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浙江AM8亚美钢管有限公司
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高溫合金焊接接頭動態拉伸變形斷裂行為

浏览次数:797日期:2019-11-30
0 序 言 在高溫合金的利用處合,焊接是首要的製造過程,焊接質量在全部焊接結構中起著決定性的感化。在使用過程中需承受交變載荷的高溫合金焊接件,還必須進行疲憊校核。原位拉伸可對材料的微觀破壞過程進行實時的動態觀察,用取自相同焊接接頭疲憊試件的試樣進行原位拉伸,了解焊縫的動態斷裂行為,並和疲憊試驗結果進行比較,有助於進步對焊接接頭疲憊破壞過程的熟悉,從而尋求改善焊接質量的有效途徑。 1 試驗材料和試驗方法 試驗材料為國產GH3030與GH150高溫合金。 焊接試樣製備:取厚度為2 mm的上述合金板,采用主動對接氬弧焊焊接, 焊絲為GH3128,直徑為1.6~2.5mm,鎢極直徑2.0~2.5mm,焊接電流70~90 A,電弧電壓12 V,氬氣流量12~15 L /min,焊後經X光探傷檢驗。 在未經疲憊試驗的焊接試樣上截取原位拉伸試樣,在垂直於焊縫的方向用線切割切取原位拉伸試樣,焊縫處在試樣中部,如圖1所示。 試樣經磨平,單麵拋光並輕度腐蝕,以便觀察組織的拉伸變形過程。 動態拉伸在JXA-840型掃描電子顯微鏡的附件SM-TS40專用拉伸台上進行,其最大拉伸載荷為2kN,加力傳感器標定為150mV,電壓與載荷呈斜率為1的線性關係 。最大拉伸間隔為20mm,拉伸速度可調,最大達50mm/min。動態拉伸中,可同時利用X射線能譜儀(EDS)對觀測點進行元素分析。 焊接接頭試樣的疲憊試驗在液壓伺服疲憊試驗機EHF-EG250KN-40L上進行,疲憊載荷采用軸向拉- 拉應力控製,正弦波脈動加載, f=4.5Hz,R=0.1。記錄循環次數,檢查疲憊斷裂的發生部位。 2 試驗結果分析 2.1 焊接接頭原位拉伸的宏觀形貌 圖2為焊接接頭原位拉伸後期的宏觀形貌。 焊縫是在非平衡狀況下凝固的鑄態組織,隨匹配焊接材料的比例、與母材混合後的化學成分和冷卻條件的差異,組織十分複雜。如圖2所示,原位拉伸過程中,在出現頸縮時,焊縫處呈現明顯的變形不均勻性。這是由焊接接頭微觀組織不均勻性和複雜性釀成的。說明試樣在加載後,焊縫處微觀組織在變形過程中,不同位向的晶粒組織及其內部位錯活動導致試樣對應部位組織繼續變形所要施加的局部應力不盡一致,所以焊接接頭呈現焊縫中心膨大,形成兩段式頸縮的現象,符合板試樣頸縮遵守的最小應變能路徑道理。 金相檢查發現試件焊縫首要為樹枝晶組織。有研究表明結晶前沿具有細樹枝凝固界麵的合金,其持久性能最好,這類組織促使加工硬化,推遲了頸縮時間。母材是細等軸晶組織 。熔合區組織比較複雜,與GH150 材交界處以大小不等的等軸晶為主,與GH3030材交界處以柱狀晶為主。熱影響區有局部晶粒粗化,因高溫合金無同素異構改變 。在焊接過程中, 除焊縫凝固組織外,與母材的過渡區因過熱而呈不規則長大 。如許,焊接接頭的整體微觀組織存在著3種取向各異的組織。因此接頭存在著比較嚴重的微觀組織不均勻性,它們必然影響接頭的變形行為。多晶體各晶粒變形時的相互配合是材料抵抗塑性變形的首要形式,否則極易在局部過早開裂。上述組織不均勻性易使焊接接頭在疲憊性能試驗過程中導致內部微觀應力集中和各晶粒應變率的差異,終究將在較弱部位萌生疲憊裂紋。 2.2 原位拉伸中試樣的微觀變形過程 圖3顯示了在拉伸過程中試樣表麵的微觀變形情況。 隨拉伸進行,受力晶粒內存在的大量位錯、層錯等在應力的感化下,位錯將開動,形成相互平行的滑移線,如圖3a所示。塑性變形必須考慮加載速度,由於原位拉伸形變速率較低,晶粒形變比較均勻,滑移帶平直 、間距大小基本一致。但該圖隻顯示了一個方向的滑移帶,說明在均勻形變階段,隻有一個方向的滑移係占主導地位,此階段合金將出現初始硬化 。隨著拉伸進行,在其它晶粒中可以看到不同方向的滑移帶出現,形成尖峰狀或三角形。根據晶體學理論, <111>晶麵是奧氏體的滑移麵,也是層錯形成麵。該晶麵有4個基本取向,每個晶麵間的夾角理論計算為70°32′。假如某一晶粒截麵和 <111>平行或近似平行,由於<111>麵上3個滑移方向的基準矢量間夾角為60°,是正三角形,所以拉伸時奧氏體晶內滑移線特征符合晶體學的位向關係。隨著變形量加大,滑移帶將逐步變寬,並出現彎曲。 由於每個晶粒位向不同,並不是每個晶粒的滑移係的方向都與最有益於變形的方向一致,則造成各晶粒變形程度有差異。隨著應變量增加,晶粒開始服從應力條件下的協同扭轉,變形加劇,出現浮凸。從最初的隻有少數區域的個別晶粒發生扭轉,到最後幾乎每個晶粒均都發生了扭曲,表麵浮凸更加明顯,如圖3b所示,在拉伸應力的感化下,焊縫熔合區的晶粒被明顯拉長,出現擇優取向。而其上方熱影響區晶粒已出現滑移線粗化 、彎曲。這類微觀形貌變化可在一定程度解釋宏觀形變的不均勻性。同時發現在拉伸應力感化下,晶內脆性第二相顆粒(圖中顆粒為氮化鈦)與基體脫開,並碎裂,見圖3a。這類第二相顆粒的滑移係少,在外加應力下易脆裂或沿邊界斷裂成為裂紋源,但有時也有益於進步材料的形變強化能力 。 不均勻組織如晶界、夾雜物等,也將對焊接接頭的破斷產生影響 。從圖4可見晶界和夾雜物在拉伸應力感化下對微觀斷裂機製的影響 。由圖4a可見,焊縫晶界在不大的應力水平下,就先於夾雜物發生開裂,但尚不能判定晶界析出物的影響。 圖4b顯示的是夾雜物引發的裂紋源, X射線能譜分析顯示,此類夾雜物首要是鋁 、鈦或铌的化合物。原位拉伸顯示出夾雜物從晶界或基體中脫落。由於夾雜物所致的應力集中,在孔洞的四周,將形成垂直於拉伸方向的顯微裂紋。由此看出,在拉應力感化下,夾雜物及其四周組織是焊縫的薄弱環節。 2.3 裂紋的萌生 高溫合金焊縫具有良好的強韌性配合,當試樣發生頸縮現象後,由於板狀薄試樣在厚度方向不能造成變形束縛,故不能形成平麵應變狀況,起始裂紋可在試樣拋光表麵直接觀察到。表麵一旦形成裂紋,則裂紋前端四周區域的變形亦基本不受束縛,可以自由變形,呈完全屈服狀況。在外力的感化下,裂紋前端由於塑性變形而沿試樣厚度斜向和兩側呈張開狀撕裂,與平麵應力條件下薄板拉伸試樣的宏觀斷裂行為一致 。 圖5顯示試樣不同部位在原位拉伸中發生斷裂的微觀形貌和機製。 如圖5a所示,在板狀試樣中間地帶,滑移線粗化、彎曲;晶粒傾側,呈現表麵浮凸;因是平麵應力狀況,裂紋呈滑開型。而試樣銳利棱角處應力狀況複雜,易造成應力集中,少量塑變即發生形變強化,使進一步的塑性變形受阻,結果在試樣邊沿形成明顯的脆性穿晶斷裂,從其拉長的晶粒和表麵滑移線可見其前期曾曆過塑性變形。 2.4 主裂紋擴展的原位觀測 圖6a~f為主裂紋萌生和擴展的原位觀測結果。不同取向晶粒的變形能力和變形抗力是不同的,在拉伸載荷下,必然在取向最有益於滑移和微觀內應力最易集中的晶粒先開始,組織愈不均勻,這類起始塑性變形的選擇性就愈突出。當先變形的晶粒變形量超過一定值,就會萌生起始裂紋。如圖6a所示,在一滑移三角形的尖端和孿晶界扭折底部,由於形變強化,材料變脆,產生一空洞,形成主裂紋源;空洞的產生,使應力狀況軟化如圖6b所示,空洞在受力方向被拉長,並沿晶界向左撕裂,穿過孿晶界後,又產生一次生裂紋源;圖6c表明孿晶被拉斷,裂紋垂直於拉伸方向的部分更易滑開,主裂紋內側又產生一次生裂紋;圖6d表明新裂紋源不斷出現,主裂紋已連結;圖6e表明原觀察點帶出一第二相顆粒;主裂紋麵局部有韌窩形成,同時出現新空洞,主裂紋的左邊前沿,向左邊快速撕開,進進全麵潰退;圖6f為試樣最後斷裂前的裂紋形貌。全部過程為:裂紋源形成,相互連結,形成主裂紋;主裂紋向斜上方滑移張開,撕裂麵上可見蛇行滑移紋和小韌窩;隨裂紋張開,不同性質第二相帶出,脫離基體或碎裂;裂紋橫向擴展乃至最後斷裂,其斷口呈全剪切狀,無放射區,為典型的平麵應力條件下釀成的切斷型斷口。 2.5 疲憊試驗結果 表1 所示為兩組焊接接頭疲憊試驗結果,每組含6個數據, S為子樣標準差 。試驗結果表明,主動對接氬弧焊焊接高溫合金的疲憊性能良好,低應力水平下的數據均勻性較優。疲憊斷口檢查發現,疲憊裂紋源始於焊趾或焊根處,同時發現疲憊源首先與焊縫表麵微觀質量有關,其次才是焊縫微觀組織形態與結構。 在測試高溫合金對接氬弧焊接頭疲憊性能時發現, 其疲憊壽命遠低於對應合金的光滑試樣 , 並且疲憊源全部產生在焊接接頭的熔合區,進而疲憊裂紋擴展導致接頭疲憊失效。由原位拉伸觀察得出焊接接頭微觀組織的複雜性和接頭各區域組織分布特點, 表明疲憊破壞過程不同於靜拉伸,材料在交變負荷下,與靜負荷相比,內部的滑移不均勻性將更大。研究表明即使是同一金屬組織,在不同的塑性變形基礎上,也會導致不同程度的形變強化 。高溫合金焊接接頭的熔合區內明顯的組織不均勻狀況將加劇疲憊裂紋的萌生,如許,這個區域將成為該類接頭疲憊性能較為薄弱的部位。 利用中發現高溫合金焊接結構的破壞常以低周疲憊為主。目前一般報告裂紋常發生於焊接接頭的焊趾部位,其首要啟事是焊接接頭的宏觀殘餘拉伸應力和應力集中的影響。但在磨往焊趾的原位拉伸試驗中發現,試樣也往往斷於焊縫內靠較弱一方合金的熔合區內。在不同焊接狀況下的疲憊斷口檢查中發現,疲憊源常見於熔渣夾雜、表麵缺陷和熔合區的初期形變硬化處,這與焊接接頭原位拉伸中觀測到的結果一致。高溫合金焊接過程中,在多元金屬擴散不夠充分的一般條件下,在焊縫熔合區部位易於形成金屬間化合物的脆性相,而導致焊縫弱化。是以改善焊接質量,特別是表麵質量非常首要,有益於減輕焊趾的不利影響。 3 結 論 (1) 板狀試樣原位拉伸表明高溫合金1頁