异种钢焊接接头过渡区域力学行为及组织调控研究
发布时间：2021-04-06 08:36
核电设备制造中涉及大量的异种钢接头,由于不同材料之间的组织性能差异,使得异种钢接头在连接界面处存在较大的安全隐患,严重时产生界面的剥离,造成关键部件的早期失效。本文从实际核电构件异种钢接头剥离失效行为研究开始,结合引导式力学试验分析了接头区域,包含Type-II型晶界,在不同应力状态下的力学行为,确定过了接头早期失效位置是在不锈钢侧Type-II晶界附近的奥氏体组织区域;通过对SA508-3/EQ309L接头的过渡组织研究,利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）等多种分析手段,确定了过渡区域组织分层生长的特征;采用纳米压痕法分析了过渡区域的微区力学性能,获得了过渡区域不同位置组织的应力应变曲线,提出“白亮层”中的残余奥氏体区域为性能薄弱区域,为失效的敏感位置,而扩大马氏体组织范围可以优化过渡区域性能;从热、力、成分差异三个方面设计对比实验,分析了焊接热循环、应力应变、堆焊层材料对过渡区域组织性能的影响;设计添加引导元素试验方法,区分了不同元素对过渡区域马氏体组织生长的影响,发现了 Cr元素扩散范围与过渡区域马氏体组织生长范围的对应关系,...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１核电设备中的失效（ａ）堆焊层与母材剥离（ｂ）过渡区域对应力腐蚀裂纹的阻隔【４２丨??Ｆｉｇ．?１．１?Ｃｒａｃｋ?ｇｒｏｗｔｈ?ｉｎ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｐｏｗｅｒ?ｐｌａｎｔｓ?（ａ）?Ｓｕｒｆａｃｉｎｇ?ｌａｙｅｒｓ?ｓｔｒｉｐｓ?ｆｒｏｍ?ｔｈｅ?ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ??
可以认为“白亮层”并非接头的薄??弱区域。??可见，现阶段“白亮层”力学行为并未得到有效的研宄，存在微区性能数据上的??缺失，与以往的研究结论不能有效对应，难以准确分析该区域对于异种钢焊接接头性??能影响，为异种钢接头的安全使用埋下隐患。??１．３异种钢焊接接头过渡区域组织研究现状??组织组成是异种接头过渡区域力学行为本质的体现。不同钢材焊接组织通常可以??使用舍弗勒图（Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒｄｉａｇｒａｍ）进行预测。根据母材和焊缝金属在舍弗勒图上［４５，??５２，７５，７６］（如图１．２）的位置可知，在异种钢焊接过程中，随着成分的变化，过渡区域??应该会产生一个马氏体（Ｍ）?＋奥氏体（Ａ）的混合组织。在不同成分下，随着两种组??织的体积分数发生变化，从而实现组织成分的逐步过渡。但这一组织过渡形式并不符??合实际情况，过渡区域组织存在自身的特点。?????—Ｉ?｜?Ｉ?｜?｜?｜?｜?｜?？?｜?＇?｜?＇?｜?１?｜?＇?￣?Ｉ?＇?！?＇?１?１?Ｉ?１?Ｉ?＇?Ｉ?１?Ｉ?＇?Ｉ?■?Ｉ／＇??？?２４?Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ??２?ｓ＼?－??３?－Ｆ＼?Ｍ＋Ｆ?Ｆｅｒｒｉｔｅ?－??ｑ?Ｉ?．?ｉ?＼?ｉ?．?ｉ?■?ｙ?■?ｉ?？墜■?■?■?■?■?■?．?■?■?ｉ?■?ｉ?．?ｉ?■?ｉ?．?■?■?ｉ?■??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?１８?２０?２２?２４?２６?２８?３０?３２?３４?３６?３８??Ｃｈｒｏｍｉｕｍ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ??？?Ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ?■?ＥＱ３０９Ｌ??图１．２文献中对过渡组织的标定及分析??Ｆｉｇ
第一章绪论??ＭＨ１??■?５０?泖??图１．３典型的二型晶界關??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｏｐｉｃａｌ?ｉｙｐｅ－ＩＩ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??在Ａｇ［７９］和Ｎｉ＿的加载预应力条件下退火组织中，也发现了类似的晶界。１９９２年，??Ｗｕ等人％８２］提出这种晶界的形成主要取决于异种钢接头焊缝凝固方式的转变，即随??着母材到焊缝奥氏体稳定元素的增多，凝固模式由ＦＡ?（铁素体－奥氏体）模式转变为??ＡＦ?（奥氏体－铁素体）模式，从而形成了?Ｔｙｐｅ－ＩＩ晶界，同时，他们指出该晶界出现的??位置取决于成分浓度变化的速率。２０００年，Ｎｅｌｓｏｎ等人［３（），３１１在研究异种材料焊缝晶??粒形核、生长的过程中，从晶界迁移的角度，解释了?Ｔｙｐｅ－ＩＩ晶界的形成机理。他们??认为，在焊接热循环下，界面处无法发生ＦＣＣ—ＢＣＣ相转变中要求的长程扩散，从??而在奥氏体温度范围内发生了短程扩散，形成了可移动的Ｙ－ＦＣＣ异种材料界面，平行??推移到焊缝一侧，形成Ｔｙｐｅ－ＩＩ晶界。??１．３．２异种钢焊接接头过渡区域中的“白亮层”与马氏体组织??在异种钢焊接接头熔合线位置，通常会出现一条在凝固方向上与熔合线平行向焊??核生长的窄带区域，Ｍ．?Ｆ．?Ｄｏｄｇｅ等人［８３］将其称为平行凝固带（ｐｌａｎａｒ－ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ?ｒｅｇｉｏｎ?）。??这一区域的组织具有较强的耐蚀性，通常无法使用常规的腐蚀方法显露出来，在光镜??下为白色区域，因此也有学者［３５，６＜）］形象的将这部分区域称为“白亮层”（见图１．４）。??图１．４文献中的过渡区域组织金相图岡??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｚｏｎｅ?ｉｎ?
【参考文献】：
期刊论文
[1]国产核电安全端异种金属焊接件的微观结构及局部性能研究[J]. 明洪亮,张志明,王俭秋,韩恩厚,苏明星. 金属学报. 2017(01)
[2]Microstructure, Residual Strain and Stress Corrosion Cracking Behavior in 316L Heat-Affected Zone[J]. Hong-Liang Ming,Zhi-Ming Zhang,Peng-Yuan Xiu,Jian-Qiu Wang,En-Hou Han,Wei Ke,Ming-Xing Su. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(09)
[3]压力容器不锈钢堆焊层剥离行为的研究[J]. 程哲闻,陆皓,王开云,徐孟嘉. 热加工工艺. 2016(15)
[4]AP1000核岛主设备用的焊接材料和焊接工艺[J]. 杨巨文,李双燕,张茂龙. 发电设备. 2015(06)
[5]Effect of Heat Input on the Microstructure and Properties of Dissimilar Weld Joint Between Incoloy 28 and Superaustenitic Stainless Steel[J]. M.S.Abdel Rahman,N.A.Abdel Raheem,M.R.El Koussy. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2014(02)
[6]马氏体相变切变机制的现代试验验证和切变能的计算——再评“马氏体相变的非切变机制”[J]. 张骥华,戎咏华. 金属热处理. 2013(05)
[7]百万千瓦级核岛主设备蒸汽发生器焊接制造技术(下)[J]. 李双燕,张茂龙. 金属加工(热加工). 2013(02)
[8]Influence of Heat Input on Martensite Formation and Impact Property of Ferritic-Austenitic Dissimilar Weld Metals[J]. M. Mukherjee,T.K. Pal. Journal of Materials Science & Technology. 2012(04)
[9]异种金属焊接研究现状及发展趋势[J]. 黄本生,黄龙鹏,李慧. 材料导报. 2011(23)
[10]1000MW级压水堆核岛主设备蒸气发生器管板堆焊技术[J]. 李双燕. 焊接. 2011 (10)
博士论文
[1]纳米压痕法表征金属薄膜材料的力学性能[D]. 马增胜.湘潭大学 2011
本文编号：3121129
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１核电设备中的失效（ａ）堆焊层与母材剥离（ｂ）过渡区域对应力腐蚀裂纹的阻隔【４２丨??Ｆｉｇ．?１．１?Ｃｒａｃｋ?ｇｒｏｗｔｈ?ｉｎ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｐｏｗｅｒ?ｐｌａｎｔｓ?（ａ）?Ｓｕｒｆａｃｉｎｇ?ｌａｙｅｒｓ?ｓｔｒｉｐｓ?ｆｒｏｍ?ｔｈｅ?ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ??
可以认为“白亮层”并非接头的薄??弱区域。??可见，现阶段“白亮层”力学行为并未得到有效的研宄，存在微区性能数据上的??缺失，与以往的研究结论不能有效对应，难以准确分析该区域对于异种钢焊接接头性??能影响，为异种钢接头的安全使用埋下隐患。??１．３异种钢焊接接头过渡区域组织研究现状??组织组成是异种接头过渡区域力学行为本质的体现。不同钢材焊接组织通常可以??使用舍弗勒图（Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒｄｉａｇｒａｍ）进行预测。根据母材和焊缝金属在舍弗勒图上［４５，??５２，７５，７６］（如图１．２）的位置可知，在异种钢焊接过程中，随着成分的变化，过渡区域??应该会产生一个马氏体（Ｍ）?＋奥氏体（Ａ）的混合组织。在不同成分下，随着两种组??织的体积分数发生变化，从而实现组织成分的逐步过渡。但这一组织过渡形式并不符??合实际情况，过渡区域组织存在自身的特点。?????—Ｉ?｜?Ｉ?｜?｜?｜?｜?｜?？?｜?＇?｜?＇?｜?１?｜?＇?￣?Ｉ?＇?！?＇?１?１?Ｉ?１?Ｉ?＇?Ｉ?１?Ｉ?＇?Ｉ?■?Ｉ／＇??？?２４?Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ??２?ｓ＼?－??３?－Ｆ＼?Ｍ＋Ｆ?Ｆｅｒｒｉｔｅ?－??ｑ?Ｉ?．?ｉ?＼?ｉ?．?ｉ?■?ｙ?■?ｉ?？墜■?■?■?■?■?■?．?■?■?ｉ?■?ｉ?．?ｉ?■?ｉ?．?■?■?ｉ?■??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?１８?２０?２２?２４?２６?２８?３０?３２?３４?３６?３８??Ｃｈｒｏｍｉｕｍ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ??？?Ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ?■?ＥＱ３０９Ｌ??图１．２文献中对过渡组织的标定及分析??Ｆｉｇ
第一章绪论??ＭＨ１??■?５０?泖??图１．３典型的二型晶界關??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｏｐｉｃａｌ?ｉｙｐｅ－ＩＩ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??在Ａｇ［７９］和Ｎｉ＿的加载预应力条件下退火组织中，也发现了类似的晶界。１９９２年，??Ｗｕ等人％８２］提出这种晶界的形成主要取决于异种钢接头焊缝凝固方式的转变，即随??着母材到焊缝奥氏体稳定元素的增多，凝固模式由ＦＡ?（铁素体－奥氏体）模式转变为??ＡＦ?（奥氏体－铁素体）模式，从而形成了?Ｔｙｐｅ－ＩＩ晶界，同时，他们指出该晶界出现的??位置取决于成分浓度变化的速率。２０００年，Ｎｅｌｓｏｎ等人［３（），３１１在研究异种材料焊缝晶??粒形核、生长的过程中，从晶界迁移的角度，解释了?Ｔｙｐｅ－ＩＩ晶界的形成机理。他们??认为，在焊接热循环下，界面处无法发生ＦＣＣ—ＢＣＣ相转变中要求的长程扩散，从??而在奥氏体温度范围内发生了短程扩散，形成了可移动的Ｙ－ＦＣＣ异种材料界面，平行??推移到焊缝一侧，形成Ｔｙｐｅ－ＩＩ晶界。??１．３．２异种钢焊接接头过渡区域中的“白亮层”与马氏体组织??在异种钢焊接接头熔合线位置，通常会出现一条在凝固方向上与熔合线平行向焊??核生长的窄带区域，Ｍ．?Ｆ．?Ｄｏｄｇｅ等人［８３］将其称为平行凝固带（ｐｌａｎａｒ－ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ?ｒｅｇｉｏｎ?）。??这一区域的组织具有较强的耐蚀性，通常无法使用常规的腐蚀方法显露出来，在光镜??下为白色区域，因此也有学者［３５，６＜）］形象的将这部分区域称为“白亮层”（见图１．４）。??图１．４文献中的过渡区域组织金相图岡??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｚｏｎｅ?ｉｎ?
【参考文献】：
期刊论文
[1]国产核电安全端异种金属焊接件的微观结构及局部性能研究[J]. 明洪亮,张志明,王俭秋,韩恩厚,苏明星. 金属学报. 2017(01)
[2]Microstructure, Residual Strain and Stress Corrosion Cracking Behavior in 316L Heat-Affected Zone[J]. Hong-Liang Ming,Zhi-Ming Zhang,Peng-Yuan Xiu,Jian-Qiu Wang,En-Hou Han,Wei Ke,Ming-Xing Su. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(09)
[3]压力容器不锈钢堆焊层剥离行为的研究[J]. 程哲闻,陆皓,王开云,徐孟嘉. 热加工工艺. 2016(15)
[4]AP1000核岛主设备用的焊接材料和焊接工艺[J]. 杨巨文,李双燕,张茂龙. 发电设备. 2015(06)
[5]Effect of Heat Input on the Microstructure and Properties of Dissimilar Weld Joint Between Incoloy 28 and Superaustenitic Stainless Steel[J]. M.S.Abdel Rahman,N.A.Abdel Raheem,M.R.El Koussy. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2014(02)
[6]马氏体相变切变机制的现代试验验证和切变能的计算——再评“马氏体相变的非切变机制”[J]. 张骥华,戎咏华. 金属热处理. 2013(05)
[7]百万千瓦级核岛主设备蒸汽发生器焊接制造技术(下)[J]. 李双燕,张茂龙. 金属加工(热加工). 2013(02)
[8]Influence of Heat Input on Martensite Formation and Impact Property of Ferritic-Austenitic Dissimilar Weld Metals[J]. M. Mukherjee,T.K. Pal. Journal of Materials Science & Technology. 2012(04)
[9]异种金属焊接研究现状及发展趋势[J]. 黄本生,黄龙鹏,李慧. 材料导报. 2011(23)
[10]1000MW级压水堆核岛主设备蒸气发生器管板堆焊技术[J]. 李双燕. 焊接. 2011 (10)
博士论文
[1]纳米压痕法表征金属薄膜材料的力学性能[D]. 马增胜.湘潭大学 2011
本文编号：3121129
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3121129.html
