熱處理對9Ni鋼焊接接頭低溫性能的影響

彭清和，顏文煅，周著學，林志燦

（閩南理工學院光電與機電工程學院，福建石獅 362700）

9Ni鋼在-196 ℃低溫下仍具有較高的機械性能，尤其是良好的韌性，從而被廣泛應用于生產LNG 儲罐和運輸船[1-2]。但是，9Ni鋼接頭在低溫條件下服役過程塑韌性惡化現象是工業生產中相當嚴重的問題。在焊接該材料的時候，容易出現一些問題，如熔合線的粗晶區可能會由于低溫的原因出現脆化，這是9Ni鋼焊接接頭易生成裂紋，從而導致該材料容易受到破壞。據此，為了避免出現這種情況，提高LNG運輸的安全性，就需要對其展開研究和分析，明確熱處理工藝參數對9Ni 鋼焊接接頭低溫性能的影響。通過研究熱處理工藝（調質熱處理以及兩相區熱處理工藝）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 試驗方法

9Ni鋼具有良好的低溫韌性，在建造LNG儲罐和運輸船等方面得到了廣泛的應用。因而，搞清各熱處理過程中各個階段的工藝參數對接頭性能的作用就非常重要?，F用試驗研究調質熱處理（QT）和兩相區熱處理（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理。

試驗用鋼尺寸為400 × 200 × 20 mm，把焊接好的9Ni 鋼板放在KX-12-12 箱式電阻爐中經不同的熱處理工藝參數后進行沖擊性能試驗。實驗過程加熱和保溫階段在KX-12-12 電阻爐（圖1）進行；沖擊性能試驗設備選用在JB-500B擺捶式沖擊設備（圖2）進行。接頭沖擊實驗應依照國標GB/T 2650進行，實驗溫度為-196 ℃，取10×10×55 mm 尺寸作為沖擊試樣標準，并在多個部位開V型缺口。

圖1 箱式電阻爐

圖2 JB-500B擺捶式沖擊試驗機

2 結果及分析

2.1 QT對9Ni鋼焊接接頭性能影響

2.1.1 淬火溫度的影響

實驗通過調整調質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 調質處理下不同淬火溫度的實驗

對手工電弧焊后的焊接接頭進行調質熱處理，實驗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，實驗過程中選擇水作為冷卻介質?；鼗饻囟葹?70 ℃，然后水冷。實驗結果見表1。

表1 調質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??；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，說明調質工藝中，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；當溫度在800 ℃～850 ℃之間時，韌性下降速度快。淬火溫度在900 ℃后，逆轉奧氏體的體積分數僅為2%左右。細化組織結構能加速逆轉奧氏體的產生，說明850 ℃是一個關鍵溫度，推斷9Ni 鋼的奧氏體晶粒大小在850℃以上的溫度下會出現明顯的奧氏體晶粒粗化，故9Ni 鋼焊接接頭的淬火溫度應小于850 ℃。在800 ℃、850 ℃、900 ℃不一樣的淬火溫度時，伴隨溫度改變，Ai數值變動較小，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，表示調質作用下淬火溫度對9Ni 鋼沖擊性能的作用主要是由Ap完成。

800 ℃～900 ℃調質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運動，這些元素在低溫下能夠穩定奧氏體的存在，讓馬氏體轉變不容易存在，逆轉奧氏體擁有這種優良的特性[3-4]。力學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，相同的保溫時間內，淬火溫度大，則奧氏體就容易長大，同時QT 作用下逆轉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會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，這會增加殘余奧氏體的比例。與回轉奧氏體相比，殘余奧氏體的力學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境，易形成馬氏體轉化，這容易作為裂紋產生和擴展的渠道。從實驗中也可以證明，裂紋擴展功隨淬火溫度的增加減小越多。

2.1.2 回火溫度的影響

由實驗熱處理工藝可知，采用已被優化的淬火溫度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 調質熱處理不同回火溫度的沖擊性能

由表2知，570 ℃回火，沖擊功到達峰值205.136 5 J，比540 ℃和600 ℃溫度回火時增加了40～50 J；而510 ℃下沖擊功才101.254 8 J，與570 ℃相比其數值相差很大。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，低溫性能變動與回火溫度改變不存在簡單線性關系[7-8]。由表2可知，隨回火溫度的改變，Ap數值變動很少，表示在調質處理過程Ap受回火溫度改變變動很少。Ai和Akv變動方向差不多一樣，都隨回火溫度的改變而變動范圍廣，則表示在調質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

調整兩相區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。實驗結果見表3。

表3 兩相區熱處理不同淬火溫度的沖擊韌性

由表3 知，在兩相區工藝中，經過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減小。相對調質工藝，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

因為9Ni 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理，實驗結果見表4。

表4 兩相區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系；溫度670°C，沖擊性能到達最大值（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，二者波動幅度相對大?？傊?，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定元素（C、Ni），從而造成生成馬氏體組織。隨著回火過程進行，回轉奧氏體容易在出現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。逆轉奧氏體在外界條件發生變化時（如低溫等）容易形成馬氏體相變，從而使組織低溫性能變差。當中間淬火溫度太小，大量鐵素體相析出，而使后來組織逆轉奧氏體比例降低。在惡劣環境條件（如低溫）下，鐵素體的力學以及熱穩定性非常差，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，鋼的低溫性能會減小，從而優化后的中間淬火參數為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。低溫沖擊性能結果見表5。

表5 兩相區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，趨勢和調質熱處理過程一樣，最大值也出現在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，這無法達到增韌基體的作用，因而低溫韌性較低?；鼗饻囟戎荡髣t沉淀逆轉奧氏體數量增加，可是奧氏體中起穩定作用的元素的比例減少，從而使逆轉奧氏體容易發生轉變[9]。當環境發生改變（如低溫下）容易轉化為馬氏體，從而使低溫性能減小。與調質工藝對比，逆轉奧氏體的分布相對分散、均勻，同時數量增加很多。

3 結論

（1）QT熱處理優化方案為淬火溫度800 ℃，回火溫度570℃。

（2）QLT 優化方案為淬火溫度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。