316L不銹鋼焊接接頭高溫低周期疲勞顯微結(jié)構(gòu)變化和斷裂特征

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

1 引 言

316L奧氏體不銹鋼具有很好的耐腐蝕性、焊接性及綜合力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天等重要領(lǐng)域，此類設(shè)備需要長期在高溫交變載荷條件下服役，因此奧氏體不銹鋼高溫疲勞性能一直備受關(guān)注[1-2]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，低周疲勞導(dǎo)致焊接接頭的失效是比較常見的問題，研究316L不銹鋼焊接接頭高溫低周疲勞規(guī)律，可以預(yù)防相關(guān)構(gòu)件出現(xiàn)疲勞損傷破壞，提高使用安全性。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)奧氏體不銹鋼疲勞性能的影響因素有所研究，但對(duì)316L奧氏體不銹鋼高溫低周疲勞顯微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及損傷機(jī)理沒有系統(tǒng)研究。本研究對(duì)316L奧氏體不銹鋼焊接接頭進(jìn)行不同溫度的低周疲勞試驗(yàn)，采用掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)試樣微觀結(jié)構(gòu)和裂紋萌生、擴(kuò)展形貌進(jìn)行分析，并探討其位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的變化和損傷機(jī)理。

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用母材為316L奧氏體不銹鋼，母材和焊縫填充金屬材料(308L)的化學(xué)成分見表1。采用鎢極氬弧焊(TIG)，焊接工藝詳見表2。采用自帶電爐加熱和保溫裝置的 Instron1350 液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)母材和焊縫試樣分別進(jìn)行應(yīng)變控制的連續(xù)低周疲勞試驗(yàn)。疲勞試樣的形狀和尺寸如圖1所示。加載波形為梯型波，試驗(yàn)溫度為600℃，應(yīng)變速率為4×10-3/s，總應(yīng)變幅 Δεt分別為 ± 0.4%，±0.5%，±0.6%和±0.7%。將經(jīng)過低周疲勞試驗(yàn)后的母材和焊縫試樣沿軸向切開進(jìn)行磨拋侵蝕后，利用光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)其疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展進(jìn)行觀察，并利用SEM(TESCAN)對(duì)疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察分析。使用TEM(JOEL-2010FXII)對(duì)母材和焊縫試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

表1 316L母材和308L 焊縫的化學(xué)成分/質(zhì)量分?jǐn)?shù)%
Table 1 Chemical composition of 316L base metal and 308L weld /mass fraction%

BrandCSiMnPSCrNiMoNB316L0.0250.361.190.0190.00216.8310.242.030.030.001308L0.030.761.180.0370.02318.39.50.0550.06-

圖2 連續(xù)低周疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線 (a)316L母材;(b)308L焊縫Fig.2 Continuous low cycle fatigue stress response curve (a)base metal;(b)weld bead

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

圖1 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of the fatigue specimen

3 結(jié)果與分析

3.1 連續(xù)低周疲勞試驗(yàn)

分別對(duì)母材、焊縫試樣進(jìn)行應(yīng)變控制的連續(xù)低周疲勞試驗(yàn)，得到不同試驗(yàn)條件下母材和焊縫的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線，如圖2所示。觀察發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)變幅下母材和焊縫曲線的變化規(guī)律表現(xiàn)較為一致。通過曲線觀察發(fā)現(xiàn)母材表現(xiàn)為循環(huán)硬化、循環(huán)穩(wěn)定和試件破壞這三個(gè)典型階段。在試驗(yàn)初始階段發(fā)生較快的循環(huán)硬化，之后達(dá)到飽和階段即表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定，最后應(yīng)力值急劇下降直到試件發(fā)生破壞(圖2(a))。對(duì)比觀察308L焊縫的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)其與母材有明顯不同，主要區(qū)別在于308L焊縫的循環(huán)響應(yīng)不包含循環(huán)硬化和循環(huán)穩(wěn)定階段，如圖2(b)所示，308L焊縫的循環(huán)應(yīng)力表現(xiàn)為產(chǎn)生連續(xù)的循環(huán)軟化直至試件失效[3]。

采用TEM對(duì)316L母材連續(xù)低周疲勞試驗(yàn)前后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在低周疲勞試驗(yàn)后其位錯(cuò)密度明顯增加。圖3為低周疲勞試驗(yàn)前后母材和焊縫中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演變情況。觀察發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前試樣內(nèi)有胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)形成，但該位錯(cuò)胞壁結(jié)構(gòu)較為松散，因此沒有形成完整的位錯(cuò)胞壁，如圖3(a)所示。經(jīng)過連續(xù)低周疲勞試驗(yàn)后的母材中發(fā)現(xiàn)了完整清晰的胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)胞壁也較為清晰，如圖3(b)所示。測試初期，由于母材產(chǎn)生塑性變形引起大量位錯(cuò)增殖，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化現(xiàn)象。當(dāng)位錯(cuò)增殖率和位錯(cuò)湮滅率達(dá)到一種平衡的狀態(tài)，此時(shí)循環(huán)硬化和循環(huán)軟化效應(yīng)相互抵消，達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。而對(duì)于焊縫金屬而言，基體中有一定量的鐵素體存在，在未經(jīng)過疲勞試驗(yàn)的試樣內(nèi)部就存在較高密度的位錯(cuò)(圖3(c))。通過觀察疲勞試驗(yàn)后焊縫的位錯(cuò)演變發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)密度有所下降，即出現(xiàn)了位錯(cuò)湮滅現(xiàn)象，這說明316L不銹鋼焊接接頭在疲勞過程中表現(xiàn)的循環(huán)特性與位錯(cuò)密度的變化規(guī)律密切相關(guān)，研究表明這種位錯(cuò)密度的下降是導(dǎo)致循環(huán)軟化效應(yīng)發(fā)生的根本原因[4-5]。

圖3 316L奧氏體不銹鋼低周疲勞試驗(yàn)前后微觀組織的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(T=600℃,Δεt=±0.5%)(a)試驗(yàn)前母材；(b)試驗(yàn)后母材；(c)試驗(yàn)前焊縫；(d)試驗(yàn)后焊縫Fig.3 Dislocation structure of 316L austenitic stainless steel before and after low cycle fatigue test (T=600℃,Δεt=±0.5%)(a)base material before test；(b)base material after test；(c)weld bead before test；(d)weld bead after test

3.2 裂紋的萌生與擴(kuò)展

在SEM下分別對(duì)母材和焊縫疲勞斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者具有相似的斷口形貌特征，二者均存在明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)(圖4(a)和圖5(a))。由于母材和焊縫基體成分不同，因此滑移所產(chǎn)生的疲勞輝紋形貌也有所差別，如圖4(b)和圖5(b)所示。根據(jù)疲勞輝紋的方向并結(jié)合斷口的宏觀形貌可以判斷裂紋擴(kuò)展方向垂直于疲勞輝紋方向，以穿品方式擴(kuò)展[6]。此外，在瞬時(shí)斷裂區(qū)發(fā)現(xiàn)大量的韌窩存在，韌窩的中心往往存在著夾雜物或者本身存在的微小孔洞。通常含有微孔洞界面的失效機(jī)理為：微裂紋在界面微孔處萌生，微裂紋的長大和擴(kuò)展，微裂紋間的相互連接，裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂[7]。因此，焊接接頭處孔洞的連接是最終導(dǎo)致焊接接頭疲勞斷裂的主要機(jī)制。

圖4 316L母材疲勞斷口特征 (a)宏觀斷口；(b)裂紋擴(kuò)展區(qū)；(c)瞬斷區(qū)Fig.4 Fatigue fracture characteristics of 316L base metal (a)macrofracture；(b)crack growth region；(c)final rupture region

圖5 308L焊縫疲勞斷口特征 (a)宏觀斷口；(b)裂紋擴(kuò)展區(qū)；(c)瞬斷區(qū)Fig.5 Fatigue fracture characteristic of 308L weld bead (a)macrofracture；(b)crack growth region；(c)final rupture region

4 結(jié) 論

1.316L母材疲勞試驗(yàn)中的位錯(cuò)增殖和位錯(cuò)湮滅現(xiàn)象是發(fā)生循環(huán)硬化現(xiàn)象和循環(huán)穩(wěn)定的原因，308L焊縫中由于位錯(cuò)密度的下降導(dǎo)致發(fā)生循環(huán)軟化，位錯(cuò)密度的變化是發(fā)生循環(huán)軟化和硬化現(xiàn)象的根本原因。

2.在連續(xù)低周疲勞試驗(yàn)中母材和焊縫裂紋主要以穿晶方式擴(kuò)展，焊接接頭處孔洞的連接是最終導(dǎo)致焊接接頭疲勞斷裂的主要機(jī)制。