镍基合金焊缝失塑裂纹评价及力学机制的研究

摘要

镍基合金是以镍为基础在高温时具有较高强度和良好的抗氧化、抗腐蚀能力的高温合金，广泛用于核反应器和蒸汽发生器中关键部件的制造，而镍基合金焊缝金属中常会出现高温失塑裂纹，对此裂纹产生机制的说法尚无定论，也没有更好的控制方法。为此，本文以690镍基合金的两种填充材料ERNiCrFe-7和ERNiCr-4为研究对象，利用新的试验方法对失塑裂纹进行评价，结合有限元计算设计了变截面试样，在Thermorestor-W型模拟试验机上进行高温拉伸试验。提出新的裂纹敏感性判据—临界应力，从力学角度出发理解了镍基合金焊丝ERNiCrFe-7和ERNiCr-4焊缝失塑裂纹的产生机制，并与产生裂纹的临界应变相结合来评价不同变形温度下材料的裂纹敏感性。
　　通过对两种材料的变截面试样进行变形温度为850～1200℃的高温拉伸试验，研究了试样中失塑裂纹的产生情况。当试样拉伸一定距离后，表面都会产生裂纹，随温度的升高，裂纹的数量先增多后减少，其中在1100℃试样表面裂纹最多。用产生裂纹的临界应变对失塑裂纹的敏感性进行评价，得出当温度为900～1150℃时，材料的塑性比较低，产生裂纹所需的临界应变量相对较小。与ERNiCr-4相比，ERNiCrFe-7产生裂纹的临界应变更小。用临界应力对两种材料失塑裂纹的敏感性评价，发现变形温度在950～1150℃区间时，临界应力的值较小，因而它们产生裂纹最敏感的温度区间是950～1150℃。
　　在热模拟试验机上对两种材料的试样进行变形温度为850～1200℃，应变速率为0.1s-1的高温压缩试验，获得了高温变形时试样的真应力-真应变曲线，得到同一应变量下，流变应力和温度的关系。分析认为失塑裂纹的产生与应力密切相关，流变应力超过产生裂纹的临界应力，就会产生裂纹。温度低于900℃、高于1150℃时，临界应力大于流变应力，温度为900～1150℃时，临界应力小于流变应力。与 ERNiCr-4相比，ERNiCrFe-7产生裂纹的临界应力更小。这是因为ERNiCrFe-7在热变形时流变应力更高，材料的变形抗力越大，晶粒变形越困难，变形主要集中在晶界上，易产生晶界裂纹。同一变形温度下，两种材料试样的开裂方式相同，在850℃和1200℃时，试样中主要是沿晶裂纹，有少量的穿晶裂纹；在900～1150℃范围内，试样中只有沿晶裂纹。裂纹的扩展方向和载荷方向相关，发现裂纹增值的方向与加载方向呈70～90°的夹角。失塑裂纹的起裂位置处于M23C6与奥氏体基体（γ）的交界面上，并沿晶界扩展。由于M23C6与γ基体为非共格关系，界面结合强度低，应力集中较大，因此M23C6会增加焊缝金属失塑裂纹的敏感性。

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第1章 绪 论

1.1 镍基合金的分类和用途

1.2 镍基合金焊接中存在的问题

1.3 高温失塑裂纹的国内外研究现状

1.4 本文研究意义及主要内容

第2章 高温失塑裂纹的评价方法

2.1 引言

2.2 试验材料

2.3 DDC的评价方法

2.4 有限元模拟

2.5 本章小结

第3章 镍基合金焊缝失塑裂纹敏感性评价

3.1 引言

3.2 镍基合金焊丝FM-52DDC敏感性评价

3.3 镍基合金焊丝FM-72DDC敏感性评价

3.4 FM-52与FM-72裂纹敏感性的比较

3.5 本章小结

第4章 镍基合金焊缝失塑裂纹产生的力学机制

4.1 引言

4.2 试验材料及方法

4.3 镍基合金焊缝金属DDC的力学分析

4.4 镍基合金焊缝金属DDC与晶界的关系

4.5 M23C6对镍基合金焊缝金属DDC的影响

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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