低温相变焊丝对CLAM钢焊接头组织及性能的影响

摘要

中国低活化马氏体（CLAM）钢热膨胀系数低、导热能力好、耐腐蚀性能高，是中国参与国际热核聚变实验堆（ITER）试验计划优先选用的包层模块（TBM）材料，而焊接又是TBM制备中必要的工艺。TBM材料焊件经常受到高温交变载荷作用，如果其内部存在较大残余应力，与交变载荷相叠加，当内部应力峰值更大时严重威胁到 CLAM 钢焊接头的安全使用。低温相变（LTT）材料可以降低马氏体相变温度（Ms），利用低温下马氏体相变膨胀抵消焊后冷却过程中的热收缩，起到降低接头残余应力作用。 本文分析了合金元素对马氏体相变温度的影响，结合Schaeffler相图制备出一种低温相变（LTT）焊丝，用来改善CLAM钢焊接接头残余应力。用LTT和ER90S-G焊丝对CLAM钢进行焊接对比试验，利用光镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等分析测试技术比较两种焊接接头显微组织、常规力学性能、相变温度和焊接变形的差异。另外，对 LTT 接头作了的高温蠕变试验，对其进行了蠕变机制、损伤机理的讨论和长时断裂强度的预测。主要研究结果为： （1）LTT接头焊缝主要为板条马氏体和少量残留奥氏体，ER90S-G焊缝主要为粗大的针状马氏体，Cr、Ni等合金元素在LTT接头熔合线附近发生了扩散。LTT焊缝残留奥氏体含量为7.6%，ER90S-G焊缝主要为马氏体。LTT焊缝金属显微硬度略低于ER90S-G焊缝；LTT接头冲击韧性好于ER110S-G接头，二者抗拉强度相当。 （2）LTT焊缝金属的Ms为237℃，相变期间线膨胀量为0.43%。ER90S-G焊缝金属的Ms为519℃，Mf为 400℃，相变期间线膨胀量为 0.31%，相变结束后接头区域热收缩继续进行。ER90S-G 接头焊缝表面主要为残余拉应力，中心残余应力为 283.2MPa，LTT 接头焊缝表面主要为残余压应力，中心残余应力为-158.6MPa，LTT焊丝减小接头焊接残余拉应力效果显著。LTT对接板的角变形为0.0417rad，为ER90S-G对接板的45.5%。 （3）CLAM钢LTT接头550℃高温蠕变显示出典型的蠕变三阶段。接头应力因子n=12.3，为位错控制的蠕变变形机制。对接头蠕变断口SEM和断裂部位TEM分析发现，接头在550℃试验应力下为典型了韧性断裂；260MPa蠕变后基体部分亚晶界消失，位错密度降低，50~100nm的M23C6型第二相颗粒在原奥氏体晶界处析出，接头抗高温蠕变能力下降。通过双对数等温线外推法和Larson-Miller参数法，预测CLAM钢LTT接头在550℃/105h服役条件断裂强度分别为156.2MPa和155.6MPa。

目录

20180611105500

吴英明大论文（6-11）

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 焊接残余应力概述

1.3 低温马氏体相变焊接材料

1.4 低活化马氏体钢蠕变性能相关介绍

1.5 研究的主要内容及技术路线

第二章 试验材料设备及方法

2.1 引言

2.2 焊丝的制备

2.3 焊接试验内容

2.4 接头组织和常规力学性能测试

2.5 相变温度的测量

2.6 接头残余应力的测量

2.7 高温蠕变性能测试

2.8 本章小结

第三章 接头组织和常规力学性能分析

3.1 引言

3.2 LTT焊丝成分和分析

3.3 接头组织形貌分析

3.4 接头常规力学性能分析

3.5 本章小结

第四章 焊接残余应力及变形研究

4.1 引言

4.2 相变温度相关分析

4.3 焊接残余应力分析

4.4 焊接变形分析

4.5 本章小结

第五章 CLAM钢LTT接头蠕变机制分析及长时断裂强度预测

5.1 引言

5.2 CLAM钢LTT接头高温蠕变曲线

5.3 蠕变变形机制分析

5.4 断口形貌及损伤机理分析

5.5 长时断裂强度预测

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文