高喜峰，楊怡昕，劉紅波，李?景，周?婷

S30408不銹鋼角焊縫低溫力學性能試驗

高喜峰1，楊怡昕1，劉紅波2，李?景3，周?婷4

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2. 河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056038；3. 中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300222；4. 天津大學建筑學院，天津 300072)

焊接接頭作為壓力容器的重要組成，其低溫下的力學性能直接影響容器的安全性．目前針對奧氏體不銹鋼焊接接頭的力學性能研究主要集中在對接焊縫連接件，且試驗溫度多為常溫和-196℃，對角焊縫在不同溫度下的研究較少．為了研究S30408不銹鋼角焊縫接頭的低溫力學性能，采用100t萬能試驗機，在-60～20℃的溫度范圍內，進行了一批正面和側面角焊縫接頭試件低溫下的拉伸試驗，繪制其在各溫度下的應力-應變曲線，以及焊縫強度、變形和破壞特征．采用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡JSF對斷口形貌進行了觀測研究，分析其組織特點．試驗結果表明：-60℃相較于20℃，正面角焊縫構件屈服強度提高了18%、抗拉強度提高了25%，側面角焊縫構件分別提高了約35%和30%，低溫強化效應顯著；正面角焊縫構件的抗拉強度與側面件的比值略小于理論值1.5；正面角焊縫受到拉力和剪力共同作用，20℃時其彈性模量為198GPa，側面構件僅受剪力作用，其彈性模量約102GPa；彈性模量隨溫度降低增長緩慢，正面構件的彈性模量最大增幅為6%，側面構件為9%；正面角焊縫的斷口呈多邊形韌窩形貌，側面為剪切型韌窩形貌，溫度降低，韌窩數(shù)量均減少，顏色變淺，塑性變形能力減弱，但仍舊為韌性斷裂．

奧氏體不銹鋼；角焊縫；拉伸試驗；低溫性能

S30408不銹鋼材料具有良好耐久性能以及焊接性能，其被廣泛應用于LNG(液態(tài)天然氣)儲罐等壓力容器中[1-2]．目前在設計壓力容器時，設計溫度仍舊采用20℃下的許用應力，未能充分利用不銹鋼低溫強化特性，使得壓力容器用鋼量增多，故對奧氏體不銹鋼的低溫力學性能進行研究可以實現(xiàn)壓力容器的輕量化設計[3-5]．并且，不銹鋼規(guī)范中對于焊接構件的規(guī)定主要參考普通鋼結構設計規(guī)范，缺乏不銹鋼焊縫性能相關研究數(shù)據(jù)，對焊接性能進行研究可以為完善規(guī)范提供依據(jù)．

目前，已有國內外學者對普通鋼材以及高強度鋼材的焊接構件開展了系統(tǒng)的研究工作，特別是針對合金鋼結構的焊接接頭強度，如Ibrahim等[6]研究了304L、316L和雙相不銹鋼205焊接接頭在-196～?25℃的沖擊韌性；王元清等[7]對Q235和Q345B鋼材及焊縫進行循環(huán)加載，得到其滯回性能及破壞形態(tài)；楊璐等[8]對奧氏體型S30408不銹鋼角焊縫進行室溫拉伸試驗研究，測得其承載力以及變形情況；毛楠[9]研究了316L不銹鋼焊接接頭在-196℃下的沖擊韌性；羅震等[10]研究了LNG儲罐用9Ni鋼接頭的微觀組織性能．綜上，目前對奧氏體不銹鋼的力學性能研究多集中于20℃和液氮溫度下(-196℃)，對其他溫度下力學性能的系統(tǒng)性研究較少．且現(xiàn)有的焊縫研究多為對接焊縫，由于角焊縫的受力形式不同以及鋼材的牌號不同，其是否可以套用現(xiàn)有的對接焊縫研究規(guī)律有待考證．

為研究S30408不銹鋼角焊縫接頭低溫下的力學性能，在不同溫度下，進行了正面角焊縫試件(15個)和側面角焊縫試件(15個)的拉伸試驗，得到其在?20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃下的屈服強度、抗拉強度等力學參數(shù)變化規(guī)律，并對焊縫破壞處的微觀形貌進行觀察，得到其斷裂機理，為焊接奧氏體不銹鋼結構在低溫壓力容器中的應用提供依據(jù)．

1?試驗方案設計

根據(jù)《金屬材料低溫拉伸試驗方法》(GB/T 13239—2006)[11]以及《金屬材料焊縫破壞試驗?十字接頭和搭接接頭拉伸試驗方法》(GB/T26957—2011)[12]的尺寸要求，進行試件設計．角焊接連接件選用10mm厚S30408不銹鋼鋼板，選用ER308L焊條對角焊縫處進行焊接，焊腳尺寸為6mm，其幾何尺寸如圖1、圖2所示．焊接工藝為手工電弧焊，電壓為30V，電流為350A．

圖1?正面角焊縫試件尺寸

圖2?側面角焊縫試件尺寸

為控制焊縫的破壞位置，對焊接件一端采用3面圍焊，另一端采用正面角焊縫或側面角焊縫的連接方式，并將引伸計固定在測量端，以保證引伸計測量的變形量更為準確．正面角焊縫及側面角焊縫連接件分別如圖1和圖2所示．進行低溫拉伸試驗時，5個溫度下每組均設置3個平行試樣，得到各個試樣的強度指標(抗拉強度、屈服強度等)隨溫度的變化規(guī)律．

2?試驗裝置和測量方案

低溫拉伸試驗在天津大學建筑工程學院材料試驗室進行，為模擬低溫環(huán)境，將構件放在制作好的保溫箱中，在箱內通入液氮對構件進行降溫，當溫度傳感器顯示到達試驗溫度時，保溫20min后再進行試驗[13]．使用100t萬能試驗機進行試驗，采用低溫引伸計(Epsilon 3542-050M-050-LT)測量蓋板和焊縫的總變形量，試驗裝置見圖3，保溫箱內部裝置見圖4．

圖3?拉伸試驗裝置

圖4?保溫箱內部裝置示意

加載過程中不考慮偏心和彎矩的影響[14]，在試件正反兩側蓋板中心位置均布置應變片，引伸計布置在測量一側，正面角焊縫和側面角焊縫測點布置分別如圖5和圖6所示．試件按溫度編號，正面角焊縫的編號為ZM-P20-1至ZM-M60-3，側面角焊縫的編號為CM-P20-1至CM-M60-3．

圖5?正面角焊縫測點布置

圖6?側面角焊縫測點布置

3?試驗結果及分析

3.1?正面角焊縫低溫拉伸試驗

3.1.1?破壞模式及現(xiàn)象

正面角焊縫受到正應力和剪應力共同作用，破壞時根部先出現(xiàn)裂縫，再擴展到整個截面．部分試件正反兩面均發(fā)生破壞，由于其受力均勻，破壞截面平整．對于蓋板發(fā)生單面破壞的試件，有明顯翹曲變形，試件破壞現(xiàn)象如圖7所示．破壞截面與水平芯板間的角度均在38°～46°之間，平均角度約為40°，略小于理論值45°，見圖8．

圖7?正面角焊縫試件的截面破壞

圖8?正面角焊縫試件破壞角

3.1.2?試驗數(shù)據(jù)及分析

不同溫度下正面角焊縫試件的拉伸試驗結果見表1，將平行試件的應力-應變曲線取均值，得到各溫度下試件的應力-應變曲線匯于圖9．ZM-P0試驗中由于通氮口距離測量應變片過近導致應變片產(chǎn)生了溫度漂移，所以產(chǎn)生了較大的誤差．這是可以控制的．在后續(xù)的試驗中調整通氮口的位置，以消除溫度漂移的影響，保證試驗的準確性．ZM-P0的3個平行件得到的屈服強度、抗拉強度相差較小，但是曲線相差較大，故本文中ZM-P0的應力-應變曲線在圖9中暫不列出．

表1?正面角焊縫試件低溫拉伸試驗結果

Tab.1?Low temperature tensile test results of front fillet welded joint

圖9?正面角焊縫應力-應變曲線

由圖10～圖12可知，隨著溫度的降低，正面角焊縫的屈服強度、抗拉強度均升高，應力-應變曲線幾乎無下降段．由20℃降低到-60℃時，其屈服強度提高了18%，抗拉強度均提高了25%左右．彈性模量由20℃至-60℃變化較小，20℃時彈性模量的均值為198GPa，-60℃時增長了6%，約為211GPa．焊接構件的斷后伸長率隨溫度的降低而降低，-60℃變形量為常溫的1/2．

圖10?屈服強度隨溫度變化曲線

圖11?抗拉強度隨溫度變化曲線

圖12?彈性模量隨溫度變化曲線

3.2?側面角焊縫低溫拉伸試驗

3.2.1?破壞模式及現(xiàn)象

側面角焊縫的整體塑性變形能力遠大于正面角焊縫．如圖13所示，由于側面角焊縫受到剪應力作

用，其破壞時兩端先出現(xiàn)裂縫再向中間擴展．破壞時蓋板沒有明顯的翹起．破壞截面和芯板間的夾角在42°～48°之間，平均角度約為45°，側面角焊縫破壞角度如圖14所示．

3.2.2?試驗數(shù)據(jù)及分析

側面角焊縫變形量計算如下：

不同溫度下側面角焊縫試件的拉伸試驗計算結果見表2．平行試件的應力-應變曲線見圖15．

由于剪應力的作用，試件在破壞時，有明顯的下降階段．由圖12可知，其彈性模量遠小于正面角焊縫，彈性模量在-40～20℃變化較小，增長了約9%，?-60～40℃幾乎不變，最大彈性模量為111GPa．變形能力隨溫度降低減小，但其極限變形遠大于正面角焊縫．由圖10和圖11可知，側面角焊縫的屈服強度提高了35%，抗拉強度提高了30%，略大于正面角焊縫.

圖13?側面角焊件截面破壞

圖14?側面角焊縫件破壞角

表2?側面角焊縫試件低溫拉伸試驗結果

Tab.2?Low temperature tensile test results of side fillet welding

圖15?側面角焊縫應力-應變曲線

根據(jù)Lesik等[15]提出的正面角焊縫和側面角焊縫的關系，即

圖16?正面角焊縫與側面角焊縫抗拉強度的比值

4?角焊縫斷口電鏡掃描分析

本文對S30408不銹鋼角焊縫拉伸試件進行斷口掃描，采用JSM-7800F熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡．拍攝時位置處于中心纖維區(qū)處，放大倍數(shù)為2000倍．

S30408不銹鋼角焊縫連接件的斷裂均為韌性斷裂，斷裂時有明顯的塑形變形．焊縫連接件在外部荷載和內部空穴的共同作用下斷裂．S30408不銹鋼基體中含有大量的二相粒子以及部分夾雜物．在加載狀態(tài)下，二相粒子由于受到較大的集中應力，發(fā)生晶體內部變形直至粒子破裂形成空穴形核．空穴也可能由晶體間的不協(xié)調變形，導致晶體沿晶界產(chǎn)生滑移產(chǎn)生．空穴在外力的作用下不斷擴大，導致應力場分布更加不均勻．不同空穴間相互聚集，當塑形應變過大時，構件表面形成微裂紋，構件斷裂．

5個溫度下正面角焊縫的掃描圖如圖17所示，在電子顯微鏡下，斷口的微觀形態(tài)均呈蜂窩狀，為韌窩-微孔聚集型斷裂．由于正面角焊縫受到拉伸正應力和剪應力的共同作用，韌窩呈多邊形微坑分布在斷口表面．隨著溫度的降低，韌窩分布得越不均勻．斷口處的韌窩數(shù)量減少，韌窩的尺寸由大變小，長度由長變短，且韌窩顏色變淺．整體仍舊以塑性變形為主，沒有明顯的脆性特征．可以發(fā)現(xiàn)，晶體間的夾雜物或第二相粒子[16]隨著溫度的降低數(shù)量也在增多，即焊縫的塑性變形能力變差．

5個溫度下側面角焊縫的掃描圖見圖18，由于側面角焊縫受到剪切力作用導致剪切破壞，故其韌窩為剪切韌窩，形狀呈拋物線形狀，沿剪切方向上被拉長，在斷口表面處凸向不一致，出現(xiàn)在拉伸的剪切唇部位．隨著溫度的降低，韌窩的深度降低，且斷口處韌窩和撕裂棱數(shù)量逐漸減?。敎囟冉档椭?60℃時，韌窩數(shù)量非常少，未出現(xiàn)明顯的河流花樣[17]，斷口處纖維區(qū)較少，仍舊呈現(xiàn)出韌性斷裂的特征．

圖17?正面角焊縫斷口掃描圖

圖18?側面角焊縫斷口掃描圖

5?結?論

本文通過對S30408不銹鋼角焊縫試件進行低溫拉伸試驗，對其宏觀、微觀破壞形態(tài)進行觀察，得到了抗拉強度等隨溫度變化的規(guī)律．主要結論如下．

(1) 正面角焊縫受到正應力和剪應力的共同作用破壞，破壞截面與芯板間的平均角度為40°，略小于理論值45°．隨著溫度的降低，屈服強度和抗拉強度均有明顯提升，有明顯的低溫強化效果．彈性模量由198GPa緩慢增長至210GPa，最大增幅為6%，變形能力明顯降低．

(2) 側面角焊縫受到剪應力的作用破壞，破壞平均夾角為45°，符合理論值．與室溫20℃相比，屈服強度增加了35%，抗拉強度增加了30%．正面角焊縫和側面角焊縫的抗拉強度比值略小于1.5．且側面角焊縫連接件的彈性模量約為正面的1/2，隨著溫度的升高增大，變形能力略有減小．

(3) 正面角焊縫斷口處韌窩呈多邊形微坑分布，隨著溫度的降低，韌窩數(shù)目減少，顏色變淺，長度變短．且第二相粒子和夾雜物數(shù)目增多，塑性降低．

(4) 側面角焊縫斷口處韌窩呈拋物線形狀，沿拉伸方向拓展．且隨著溫度的降低，韌窩數(shù)量較少．當溫度為－60℃時，韌窩數(shù)量非常少，但斷口處未出現(xiàn)脆性斷裂特征．

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Experimental Study on Mechanical Properties of Fillet Weld Connections of S30408 Stainless Steel in Low Temperature

Gao Xifeng1，Yang Yixin1，Liu Hongbo2，Li Jing3，Zhou Ting4

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；3. China Railway 18th Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；4. School of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

As an essential part of a pressure vessel，the mechanical properties of welded joints at low temperatures directly influence the vessel’s safety. At present，most research on mechanical properties of stainless steel welded joints focuses on butt weld at the experimental temperature range betweenroom temperature and -196℃. However，fillet weld at different temperatures has been scarcely investigated. To study the low-temperature mechanical properties of the S30408 stainless steel fillet weld joint，the low-temperature tensile tests were performed on 15 transverse and longitudinal fillet weld joint specimens in the temperature range -60—20℃using a 100t universal testing machine. Besides，the stress-strain curves，weld strength，deformation，and failure characteristics were measured. The fracture morphology was observed using a thermal field-emission scanning electron microscope，and microstructure characteristics were analyzed. The results show that -60℃ compared to 20℃，the yield and tensile strength of the transverse fillet weld increased by 18% and 25%，respectively，and that of the longitudinal fillet weld increased by 35% and 30%，respectively. Low temperature hardening effect is remarkable. The ratio of the tensile strength of the transverse fillet weld member to the longitudinal member is slightly less than the theoretical value of 1.5. The results show that the combined action of tensile and shear forces influence the transverse fillet weld. The elastic modulus of the transverse fillet weld is 198 GPa at 20℃ and the longitudinal member is 102GPa under the action of shear force. The elastic modulus increases gradually with decreasing temperature. The elastic modulus of the transverse member increases by a maximum of 6% and the longitudinal member by 9%. The fracture surface of the front fillet weld has polygonal dimple morphology，and the longitudinal one has shear dimple morphology. The number of dimples decreases with the decreasing temperature，the color lightens，and the plastic deformation ability weakens；however，the fracture is still ductile.

austenitic stainless steel；fillet weld；tensile test；cryogenic property

10.11784/tdxbz202107018

TG407

A

0493-2137(2022)08-0820-08

2021-07-27；

2021-10-11.

高喜峰（1975—??），男，博士，副教授，gaoxifeng@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

劉紅波，hbliu@tju.edu.cn.

河北省杰出青年基金資助項目(E2021402006).

Hebei Province Distinguished Young Scholars Fund Project(No. E2021402006).

(責任編輯：金順愛)