Cr5Mo/A302异质焊接接头C扩散及其对高温蠕变寿命的影响
发布时间：2021-08-30 01:04
基于时效处理实验、微观硬度测量和Fick第二定律,对Cr5Mo/A302异质焊接接头的C扩散行为进行研究,随后对已存在200μm脱碳层的异质焊接接头和没有脱碳层的焊态接头进行持久实验,研究了脱碳层在不同应力水平下对接头寿命的影响.结果表明,随时效时间的延长,增、脱碳现象加剧,增、脱碳层的宽度变化均遵循抛物线型规律,实验测量结果与Fick第二定律拟合结果基本一致.预先形成的脱碳层在高应力条件下,可以成倍降低接头持久高温寿命,导致接头发生提前断裂,但是随着应力水平不断降低,断裂时间不断提高,预先形成的C扩散对接头持久寿命的影响程度不断下降,当应力降低到接头抗拉强度的36%以下后,其影响可以忽略.建立了C扩散影响因子S与应力的关系,并确定了已存在脱碳层对高温持久寿命不产生影响的临界应力值.
【文章来源】：金属学报. 2015,51(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
焊态和时效G5MdA302异质焊接接头增碳层区域的OM像
93,2792h和22,117,233,933,2445h.除180MPa应力水平下,2种状态的Cr5Mo/A302异质焊接接头试样的断裂位置在母材上以外,其余试样均断在紧挨着熔合线的母材热影响区.持久寿命数据表明,在高应力水平下,焊态的Cr5Mo/A302异质焊接接头寿命显著长于时效处理后的焊接接头寿命.如180MPa时,焊态Cr5Mo/A302异质焊接接头持久寿命为时效接头持久寿命的5.14倍.随着应力水平的下降,2者寿命差距逐渐缩小,当应力下降到80MPa时,2者寿命仅相差12.4%.焊态和时效处理后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,100MPa实验条件下的断裂位置的OM像如图5所示.由图可见,断裂位置均处于脱碳层,但断裂形态存在差异,焊态焊接接头主裂纹平直,而时效处理后焊接接头的主裂纹曲折,并有较多蠕变裂纹与之交汇.图5还显示,在持久实验过程中,实验前没有C迁移的焊态Cr5Mo/A302异质焊接接头也发生了C扩散,增碳层宽度增加了约3.3mm.实验前已发生C扩散增碳层的时效态Cr5Mo/A302异质焊接接头试样增碳层宽度增速较慢,仅增加了约2.3mm.3分析讨论3.1C扩散的理论计算为了进一步对C扩散进行研究,并与实验结果比较,利用Fick第二定律对Cr5Mo/A302焊接接头中的C扩散进行了数值分析.异质焊接接头的C扩散为一维空间的非稳态扩散问题,Fick第二定律的表达式可写成[9]:图3时效处理后Cr5Mo/A302异质焊接接头熔合线附近的硬度分布Fig.3HardnessdistributionneartheFLofCr5Mo/A302dissimilarjointsafteragingfordifferenttimes图4焊态和650℃时效257h后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,不同应力状态下的持久寿命比较Fig.4CreeprupturelifecomparisonofCr5Mo/A302dis-similarjointsofas-weldandagingat650℃for257h图5焊态和650℃时效257h后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,100MPa持久?
断裂.低应力(0.2s0.2~0.4s0.2)时,蠕变损伤为晶界蠕变孔洞形核控制的损伤机理[24,25,27,28].蠕变孔洞首先在晶界处形核、长大、聚集成微裂纹,逐渐发展为宏观裂纹,最终导致断裂.在该机制主导的断裂过程中,蠕变孔洞的形核、长大成为断裂的主要控制因素,因此脱碳造成的蠕变强度降低对异质接头寿命的影响不如在塑性控制机制下显著,宏观上表现为随着应力水平的降低,焊态的异质接头和时效后异质接头蠕变寿命的差异越来越小.时效处理后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,80MPa实验条件下的脱碳层中蠕变裂纹OM像如图8所示.由图可见,在低应力条件下,脱碳层晶界位置出现大量蠕变孔洞,裂纹沿孔洞扩展,说明在80MPa应力条件下,蠕变孔洞形核、长大已成为Cr5Mo/A302异质焊接接头损伤的主导因素.另外,蠕变持久实验过程中时,由于高温的作用,异质接头中也会发生C扩散,且应力水平越低,实验时间越长,C扩散程度越高.由于C扩散遵循抛物线规律,可以设想,当时间足够长,两种接头中的C扩散程度越来越趋于一致,C扩散对异质接头造成的损伤也会逐渐趋于一致,从而蠕变寿命趋于一致.为定量表征已发生的C扩散对Cr5Mo/A302异质焊接接头寿命的影响,并确定其影响与应力水平的函数关系,定义C扩散影响因子S用以表征已发生的C迁移对接头寿命的影响程度:S=lgT0-lgTdlgT0(10)式中,T0为一定应力水平下焊态接头的持久寿命,h;Td为相同应力水平下时效处理后接头的持久寿命,h.S越小,已发生的C扩散对接头寿命的影响越小,S=0时,表明已发生的C扩散对接头寿命没有影响.C扩散影响因子S与应力s的关系如图9所示.可以看出,随着应力s的降低,C扩散影响因子S快速减小,遵循二次函数关系,其函数关系式为:σ=72.9884+554.8882×S-710.4042×S2
【参考文献】：
期刊论文
[1]不锈钢与耐热钢焊接过渡区的碳迁移现象分析[J]. 李德元,娄建新,王晓宇,张晶,谢天男. 沈阳工业大学学报. 2012(05)
[2]P/A异种钢焊接接头在高温时碳迁移的计算机模拟[J]. 付景山,王治宁. 宁夏大学学报(自然科学版). 2004(04)
[3]EFFECT OF CARBON MIGRATION ON CREEP PROPERTIES OF Cr5Mo DISSIMILAR WELDED JOINTS WITH Ni-BASED AND AUSTENITIC WELD METAL[J]. J.M.Gong,Y.Jiang,S.T.Tu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2004(04)
[4]采用镍基和奥氏体焊材焊接Cr5Mo钢焊接接头的高温性能[J]. 姜勇,巩建鸣,涂善东. 压力容器. 2004(07)
[5]异种钢焊接接头高温时效碳迁移的有限差分计算[J]. 杨厚君,石岗,章应霖,吕文广,曹晟. 焊接学报. 2001(04)
[6]异质焊头Cr5Mo/Cr21Ni12碳扩散的研究[J]. 黄明亮,王来,亚生江,王富岗,于承志. 金属学报. 2000(09)
[7]高温下碳在α-γ型异种钢焊接接头中的扩散[J]. 史春元,薛继仁,于启湛,李亓,于凤,郭勇. 焊接学报. 1999(04)
[8]SUS410S+20R爆炸轧制复合板界面碳迁移分析[J]. 李萌盛. 压力容器. 1998(04)
[9]关于异种钢焊接接头的碳迁移问题[J]. 倪瑞澄,朱逢吾. 金属学报. 1978(01)
本文编号：3371741
【文章来源】：金属学报. 2015,51(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
焊态和时效G5MdA302异质焊接接头增碳层区域的OM像
93,2792h和22,117,233,933,2445h.除180MPa应力水平下,2种状态的Cr5Mo/A302异质焊接接头试样的断裂位置在母材上以外,其余试样均断在紧挨着熔合线的母材热影响区.持久寿命数据表明,在高应力水平下,焊态的Cr5Mo/A302异质焊接接头寿命显著长于时效处理后的焊接接头寿命.如180MPa时,焊态Cr5Mo/A302异质焊接接头持久寿命为时效接头持久寿命的5.14倍.随着应力水平的下降,2者寿命差距逐渐缩小,当应力下降到80MPa时,2者寿命仅相差12.4%.焊态和时效处理后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,100MPa实验条件下的断裂位置的OM像如图5所示.由图可见,断裂位置均处于脱碳层,但断裂形态存在差异,焊态焊接接头主裂纹平直,而时效处理后焊接接头的主裂纹曲折,并有较多蠕变裂纹与之交汇.图5还显示,在持久实验过程中,实验前没有C迁移的焊态Cr5Mo/A302异质焊接接头也发生了C扩散,增碳层宽度增加了约3.3mm.实验前已发生C扩散增碳层的时效态Cr5Mo/A302异质焊接接头试样增碳层宽度增速较慢,仅增加了约2.3mm.3分析讨论3.1C扩散的理论计算为了进一步对C扩散进行研究,并与实验结果比较,利用Fick第二定律对Cr5Mo/A302焊接接头中的C扩散进行了数值分析.异质焊接接头的C扩散为一维空间的非稳态扩散问题,Fick第二定律的表达式可写成[9]:图3时效处理后Cr5Mo/A302异质焊接接头熔合线附近的硬度分布Fig.3HardnessdistributionneartheFLofCr5Mo/A302dissimilarjointsafteragingfordifferenttimes图4焊态和650℃时效257h后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,不同应力状态下的持久寿命比较Fig.4CreeprupturelifecomparisonofCr5Mo/A302dis-similarjointsofas-weldandagingat650℃for257h图5焊态和650℃时效257h后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,100MPa持久?
断裂.低应力(0.2s0.2~0.4s0.2)时,蠕变损伤为晶界蠕变孔洞形核控制的损伤机理[24,25,27,28].蠕变孔洞首先在晶界处形核、长大、聚集成微裂纹,逐渐发展为宏观裂纹,最终导致断裂.在该机制主导的断裂过程中,蠕变孔洞的形核、长大成为断裂的主要控制因素,因此脱碳造成的蠕变强度降低对异质接头寿命的影响不如在塑性控制机制下显著,宏观上表现为随着应力水平的降低,焊态的异质接头和时效后异质接头蠕变寿命的差异越来越小.时效处理后Cr5Mo/A302异质焊接接头在550℃,80MPa实验条件下的脱碳层中蠕变裂纹OM像如图8所示.由图可见,在低应力条件下,脱碳层晶界位置出现大量蠕变孔洞,裂纹沿孔洞扩展,说明在80MPa应力条件下,蠕变孔洞形核、长大已成为Cr5Mo/A302异质焊接接头损伤的主导因素.另外,蠕变持久实验过程中时,由于高温的作用,异质接头中也会发生C扩散,且应力水平越低,实验时间越长,C扩散程度越高.由于C扩散遵循抛物线规律,可以设想,当时间足够长,两种接头中的C扩散程度越来越趋于一致,C扩散对异质接头造成的损伤也会逐渐趋于一致,从而蠕变寿命趋于一致.为定量表征已发生的C扩散对Cr5Mo/A302异质焊接接头寿命的影响,并确定其影响与应力水平的函数关系,定义C扩散影响因子S用以表征已发生的C迁移对接头寿命的影响程度:S=lgT0-lgTdlgT0(10)式中,T0为一定应力水平下焊态接头的持久寿命,h;Td为相同应力水平下时效处理后接头的持久寿命,h.S越小,已发生的C扩散对接头寿命的影响越小,S=0时,表明已发生的C扩散对接头寿命没有影响.C扩散影响因子S与应力s的关系如图9所示.可以看出,随着应力s的降低,C扩散影响因子S快速减小,遵循二次函数关系,其函数关系式为:σ=72.9884+554.8882×S-710.4042×S2
【参考文献】：
期刊论文
[1]不锈钢与耐热钢焊接过渡区的碳迁移现象分析[J]. 李德元,娄建新,王晓宇,张晶,谢天男. 沈阳工业大学学报. 2012(05)
[2]P/A异种钢焊接接头在高温时碳迁移的计算机模拟[J]. 付景山,王治宁. 宁夏大学学报(自然科学版). 2004(04)
[3]EFFECT OF CARBON MIGRATION ON CREEP PROPERTIES OF Cr5Mo DISSIMILAR WELDED JOINTS WITH Ni-BASED AND AUSTENITIC WELD METAL[J]. J.M.Gong,Y.Jiang,S.T.Tu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2004(04)
[4]采用镍基和奥氏体焊材焊接Cr5Mo钢焊接接头的高温性能[J]. 姜勇,巩建鸣,涂善东. 压力容器. 2004(07)
[5]异种钢焊接接头高温时效碳迁移的有限差分计算[J]. 杨厚君,石岗,章应霖,吕文广,曹晟. 焊接学报. 2001(04)
[6]异质焊头Cr5Mo/Cr21Ni12碳扩散的研究[J]. 黄明亮,王来,亚生江,王富岗,于承志. 金属学报. 2000(09)
[7]高温下碳在α-γ型异种钢焊接接头中的扩散[J]. 史春元,薛继仁,于启湛,李亓,于凤,郭勇. 焊接学报. 1999(04)
[8]SUS410S+20R爆炸轧制复合板界面碳迁移分析[J]. 李萌盛. 压力容器. 1998(04)
[9]关于异种钢焊接接头的碳迁移问题[J]. 倪瑞澄,朱逢吾. 金属学报. 1978(01)
本文编号：3371741
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