（工程力学专业论文）A508309L异种钢焊接接头的应力腐蚀开裂研究.pdf

a 5 0 8 3 0 9 l 异种钢焊接接头的应力腐蚀开裂研究 研究生鐾字：农投节 指导教师签字：b 协咖 u 摘要 核电站反应堆设备大量采用低合金钢与奥氏体不锈钢通过不锈钢堆焊层焊接的异种 钢接头，接头主要使用在连接反应堆压力容器与不锈钢管道处，在高温环境下使用 ( 2 0 0 3 0 0 ) ，接头的界面处包含复杂且具有显著变化的化学组织，加之设备运行的工作 应力及由于界面处两种金属的热导率和延伸率的差别引起的热膨胀产生的热应力，国内外 很多报道都表明了接头的失效类型主要为应力腐蚀开裂( s c c ) 。本论文主要通过两个方 面研究异种钢焊接接头在高温水中的性能及断裂行为。第一部分为运用a n s y s 有限元软 件对焊接接头在设备典型运行工况下的应力状态分析，确定容易失效的危险界面，并预测 裂纹萌生的位置；第二部分为应力腐蚀开裂实验，考虑温度与氯离子含量两种因素通过 s s r t ( 慢应变速率实验) 确定对焊接接头应力腐蚀开裂敏感性的影响因素的规律。最后， 通过应力状态计算结果与应力腐蚀开裂实验的结果总结出异种钢焊接接头在高温水中的 断裂规律。通过研究发现，低合金钢与不锈钢焊接接头的有限元分析表明，在设备运行时 各工况下的温度场类似，有着相同的分布规律。 根据有限元分析结果，由于两种材料热物理性质的差异，低合金钢a 5 0 8 与不锈钢焊 缝3 0 9 l 界面处在设备运行各工况下容易产生应力集中，是危险部位，容易失效。 通过慢应变速率实验( s s r t ) 对低合金钢与不锈钢焊接接头在模拟设备运行环境下 的实验结果表明，低合金钢和不锈钢焊接接头的焊缝融合区靠近低合金钢侧组织对应力腐 蚀开裂比较敏感，试样均在融合区靠低合金钢侧断裂，且断裂机制属于沿晶应力腐蚀丌裂； 在除氧的高温水溶液中，当温度低于2 5 0 时，断裂机理以韧性断裂为主，断口以韧窝形 貌为主，但随着氯离子浓度增加，断口脆性区也会有所增加；当实验温度高于2 5 0 时， 低合金钢与不锈钢焊接接头随着溶液中氯离子浓度的增加，应力腐蚀开裂敏感性明显加 强，当氯离子浓度达到1 0 0 p p m 时，试样发生明显的沿晶应力腐蚀开裂，说明氯离子浓度 可以增加焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性。 通过对实验结果综合对比表明焊接接头在温度低于2 5 0 ，氯离子浓度小于1 0 p p m 时，断口主要以韧性断裂为主，所以在设备运行时，严格控制溶液中的氯离子含量有助于 设备的安全运行。 关键词：异种钢焊接接头；a n s y s ：应力腐蚀开裂；慢应变速率实验 s t u d yo ns t r e s sc o r r o s i o nc r a c ko fd i s s i m i l a rs t e e lw e l d s a 5 0 8 3 0 9 l d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：瓦胁莎厶 s up e n r i s o rs i g n a t u r e ：h 俨 a b s t r a c t l o wa l l o vs t e e lt oa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw e l d su s i n gas t a i n l e s ss t e e lw e l dc o n s u m a b l e a r e w i d e l y u s e di nb o i l e r sa n dn u c l e a rr e a c t o r s t h ew e l d sc o n t a i nac o m p l i c a t e d f e r r i t i c a u s t e n i t i ci n t e r f a c ew i t hs h a r p c h a n g e i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n i na d d i t i o nt o o p e r a t i o n a ls t r e s s e s ，t h et h e r m a ls t r e s s e sp r o d u c e dd u r i n gm a n u f a c t u r i n ga n ds e r v i c e ，b e c a u s e o ft h ed i f f e r e n tt h e r m a ic o n d u c t i v ea n de x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fa u s t e n i t i ca n df e r r i t i cs t e e l s i n n u c l e a rw a t e rr e a c t o r ，d i s s i m i l a rm e t a lw e l d sa r ee m p l o y e dt oc o n n e c tt h el o wa l l o ys t e e l r e a c t o rp r e s s u r ev e s s e la n ds t a i n l e s sp i p es y s t e m s ，m a n yo fw h i c ha r ei nt h et e m p e r a t u r eo f 2 0 0 3 0 0 c ，m a n yr e p o r ts h o w e dt h a tt h ei n v a l i d a t i o no ft h ej o i n tw a sl e a d e db ys c c ( s t r e s s c o r r o s i o nc r a c k ) t h i sp a p e rw i l lr e s e a r c ht h eb e h a v i o ro ft h ei n v a l i d a t i o no ft h ej o i n tw h i c h i n c l u d e dt w op a r t s ，o n ep a r ti st h es t r e s sa n a l y s eo ft h ej o i n ti nm a i n l yn m n i n gs t a t u sw h i c hc a n c o n f i r mt h em o s td a n g e r o u sa r e ao ft h ej o i n ta n da l s oc a nd e d u c et h ep o s i t i o no ft h ec r a c k g e r m i n a t i n ga n de x p a n d i n g ，t h eo t h e rp a r t i st h ee x p e r i m e n to fs c c ( s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k ) ， a n di nt h i sp a p e rt h et e m p e r a t u r ea n dc i - c o n t e n tw e r ec o n s i d e r e di na n du s i n gt h es s r t e x p e r i m e n tt oc o n f i r mt h es u s c e p t i b i l i t yt os c c f i n a l l y ，t h r o u g ht h es t r e s sc a l c u l a t er e s u l ta n d t h es c ce x p e r i m e n t ，c a l ls u m m a r i z et h ec r a c kd i s c i p l i n a t i o no ft h ed i s s i m i l a rj o i n ti nh i l g h t e m p e r a t u r ew a t e r i nt h i sp a p e r ，w ec a ns e et h a tb a s e do nt h ef e ma n a l y s i so fw e l dj o i n to f l o w a l l o ys t e e la n ds t a i n l e s ss t e e l ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do f t h ej o i n th a st h es a m er u l eu n d e ra l l k i n d so f o p e r a t i n gm o d u l e d u et ot h ed i f f e r e n c eo fh e a tp h y s i c so ft w ok i n d so fm a t e r i a l ，a c c o r d i n gt h ea n a l y s e d r e s u l t t h eh e t e r o g e n e o u sr e g i o nb e t w e e nt h el o w - a l l o ys t e e la 5 0 8a n dt h es t a i n l e s ss t e e l3 0 9 l i sm o r ed a n g e r o u sw h i c he a s i l yp r o d u c es t r e s sc o n c e n t r a t ea n di n v a l i d a t e ；a sk n o w nf r o mt h e s s r tf o rt h ew e l dj o i n ts i m u l a t i n gt h er u n n i n ge n v i r o n m e n to ft h ee q u i p m e n t , t h et r a n s i t i o n z o n en e a rt h el o w - a l l o ys t e e lh a dah i g h e rs u s c e p t i b i l i t yt os c c ，a n dt h es a m p l ea l lc r a c k e d n e a rt h el o w - a l l o y ，i t sc r a c k e dm e c h a n i s ma t t r i b u t et oi n t c r g r a n u l a rs c c ；t h ec r a c km e c h a n i s m w a sm a i n l yd u c t i l er u p t u r ew h e nt h et e m p e r a t u r eu n d e r2 5 0 i nt h ed e o x i d i z e dh i g h t e m p e r a t u r ew a t e r h o w e v e rt h eb r i t t l er u p t u r er e g i o nw i l li n c r e a s e da st h ec o n c e n t r a t i o no fc i i n c r e a s e d ；1 1 1 es u s c e p t i b i l i t yt os c co ft h ew e l dj o i n tw i l le v i d e n t l yi n c r e a s e dw h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fc i i n c r e a s e da n dt h et e m p e r a t u r ee x c e e d2 5 0 n es a m p l es u f f e r e dt h e i n t e r g r a n l u a rs c cw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc i - r e a c h10 0 p p m ，s h o w i n gc i c a l li n c r e a s et h e s u s c e p t i b i l i t yt os c co f t h ew e l dj o i n t a sk n o w nf r o ms y n t h e t i c a lc o m p a r i s o no ft h et e s tr e s u l t s ，t h es a m p l ew a sm a i n l yd u c t i l e r u p t u r ew h e nt h et e m p e r a t u r eu n d e r2 5 0 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc i u n d e r1o p p m t h e r e f o r ec o n t r o l l i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fc i - i nt h ec o o l i n gw a t e rs t r i c t l yw i l lr e d o u n dt ot h e s a f er u n n i n go ft h ee q u i p m e n t k e yw o r d ：d i s s i m i l a r j o i n t ；a n s y s ；s c c ；s s r t 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。 大学有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者繇讯 指导撕签名：泓j 移 吼邢亨印 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者躲枞夕 指导教师签名： 同期： 互7 豕融 u 11 研究背景及意义 1 绪论 在世界上广为应用的压水堆核电站中，低合会钢以其强度高价格低廉等特点用于制造 反应堆压力容器、加压器和蒸汽发生器的壳体等，奥氏体不锈钢和镍基台金以其高耐蚀性 等特点用于制造管道、控制棒驱动机构和仪表管等。要实现这些设备或部件的相互连接， 就必然存在商合金奥氏体低台金铁索体的异种金属焊接件。由于高合金奥氏体钢和低合 舍铁索体钢之间台金成分、导热率、热膨胀系数、熔点、机械性能之间存在较大的差别， 它们之间的焊接件存在一个成分和性能剧烈变化的过渡区，这种过渡区的存在使其在核电 站一回路环境下存在不稳定性，因此有可能对应力腐蚀丌裂和腐蚀疲劳敏感。这些异种金 属接头的部位都是非常关键的部位而且已经有报道表明压力容器管咀异种盒属接头存在 应力腐蚀开裂的失效案例，因此，对异种金属焊接接头的高温环境断裂性能的研究是非常 必要的。 1 1 1 合金钢不锈钢异种钢焊接的应用 通常这种接头的结构如图l1 所示，压力容器接管通常和容器起铸造，材料和压力 容器相同，为低合金钢，安全端的材料与管道相同，为不锈钢。先在低合金钢侧进行预堆 边焊，然后进行对接埠。为了防止低合金钢的硼酸腐蚀，压力容器接管表面堆焊3 0 8 l 3 0 9 l 不锈钢。本文对世界备主要压水堆核电站回路系统使用异种钢焊接接头关键部位及使用 材料进行了深入的调研，典型的p w r 主冷却剂回路如刚12 所示，在同路中反应堆压力 容器、蒸汽发生器和稳压器的容器本体都是低台金钢的，而主冷却剂管道、波动管、喷淋 管、稳压器泄压管线等管道都是奥氏体不锈钢的，因此这些管道与容器的连接都存在异种 金属焊接的接头。 安全端： 3 1 6 3 0 4 冀 囝11 典型异种金属焊接接头结构示意图 曲安i ：业人学硕十学位论文 r 主管道 i 图1 2 典型p w r 主冷却剂回路示意图 两安工业大学硕士学位论文 具体来说，这些异种金属焊接接头的结构见图1 3 到图1 7 。 1 ) 压力容器进出口管咀 管咀： 焊缝填充金属：3 0 8 l 2 ；2c n d 。安全端： 1 8 1 2 ( 控氮) 层：3 0 9 l 3 0 8 l 图1 3 反应堆压力容器进出口管咀结构图 2 ) 蒸汽发生器一次侧进出口管咀 低 图1 4 蒸汽发生器一次侧进出口管咀结构图 3 两安工业大学硕十学位论文 3 ) 稳压器波动管管咀 图1 5 典型稳压器波动管管咀结构图 4 两安丁业大学硕十学位论文 图1 6 稳压器顶部喷淋管线管咀结构示意图 5 西安工业大学硕+ 学位论文 z 卜 n 图1 7 安全阀连接管线和卸压管线的管咀结构图 6 两安工业大学硕士学位论文 1 1 2 异种金属接头的母材和焊缝金属 主冷却剂管道的材料见表1 1 ，主冷却剂管道支管材料见表1 2 表1 1 主冷却管道材料 表1 2 主冷却管道支管材料 7 西安。l ：业人学硕士学位论文 焊缝金属材料通常也有两种，一种是奥氏体不锈钢，另一种是镍基合金。奥氏体不锈 钢焊缝金属通常是3 0 8 l 和3 0 9 l 不锈钢，而镍基合金焊缝金属较早使用的是1 8 2 合金和 8 2 合金，最近使用的是1 5 2 合金和5 2 合金。 1 1 3 异种金属接头的特征 在由于异种金属接头两边材料的显著差异，在焊接和焊后热处理过程中，产生一系列 材料学问题，例如碳扩散、过渡区的存在、焊缝金属稀释、内应力等，而异种金属接头性 能又和这些材料学特征有显著的关系。 1 ) 碳迁移 在钢里面，碳的活度取决于它的含量和其他合金元素的水平。如果两种不同合金含量 的钢进行焊接，碳将从碳化物形成元素( 例如c r 、m o 、v ) 含量低的材料向碳化物形成 元素含量高的材料扩散，并析出碳化物。这种情况在铁素体钢与奥氏体钢焊接时更容易发 生，因为铁素体钢( 如低合金钢) 和奥氏体钢( 例如奥氏体不锈钢) 的合金成分相差很大， 且碳在奥氏体钢中的活度比在铁素体中要高。 当接头长期在高温环境下服役时，高合金钢侧就会形成富碳化物区，低合金钢侧会形 成脱碳区。大量碳化物的析出，对高合金钢有致命的影响，例如硬度增加、脆性增加、抗 腐蚀性能降低等。而且这种硬度的变化不能被退火或者应力释放消除。对脱碳区的影响则 不一样，随着碳的迁移，氮和氧也会迁移到高合金钢侧，这样，脱碳区将会变得极为清洁 ( 例如无二相粒子) ，这样重结晶温度将下降到非常低的水平，在铁素体钢中约5 0 0 。 因此，尽管脱碳区很厚，但它得硬度和抗拉强度都会显著降低。 另外，3 0 0 以下的环境，脱碳对接头在静态载荷下的机械性能没有影响，但是当接 头承受垂直的交变应力时，其疲劳性能将降低。在高温环境中，脱碳将降低接头的蠕变性 能。 避免碳迁移的不同方法已有报道。用镍基合金作为低合金钢和高合金钢的焊缝填充 金属。因为碳的活度和扩散速率在镍罩面很低，这样脱碳层的形成就受到了限制。另一种 方法是在低合金钢和高合金钢之间焊接不同合金成分的一层或多层的焊缝，使焊缝中的碳 化物形成元素逐步增加，这种延长碳扩散路径的方法也能取得阻止碳扩散的效果。另外， 低合金钢的稳定化处理也能减少碳的迁移，尽管不能完全消除，典型的稳定化处理的方法 是在低合金钢中加入适当的铌( n b ) 。 核电站设备大量使用耐蚀金属材料如奥氏体不锈钢和镍基合金，以及高强度低合金 钢。低合金钢以其强度高价格低廉等特点用于制造反应堆压力容器、加压器和蒸汽发生器 的壳体等，奥氏体不锈钢和镍基合金以其高耐蚀性等特点用于制造管道、控制棒驱动机构 和仪表管等。 因而在许多关键部位存在高合金不锈钢低合金压力容器钢的异材焊接件，根据国内 外核电站长期的运行经验，应力腐蚀开裂( s c c ) 是此类焊件部件失效的主要原因之一， 8 蹭安j j ：业人学硕七学位论文 常造成长时间而又耗费显著的停堆和修复，甚至产生一回路压力边界完整性遭到破坏造成 反应堆冷却剂泄漏核安全问题。典型的例子有瑞典r i n g h a l - 4 核电站和美国v c s u m m e r 核电站反应堆压力容器出口管道管嘴由于异种金属焊接的应力腐蚀开裂事件，两事件都出 现了贯穿性的裂纹，并有反应堆冷却剂泄漏，如图1 8 ，1 9 。瑞典r i n g h a l - 4 核电站， 1 9 9 3 年无指示；2 0 0 0 年有指示：发现在修补区有四条轴向裂纹，取6 个船样分析。发现 所有指示处均有裂纹，均在1 8 2 合金中。 不锈钢堆 尸 掣甫 - 不锈钢士 、 ，、i i 1 5 侧 i j ；念 _ p v 嘲i 。- 。_ 一 ! 焊层 慈 。、 确 k涝 ，1 8 2 合金堆焊层 图1 8 压水堆核电站压力容器接管一安全端异种金属焊接件结构 图1 9v c s u l 舯e r 电站热管段管咀焊缝处的穿透管壁的裂纹位置 2 ) 热膨胀系数的差异导致焊接残余应力 奥氏体材料的热膨胀系数比铁素体材料要大很多，在铁素体一奥氏体接头中，这种差 别能导致应力和塑性应变【1 】。当接头曝露于温度变化的环境时，由于热疲劳导致的现场 失效已有报道。而且这种残余应力的存在，也增强了材料的应力风险。为了克服这一问题， 9 西安工业大学硕十学位论文 用镍基合金焊一层一种热膨胀系数在奥氏体钢和铁素体钢的中间层。但镍基合金本身可能 对应力腐蚀敏感。 3 ) 焊后热处理的影响 通常进行焊后热处理有两个目的： a 、减小残余应力； b 、为焊缝金属和热影响区提供一个适当的微观结构。 因此，进不进行热处理将取决于焊接接头的使用要求。对于铁素体一奥氏体接头来说， 特别需要关注两个问题： a 、由于热膨胀系数的差别，焊接残余应力不能被消除； b 、热处理温度必须依据部件材料的特殊性能而定。最高的热处理温度通常取决于铁 素体钢，通常低于7 0 0 。但是在这种温度下，将导致奥氏体钢的抗腐蚀能力和机械性能 降低。 c 、这种焊后热处理过程将会导致碳扩散，这对焊接接头来说是致命的。 许多低合金钢和马氏体不锈钢的焊接是需要焊后热处理的，以优化热影响区的强度。 对于低合金钢和奥氏体钢的焊接，如果需要热处理，则需要分成两步走，不能简单的进行 焊后热处理。具体的方法是：首先，在低合金钢上堆焊一层合适的焊缝金属，然后进行合 适的热处理，最后奥氏体钢与堆焊层进行焊接，焊后不再进行热处理。 4 ) 腐蚀问题 铁素体钢和奥氏体钢相比，其耐蚀性能相对要低，如果在腐蚀性环境下，有发生电偶 腐蚀的风险。 另外，如果在焊接过程中或焊后热处理过程中发生了碳迁移，且有c r 的碳化物析出， 则接头有发生晶间腐蚀的敏感性。同时由于热膨胀系数导致的焊接残余应力的存在，加实 际承压载荷，部件有发生晶间应力腐蚀开裂的风险。而且，对低合金钢而言，由于脱碳区 的疲劳腐蚀性能降低，如果接头在腐蚀环境下使用，则有腐蚀疲劳的风险。不过，这种接 头在核电站应用时，低合金钢表面都会堆焊一层奥氏体不锈钢，不会直接与环境接触，不 存在腐蚀疲劳的风险。 因此，如果奥氏体不锈钢堆焊层必须进行焊后热处理以优化铁素体钢部件的性能，在 这种情况下，需要特别小心以避免堆焊层腐蚀性能降低，例如使用低碳的或含铌的含材。 如果热处理对于基体材料并不是必需的，奥氏体堆焊层就保持焊后的状态，以获得最大的 抗腐蚀性能。 5 1 焊缝金属对接头性能的影响 相对于不锈钢的焊条，镍基合金焊条的优点是较不容易形成马氏体，碳不易扩散，内 应力较低，室温强韧性和高温蠕变抗力较高，缺点是热裂敏感性高，价格较高。 而且过去通常使用的1 8 2 合金和8 2 合金，大量运行经验表明，它们对应力腐蚀开裂 l o 西安工业大学硕士学位论文 敏感。新的替代焊缝金属是1 5 2 合金和8 2 合金，还没有应力腐蚀开裂的运行经验报道。 大亚湾和岭澳核电站，不锈钢管道与低合金钢容器之间异种金属焊缝采用焊材都是 3 0 8 l 和3 0 9 l 奥氏体不锈钢。 由于核电站属于高投入高产出设施，百万千瓦级核电站停堆一天，可损失数十到上百 万美元。核电研究先进的国家，如美国、日本、法国、瑞典、德国、英国、芬兰等，已充 分认识到以应力腐蚀破裂为代表的环境促进破裂及其它腐蚀失效是压水堆长期的、经常 的、慢性的、损失巨大的工程问题，对此投入大量的人力物力研究其产生原因、过程、预 测、防治和相关延寿方法，异种金属焊接的应力腐蚀行为是其中一项重要的研究内容。 1 2 研究现状、水平及趋势 其中关于异种金属焊接应力腐蚀开裂行为的研究，则主要有以下一些方面： 1 ) r a o 掣2 j 综述了1 9 7 3 1 9 9 1 年期间美国压水堆异材焊接件的破裂状况，表明主要 原因是焊接过程中的热裂；不锈钢敏化和污染物共同导致的应力腐蚀破裂，这些污染 物来自隔热材料或维修后清洁不干净的遗留物。 2 ) b o u v i e r 等1 3 j 报导了在法国压水堆安全端外壁上发现的下列缺陷：点蚀：位于母 材紧靠f a 界面的铁素体内；0 晶界破裂：位于3 0 9 l 奥氏体不锈钢堆焊的第一层里。现 场和模拟实验分析认为属于大气腐蚀，应力和空气中的s o 。对其有促进作用。 国内已有的关于异种钢的腐蚀性能研究主要集中晶粒度、夹杂物，焊后热处理等， 而高温高压水环境下对于接头应力腐蚀开裂的影响研究偏少。 董俊明等人【4 j 用插销法评定了o c r l 8 n i g t i 钢及其焊接接头在1 4 3 、4 2 m g c i 溶液中 的应力腐蚀开裂敏感性，测定了接头各区抗s c c 的临界值，指出奥氏体晶粒度是热影响区 s c c 抗力的最主要因素，其中热影响区的晶粒度与s c c 临界值成线性关系。因此晶粒度越 细越能防止微裂纹的产生，而夹杂物常常作为微裂纹的起源，要严加控制。 传统观点认为焊后热处理可以消除残余应力，降低应力腐蚀敏感性，提高焊缝金属塑 性等。但另一些人士认为应该避免焊后热处理的影响【5 - 7 1 ，主要理由为： 1 ) 碳化物和仃相析出将导致焊缝金属脆化和耐腐蚀性能降低等不利后果 2 ) 由于再结晶会导致热影响区中晶粒粗化 3 ) 不能达到消除残余应力的目的，只能使其重新分布 最新研究表明p j ，通过s e m 、t e m 以及动电位极化测试，发现焊后热处理会引起6 铁 素体向仃相的转化，造成了焊接接头抗点蚀性能明显下降。 褚武杨等人【9 j 讨论了应力腐蚀的基本机理，利用特殊的恒位移加载台，在投射电镜进 行了位错组态变化及应力腐蚀微裂纹形核、扩展的原位观察。认为对金属材料而言，任何 裂纹的形核均和位错发射、增值和运动有关，以及介质对微裂纹的钝化作用。还利用高温 显微镜，对碳钢氢腐蚀裂纹的愈合过程进行了原位、实时观察，通过录像记录了整个裂纹 西安工业大学硕士学位论文 愈合实验过程。 李光福【7 1 0 】等人研究了异种钢接头在模拟一回路水环境下不同焊后热处理工艺、 s 讲一浓度及电位因素下应力腐蚀开裂的规律，认为： 1 ) 焊后热处理在一定范围内会导致焊件的碳的扩散，但在2 9 2 模拟一回路水环境下 接头的应力腐蚀敏感性并没有很大的影响； 2 ) 应力腐蚀开裂仅发生在电极电位高于自腐蚀电位的区域且应力腐蚀敏感性随阳极 电位升高而增强； 3 ) 慢应变速率实验中应力腐蚀开裂经常同时在接合面和奥氏体侧及离熔合线0 5 m m 处的低合金钢侧发生； 4 ) 奥氏体侧仅在焊后热处理后对应力腐蚀敏感，但其s c c 敏感性在一定范围内并不随 着焊后热处理温度和时间产生太大的变化； 5 ) 低合金钢与不锈钢接头过渡区相对不锈钢与低合金钢母体都有较高的s c c 敏感性。 过渡区应力腐蚀裂纹在奥氏体侧多为晶间裂纹，而在融合区与低合金钢侧多为穿晶裂纹。 6 ) 污染水中的s o ：。含量的增加会在相同电位下加快裂纹扩展速率降低最小开裂电位 从而增加焊件的应力腐蚀敏感性。 1 3 本文研究思路及内容 1 3 1 本文的研究思路 1 ) 通过有限元数值模拟分析接头在各种典型运行工况下的受力状态，初步确定接头在 高温水中的危险容易失效部位； 2 ) 通过慢应变速率实验并结合有限元计算结果确定接头在模拟设备使用环境下的断 裂规律。 1 3 2 本文的具体研究内容 1 ) 对异种钢焊接接头在核电站的使用情况进行调研，确定主要材料类型及使用环境参 数； 2 ) 运用a n s y s 有限元软件建立焊接接头模型，并确定接头在设备使用期间典型的边界 条件； 3 ) 对异种钢焊接接头在设备各典型运行工况下的受力状态进行数值模拟，初步确定其 应力分布情况，确定接头区域危险界面； 4 ) 运用州s y s 软件对含有裂纹的焊接接头进行数值模拟，计算其应力强度因子的数值 解，为以后裂纹扩展研究做参考； 5 ) 通过高温慢拉伸机对异种钢焊接接头进行应力腐蚀开裂实验，实验环境模拟核电一 1 2 西安 ：业大学硕士学位论文 回路水环境，分别改变其温度和水中杂质浓度( c 1 一) ，确定接头在各种环境下的断裂规律； 6 ) 通过慢拉伸实验及有限元计算结果确定异种钢焊接接头在模拟核电一回路水环境 下的高温性能。 2 焊接接头t 作应力数值模拟 2 焊接接头工作应力数值模拟 焊接作为现代制造业中必不可少的工艺，在材料加工领域中一直占有重要的地位。但 焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、 传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接 应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷 的产生主要是焊接时不合理的热过程产生的。 焊接变形预测方法大多基于有限元分析。近年来，随着计算软件、硬件和有限元法的 发展，焊接三维数值模拟的研究成为该领域的前沿，三维焊接热应力和残余应力演化虚拟 分析技术也逐渐发展起来。计算机硬件的发展为焊接过程的模拟和工程预钡, o g d 造了条件， 现在p c 机性能己和十几年前的小型机、中型机性能相差无几，对于简单的、结果不是很 复杂的焊接结构可以在p c 上实现其模拟过程。焊接接头是焊接结构的重要组成部分，其 性能的好坏直接影响焊接结构可靠性的高低。由焊接引起的材料宏观力学性能的非均匀性 可能会导致焊接接头具有与常规均质材料完全不同的力学行为。 焊接结构工作可靠性在很大程度上依赖于焊缝金属与母材热影响区之间的界面的结 合强度。在焊接接头的传统力学分析中，人们一般都将焊接接头处理为由焊缝、热影响区 和母材组成的三区复合结构，其中三个区域分别为具有不同物性参数的均匀材料。 2 1a n s y s 简介 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛 用于航空航天、机械制造、能源、国防军工、电子、土木工程、生物医学等一般工业及科 学研究1 1 2 , 1 3 j 。该软件能在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 即到工作站直至巨型计 算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。a n s y s 目前在土木建筑工程 各个领域包括桥梁工程得到了广泛应用。利用a n s y s 可以对结构在各种外载条件下的受 力、变形稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学分析、组合分析等方面提出全面解 决方案，为工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。 a n s y s 前处理建模功能强大，用户可以自由选择两种建模方式：自底向上及自顶向下 的方式。用户可以生成点、线、面、体，也可以直接生成结点、单元。可以对几何实体智 能网格和映射网格。用户可以通过智能扫掠、自适应、局部细分、层网格、网格随移、金 字塔单元等多种网格划分工具进行精确的有限元建模。 a n s y s 计算功能强大稳定，可以进行多领域的分析：结构分析，热分析，流体分析及 多场耦合分析。结构分析功能包括非线性、动力学、疲劳、断裂力学和复合材料分析。 a n s y s 可对结构、热、液体力学、电磁场等学科分析进行计算，同时也可以对各场的 1 4 西安丁业大学硕士学位论文 线性和非线性计算及多物理场相互影响的耦合如：热一结构耦合，热一流耦合，固一液耦合， 流一固耦合进行分析。a n s y s 的其他分析功能包含：并行处理，子模型，子结构，单元死 活，优化等。 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t l 和时间历程后处理模 块p o s t 2 6 。可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位 移、温度、应力、应变、速度及热流等。输出形式可以是图形显示如变形图、值图、向量 图、路径曲线图、时间相关曲线图等，同时还可以动画的形式显示结果随时间变化的过程， 也可以数据列表。后处理还可以对数据进行处理，对计算结果进行各种计算，数据排序、 单元表、误差估计、载荷工况组合。用户还能通过报告生成器，生成一个图文并茂的h t m l 或w o r d 格式的分析报告。 a n s y s 典型的分析过程包括3 个主要步骤：前处理、加载求解及后处理 1 ) 创建有限元模型 2 ) 创建或读入几何模型 3 ) 定义材料属性 4 ) 划分( 单元) 网格 5 ) 施加载荷并进行求解 6 ) 施加载荷 7 ) 设置载荷及求解控制选项 8 ) 求解 9 ) 查看结果 1 0 ) 查看分析结果 1 1 ) 检验结果，分析结果的准确性。 a n s y s 的热分析功能 热分析是a n s y s 软件的一个很重要的功能，主要用于计算一个系统或部件的稳态瞬念 温度分布及其它热物理参数。 a n s y s 可处理三种热传递方式：热传导、热对流和热辐射，可进行稳态或瞬态分析。 此外，还可以分析存在的相变、内热源、接触热阻等问题。 a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各节点的温度，并导出 其它热物理参数。 a n s y s 的耦合分析 a n s y s 的耦合分析考虑了两个或多个物理场之间的相互作用，a n s y s 中提供了两种耦 合计算方法，即直接耦合法和顺序耦合法。 直接耦合法一般只涉及到一次分析，使用包括所有必要自由度的耦合场单元。通过计 算包括所需物理场的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。 顺序耦合法涉及到两个或更多顺序分析，每个属于不同的物理场，这里又有顺序耦合 两安。t ：业大学硕十学位论文 物理场分析及顺序弱耦合分析之分。顺序耦合物理场分析通过降低一个分析结果作为第二 个分析的载荷进行施加来耦合两个物理场。载荷传递发生在分析之外必须通过物理环境制 定载荷传递。 顺序弱耦合分析能够在a n s y sf l o r t a i q 和a n s y s 结构、热或耦合场单元问进行流体一 结构耦合分析。 2 2 理论及计算模型建立 2 2 1 模型的简化 本文的异种钢焊接接头的示意图如图2 1 所示，本文采用简化的二维焊接接头模型来 分析其力学性能，实际工程中异种钢焊接接头，无论采用何种焊接方法及工艺，在不考虑 热影响区对接头性能影响作用下均可简化为此种模型。 图2 1 异种钢焊接接头示意图 由于模型取自整个模型的一部份，可以把原模型简化为上述模型。且各参数的具体数 值如下表所示： 表2 1 异种钢焊接接头模型的主要几何参数 异种钢接头的工作在高温高压的环境中，在设备运行时将受到内压应力和热应力作 用，本文利用材料力学的三大强度理论来判断接头危险部位，即容易应力集中的部位。 1 6 西安t 业大学硕士学位论文 2 2 2 计算理论 基于异种钢接头的具体使用情况，作如下简化： 1 ) 材料为各向同性，其物理特性参数为温度的函数； 2 ) 忽略辐射换热的影响； 3 ) 无内部热源； 根据传热学的基本理论，热传导遵循如下微分方程式： 坠一2(02t：+窘-li-atp c窘 ( 2 ，) 一= 一 + 一一i iij ，i 叙2 砂2 瑟2 相应的边界条件与初始条件分别为： 一五甜口眈一丁) 汜2 ， r ( x ，y ，z ，f = o ) = 厂g ，y ，z ) j 式中， 一导热系数，叫如k ) ； 丁，一周围介质温度，魁 口一对流换热系数，矽( 坍2 x ) ； p 一材料密度，k g m 3 ； c 。一材料比热容，材( k g k ) ； t 一时间，s ； 1 7 一边界的外法线方向。 上式为泛涵方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微分方程的边界条件及初 值条件。焊接温度场的计算通常有下列几类边界条件【1 4 】： 第一类边界条件，已知边界上的物体与周围介质间的热交换： 见挈”五娑铲( 砌一乃) ( 2 3 ) a x a y 第二类边界条件，己知边界上的热流密度分布 名军i 1 x + 五譬铲q ，( 碱yf ) ( 2 4 ) 以_以_ 玎y = ，l x ，f ) () o x a y 第三类边界条件，已知边界上的温度值 彳华n x + 旯娶驴y ，f ) ( 2 5 ) a 【 o y 2 2 3 实体模型及有限元模型 计算中选用a n s y s 做为分析工具，并选用其中的耦合场分析单元p l a n e l 3 ，来计算 1 7 商安i 业大学硕 学位论文 异种钢接头的温度场和热应力场。本文采用a n s y s 的参数化建模，如图2 2 所示为焊接 接头的平面图形。如同23 所示，为异种钢焊接接头的有限元模型，其中一共有2 8 7 2 个单 元，2 9 6 4 个节点。 图24 焊接接头区域的有限元模型 2 2 4 边界条件 1 ) 接头的矗右两端热边界条件 西安t 业大学硕十学位论文 接头是从整个模型中截取出来的，因此可以处理为近似绝热。 2 ) 接头的内、外壁上的热边界条件 内壁和外壁都按第三类热边界条件，即对流边界条件处理，见式( 2 5 ) 。 金属内表面与蒸汽之问的对流换热系数p 取决于箱体的结构、蒸汽的热力参数，如蒸 汽压力、温度、流量以及气流流速等。目f j 绝大多数仍采用如下经验公式计算【”1 ： 弘砉虬 ( 2 6 ) 虬= o 0 2 3 根。o8 e 0 4 j 式中， 占一弯管修正系数，占= 1 + 1 7 7 兰； 月一流道曲率半径； 三一流道定型尺寸； r 。一雷诺数，r ，：型； p 一汽流的普朗特尔致，只：兰：掣； a 以 口一导温系数，口= 三，册2s ； c y d 一箱体的内径，m ； 国一汽流速率，s ； c 一比热，慷k ) ； y 一汽体运动粘度系数，m 2 厶： 7 一密度，船朋3 。 2 2 5 材料物性参数 异种钢焊接接头由a 5 0 8 、3 0 9 l 、3 0 8 l 和3 0 4 l 组成。a 5 0 8 3 0 9 l 3 0 8 l 过渡区为人工 金属电弧焊在低合金钢a 5 0 8 上熔敷一层3 0 9 l 不锈钢层，然后再熔敷1 5 层3 0 8 l 不锈钢， 与3 0 4 l 焊接。 表2 2a 5 0 8 的物理参数 导热系数单位：五( 缈幻k ) ) 1 9 西安i i 业大学硕十学1 奇论文 重兰! ! ! 些塑塑堡董塾 温度 1 0 02 0 03 0 04 0 0 22 6 典型运行工况及曲线 本文主要确定焊接接头在设备各典型运行工况下的温度场和应力场，采用直接法来进 行热应力的计算。通过图25 的温压图来确定模型的力边界和热边界条件。 曲安【业大学硕士学位论文 2 27 强度理论 1 ) 最大拉应力理论( 第一强度理论) ”： 这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要 构件内一点处的最大拉应力q 达到单向应力状态下的极限应力口。，材料就要发生脆性断 裂。于是危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是：f = o - 。 所以按第一强度理论建立的强度条件为： 口i p r 27 、 2 1 最大切应力理论( 第三强度理论) ： 这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素，无论什么应力状态，只要虽大切应 力7 达到单向应力状态下的极限切应力，f o 材料就要发生屈服破坏。 r 胁2 f 0 依轴向拉伸斜截砥上的应力公式可知r 。= 盯。2 ( 口。横截面上的正应力) 由公式得： 。眦。7 h5 t 。l a 3 ) ，2 所以破坏条件改写为( 矾一口，) = t 按第三强度理论的强度条件为： ( 。i 一吒) 【口 ( 28 ) 3 l 形状改变比能理论( 第四强度理论) ： 这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状畚，只 要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材科就要发生屈服破坏。 所以按第四强度理论虹强度条件为：一+ + j ；+ 一一o t o 2 一q q 一0 2 0 ，(