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超低碳9Ni钢焊接接头低温韧性研究

作　者: 王喆
导　师: 王国平
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 9Ni钢焊接接头低温韧性 CTOD 低温Charpy冲击功
分类号: TG407
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,中国大力推进、实施清洁能源战略,作为低成本的天然气储运方法液化天然气工业正以迅猛的速度递增,对制造LNG贮罐罐体的关键材料镍系低温用9Ni钢及焊接技术提出了巨大需求。然而这一材料及其装焊技术主要依赖于进口,这对LNG工业的发展已经形成很大制约,同时对国家的能源安全保障也极为不利。因此,掌握低温9Ni钢及焊接技术,推动LNG设备的国产化进程是我国能源项目发展的迫切需要。其中,9Ni钢作为LNG储罐内壁用材料,直接与冷冻LNG接触、长期服役于-162℃的低温环境,因此,为保障焊接低温容器的安全,对9Ni钢的焊接接头低温韧性进行研究有着重要的工程意义。针对新研制的国产超低碳9Ni钢板,在分析了其有关焊接性能的基础上,根据GB2358和BS7448标准,采用MTS809材料测试系统分别对9Ni钢焊接接头的热影响区、熔合区和焊缝进行了裂纹张开位移试验,同时在测试过程中,通过HIROX长焦距显微镜实时观察了CTOD试样裂纹尖端扩展情况;在此基础上,对计算CTOD的Wells公式进行了讨论并提出了新的修正公式。为表征9Ni钢焊接接头在低温下钝缺口的快速断裂,根据EN875和GB/T229标准,采用JBD-300C超低温冲击试验机对9Ni钢焊接接头的不同区域、不同焊缝百分比的试样进行了系列低温Charpy冲击试验。采用扫描电镜和能谱仪对试样断口形貌与微区成分进行扫描与分析。为探讨低温断裂韧性与组织结构之间的关系,采用MM6显微镜对9Ni钢接头的微观组织和晶粒度进行了观察和测量。试验结果表明,国产超低碳9Ni钢焊接接头低温断裂韧性达到了ASME和BS7777标准有关要求。CTOD试验和低温Charpy冲击试验结果都显示了熔合区为断裂韧性最低区域,焊缝区次之,热影响区韧性最高。从Charpy V型缺口处焊缝所占不同比例接头试样的低温冲击结果来看,焊缝含量越高,冲击韧性就越低。接头微观组织观察表明:熔合区与过热区组织多为粗大的板条状马氏体,晶粒度较粗大;正火区为细小的板条马氏体和一定数量的逆转奥氏体,晶粒度细小。热影响区的低温冲击功随着与熔合区距离不断增大而逐渐提高,晶粒度随着距离的增加而逐渐减小。从低温接头断口形貌来看,其断裂方式为韧性撕裂,伴随着大量的韧窝和第二相粒子。能谱分析显示在接头的熔合线附近存在着大量的元素扩散,即熔合线附近存在S及杂质元素的偏析,导致熔合区各处的成分不均匀,所以熔合区是接头中断裂韧性最低区域的这一结论便得到证实。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-15
第一章前言  15-20
  1.1 LNG 工业概述  15-16
    1.1.1 LNG 发展的动力  15
    1.1.2 LNG 的运输  15-16
  1.2 LNG 设备运行的安全  16-18
    1.2.1 LNG 储罐用钢的选择  17
    1.2.2 低温下接头脆化  17-18
  1.3 本章小结  18-20
第二章 9Ni 钢焊接性及其低温韧性  20-32
  2.1 9Ni 钢及其焊接概述  20-23
    2.1.1 9Ni 钢的热处理  21
    2.1.2 9Ni 钢常用焊接方法  21-22
    2.1.3 9Ni 钢常用焊接材料  22-23
    2.1.4 9Ni 钢的焊接性  23
  2.2 9Ni 钢低温韧性的表征  23-28
    2.2.1 裂纹张开位移（CTOD）  23-25
    2.2.2 低温charpy 冲击试验方法  25-27
    2.2.3 低温韧性测试方法的比较  27-28
  2.3 9Ni 钢低温韧性机理  28-31
    2.3.1 9Ni 钢的冶金因素  28
    2.3.2 逆转奥氏体的作用  28-29
    2.3.3 马氏体基体的作用  29
    2.3.4 形变诱导马氏体的作用  29-30
    2.3.5 合金元素的作用  30-31
  2.4 本文研究的目的、意义及内容  31-32
第三章试验材料及试板焊接方法  32-38
  3.1 9Ni 钢的成分及力学性能  32-33
    3.1.1 9Ni 钢的板材成分  32
    3.1.2 试验材料的力学性能  32-33
  3.2 焊接材料的选择  33-34
  3.3 试板焊接  34-35
    3.3.1 板料尺寸  34
    3.3.2 焊接方法  34-35
    3.3.3 焊接设备  35
  3.4 焊接工艺参数  35-37
    3.4.1 接头的坡口形式  35-36
    3.4.2 焊接工艺参数  36-37
    3.4.3 焊接注意问题  37
  3.5 本章小结  37-38
第四章 9Ni 钢焊接接头低温韧性的测试方法及设备  38-48
  4.1 裂纹张开位移测试  38-44
    4.1.1 试样的制备  38
    4.1.2 裂纹位置的确定  38-39
    4.1.3 试样的机械缺口加工  39-40
    4.1.4 试验的主要设备  40
    4.1.5 预制裂纹的载荷计算  40-42
    4.1.6 试验疲劳裂纹的预制  42
    4.1.7 裂纹张开位移试验步骤  42-44
  4.2 Charpy 低温冲击试验  44-47
    4.2.1 试样的制备  44
    4.2.2 试样缺口位置  44-45
    4.2.3 试验的设备  45-46
     4.2.4 试验的过程  46-47
  4.3 本章小结  47-48
第五章试验结果及分析  48-75
  5.1 裂纹尖端张开位移试验结果及分析  48-59
    5.1.1 裂纹张开位移计算方法  48-49
    5.1.2 接头裂纹张开位移结果及分析  49-50
    5.1.3 焊接接头裂纹张开位移过程中实时观察及分析  50-57
    5.1.4 试样裂纹分析  57-59
  5.2 Wells 计算公式的修正  59-63
    5.2.1 转动因子的原始计算模型  59-60
    5.2.2 转动因子的改进计算模型  60-62
    5.2.3 Wells 修正公式的计算  62-63
  5.3 低温冲击试验结果及分析  63-66
    5.3.1 低温冲击试验结果及检验  63-65
    5.3.2 冲击实验的结果分析  65-66
  5.4 接头金相组织和性能分析  66-69
    5.4.1 9Ni 钢接头金相制备  66
    5.4.2 接头组织观察  66-69
  5.5 接头低温冲击断口扫描及能谱分析  69-74
    5.5.1 断口扫描分析  69-71
    5.5.2 能谱分析  71-74
  5.6 本章小结  74-75
第六章结论  75-76
参考文献  76-79
攻读硕士期间发表的论文  79-80

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