，在贝氏体转变温度范围的高温段停留时间较长，恰好满足粒状贝氏体形成的条件，因此，绝大部分的转变产物为粒状贝氏体，上贝氏体和马氏体仅占很少一部分；当冷速增加时，在粒状贝氏体转变温度范围的高温段停留时间略有减少，而在适合上贝氏体转变的温度区间则有所增加，此时，转变产物中上贝氏体的比重有所增加，同时因过冷度的增加使得马氏体的比重也略有增加。冷速继续增加时，在贝氏体转变温度区间的停留时间较少，粒状贝氏体和上贝氏体的比重也随之减小，而马氏体在转变产物中所占的比℃重逐渐增加。当冷却速度增加至２／ｓ时，所得转变产物全部为马氏体。焊接条件下的冷却速度远大于２＂Ｃｓ，因此在现场焊接９Ｎｉ钢时粗晶区的组织为低碳板条马氏体，亚结构为位错。３结论（１）９Ｎｉ钢经历热循环后的粗晶区组织有贝氏体和马氏体两种类型。（２）当冷却速度较低时，主要转变为贝氏体，此外还有少部分马氏体。随着冷却速度的增加，贝氏体的形态由粒状贝氏体向上贝氏体转化。（３）当冷却速度增加时，转变产物中马氏体所占比重逐渐增加，贝氏体所占比重下降。冷却速度达到℃２／ｓ以上时，９Ｎｉ钢经历热循环后的组织全部为马氏体。参考文献—［１］ＤＥＧＥＮＫＯＬＢＥＪ，ＭＵＳＧＥＮＢ，ＵＷＥＲＤ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ９ＮｉｓｔｅｅｌＥＡ］．ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｎｄＳｔｏｒａｇｅ—ｏｆＬＰＧａｎｄＬＮＧ［Ｃ］．Ｂｅｌｇｉｕｍ：ＲｏｙａｌＦｌｅｍｉｓｈＳｏｃｉｅｔｙｏｆＥｎｇｉ—ｎｅｅｒｓ，１９８４．４９５７．［２］陈铭谟．贝氏体的转变机制和高强度贝氏体钢设计［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８９．［３３ＹＡＮＧｚＧ，ＦＡＮＧＨＳ．ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｎｂａｉｎｉｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｓｔｅｅｌｓＥＪ］．ＣｕｒｒｅｎｔＯｐｉｎｉｏｎｉｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，—２００５，（９）：２７７２８６．—［４］ＴＳＵＺＡＫＩＫ，ＭＡＫＩＴ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｏｎｔｈｅｍｏｔ—ｐｈｏｌｏｇｙｏｆｌａｔｈｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｉｎＦｅＮｉａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＪａｐａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌｓ，１９８１，４５（２）：１２６～１３４．［５］ＣＨＯＩＣＳ，ＲＯＫＳ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｕｌｔｒａｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ—ｓｔｅｅｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦｅ一２０Ｎｉｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｅａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＫｏｒｅａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ—０ｆＭｅｔａｌｓ，１９８５，２３（１０）：１１２７１１３５．————收稿日期：２００９０３２３；修订日期：２００９０９２５作者简介：严春妍（１９８２一），女，讲师，博士，主要从事焊接物理冶金和金属焊接性的研究，联系地址：江苏省常州市晋陵北路２００号河海大学—机电工程学院材料系Ｂ４０２（２１３０２２），Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｅｈｕｎｙａｎｌ９８２＠１２６．ｏ／０～售００２ｊｎ】０Ｊ３一蔓