（材料加工工程专业论文）clam钢tig焊组织与性能的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 由于低活化铁素体马氏体钢( r a f m ) 具有较低的辐照肿胀和热膨 胀系数、较高的热导率等优良的热物理性能和力学性能，以及相对较为 成熟的技术基础，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首 选结构材料。中国低活化马氏体钢( c i 。a m ) 是具有中国自主知识产权 的、成分及性能优化的r a f m 钢。c l a m 钢被定为中国设计研究的i t e r 试验包层模块的首选结构材料。由于低活化的要求，c l a m 钢和其他低 活化钢一样，采用w 、t a 和v 等合金元素来取代常规铁素体马氏体钢 中的m o 、n b 和n i 等。 焊接技术和工艺是c l a m 钢走向工程应用的关键技术之一。本文参 考了国际上其他r a f m 钢和普通马氏体钢的研究方法制定了实验研究方 案。对4 m m 的c l a m 钢板，使用t i g 焊接方法对进行了焊前预热和未 进行焊前预热的两种试样进行了焊接和焊后热处理处理。利用金相显微 镜和扫描电镜观察了c l a m 钢焊接接头微观组织、碳化物分布；利用硬 度试验和拉伸试验对焊接接头的硬度及力学性能进行了研究。根据观察 和测试结果，利用冶金学原理和相关理论对焊接热循环、金相组织、碳 化物的析出、焊接接头的力学性能和硬度以及它们间的相互关系进行了 研究分析。 研究结果可以看出，受焊接热循环和焊后高温回火处理的影响，焊 缝区和近缝区的热影响区形成了晶粒粗大的板条马氏体，晶内分布着密 度极高的位错，并且在晶界和马氏体板条界处析出大量的细小短条形碳 化物。较高密度的位错有利于改善焊缝力学性能，细小的碳化物起到弥 散强化作用，且对位错运动起到阻碍作用。这使得焊缝具有较高的强度 和比母材略高的硬度，但是碳化物的析出造成晶格畸变，使得焊缝并没 t 江苏大学硕士学位论文 有出现明显硬化现象；冲击断口大部分为纤维区，韧窝明显。而在靠近 母材的热影响区的金相组织为晶粒细小的回火马氏体。在焊接热循环过 程中，该区相当于经历了一次回火过程，出现了马氏体的分解和碳化物 的聚集球化现象，该区尺寸较大的颗粒状碳化物失去对位错运动的阻碍 作用，使强度降低，拉伸试样在拉伸过程中断裂在此处，并且硬度低于 母材，出现较窄的软化区。 关键词：低活化钢；c l a m ；核聚变；t i g ；金相组织；碳化物 江苏大学硕士学位论丈 a b s t r a c t a si sw e l l k n o w n ，r e d u c e da c t i v a t i o nf e r r i t i c m a r t e n s i t i cs t e e l s ( r a f 昀 a r ec o m m o n l yc o n s i d e r e da st h ep r i m a r ys t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rt h ed e m o f u s i o np l a n ta n dt h ef i r s tf u s i o np o w e rr e a c t o r sb e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n t t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e i rr e l a t i v em a t u r e t e c h n i c a lf o u n d a t i o n ，f o re x a m p l et h el o wi r r a d i a t i o ns w e l l i n ga n dt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ye t c c h i n al o wa c t i v a t i o n m a r t e n s i t i cs t e e l ( c l a m ) i st h er a f mw h i c hh a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s w i t hc h i n e s ea n do p t i m i z e dc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n d p r o p e r t i e s c l a mi sc o n s i d e r e da st h ep r i m a r ys t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rt h e c h i n ad e s i g n e di t e rt e s tb l a n k e tm o d u l e a so t h e r sr a f m s ，w ，t aa n dve t c i nc l a mw e r eu s e dt o r e p l a c em o ，n ba n dn ie t c i nc o n l m o n f e r r i t i c m a r t e n s i t i cs t e e l s ，b e c a u s eo ft h el o wa c t i v a t i o nr e q u i r e m e n t w e l d i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r c l a m u s i n gi np r o je c t i nt h i sp a p e r ，w er e f e r e n c e ds o m er e s e a r c hm e t h o d s o ft h eo t h e r sf o r e i g nr a f m sa n dt h ec o m m o nf e r r i t i c m a r t e n s i t i cs t e e l st o m a k et h ee x p e r i m e n ta n dr e s e a r c hs c h e m e t h ep r e h e a t e da n dn o np r e h e a t e d 4 m mc l a mp l a t e sw e r ew e l d e db yt i g ，t h e nt h e yw e r ep o s t - w e l dh e a t t r e a t e d m i c r o s t r u c t u r ea n dc a r b i d ed i s t r i b u t i o no fw e l dj o i n tw e r eo b s e r v e d b ym e t a l l o s c o p ea n ds e m h a r d n e s sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ed e t e c t e d r e s p e c t i v e l yi nh a r d n e s st e s ta n dt e n s i l et e s te x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so fo b s e r v e da n dt e s t e d ，m e t a l l u r g i c a lp r i n c i p l e sa n dr e l a t e dt h e o r i e s w e r eu s e dt or e s e a r c ha n da n a l y s i sw e l d i n gt h e r m a lc y c l e ，m i c r o s t r u c t u r e ， c a r b i d e p r e c i p i t a t i o n ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh a r d n e s so fw e l d e d j o i n t s a ss h o w ni nr e s u l t s ，g r a i nc o a r s e n i n gl a t hm a r t e n s i t ea n dh i g h d e n s i t y d i s l o c a t i o n sw e r eo b s e r v e di nw e l d i n gs e a m sa n dh a zc l o s et ow e l d i n gs e a m ， a n dal a r g en u m b e ro ff i n er o d l i k ec a r b i d e sw e r ep r e c i p i t a t e di ng r a i n t t t 江苏大学硕士学位论文 b o u n d a r i e sa n dm a r t e n s i t i cl a t h s b o u n d a r i e s h i g hd i s l o c a t i o nd e n s i t yi s c o n d u c i v et oi m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d f i n ec a r b i d e sp l a y ar o l eo fd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e d ，a n di m p e d ed i s l o c a t i o nm o v e m e n t t h i s m a k e sw e l d i n gs e a m ss h o w e db e t t e rt e n s i l ep r o p e r t i e sa n ds l i g h t l yh i g h e r h a r d n e s st h a nt h eb a s em e t a l n o t i c e a b l eh a r d e n i n gp h e n o m e n o nw a sn o ts e e n i n w e l d i n g s e a m sb e c a u s el a t t i c ew e r ed i s t o r t i o nc a u s e d b yc a r b i d e p r e c i p i t a t i o n m o s ta r e ao ft h ei m p a c tf r a c t u r ei sf i b r ez o n e ，a n dd i m p l e sc a n b ec l e a r l yo b s e r v e di nt h ez o n e t h ef i n et e m p e r e dm a r t e n s i t ew a so b s e r v e di n h a zc l o s e dt ob a s em e t a l i nt h ep r o c e s so fw e l d i n gt h e r m a lc y c l e ，t h i sz o n e e q u i v a l e n tt o h a s u n d e r g o n eat e m p e r i n gp r o c e s s ，t h ed e c o m p o s i t i o no f m a r t e n s i t ea n ds p h e r o i d i z i n gc a r b i d e sw e r ea p p e a r e d t h et e n s i l ep r o p e r t i e s o ft h i sz o n ed e g e n e r a t e db e c a u s et h el a r g eg r a n u l a rc a r b i d e sc a nn ol o n g e r i m p e d et h ed i s l o c a t i o nm o v e m e n t t e n s i l es p e c i m e n sf r a c t u r e dh e r ei nt h e t e n s i l et e s t ，a n dt h eh a r d n e s so ft h i sz o n ei sl o w e rt h a nb a s em e t a l as o f t e n n a r r o w e rs t r i pw a sd e t e c t e di nt h i sz o n e k e yw o r d s ：r e d u c e da c t i v a t i o ns t e e l ；c l a m ；f u s i o n ；t i g ；m i c r o s t r u c t u r e ； c a r b i d e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密日。 学位论文作者签名：磁京采 渺c 7 年6 月琴日 指导教师签名： 伽戍 川年月p 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：万良象和 、d 、 日期：护7 年6 月? e t 江苏大学硕士学位论文 1 1 能源与人类发展 第一章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，人类的能源利用经历了从薪柴时代到 煤炭时代，再到油气时代的演变，在能源利用总量不断增长的同时，能源结构也在 不断变化。每一次能源时代的变迁，都伴随着生产力的巨大飞跃，极大地推动了人 类经济社会的发展。能源是现代经济社会发展的基础。现代经济社会发展建立在高 水平物质文明和精神文明的基础上。要实现高水平的物质文明，就要有社会生产力 的极大发展，有现代化的农业、工业和交通物流系统，以及现代化的生活设施和服 务体系，这些都需要能源。可以说，没有能源作为支撑，就没有现代社会和现代文 明【1 】o 随着人类使用能源特别是化石能源的数量越来越多，能源对人类经济社会发展 的制约和对资源环境的影响也越来越明显。随着经济社会持续发展和人民生活水平 不断提高，能源已成为经济社会发展的重要制约因素，同时，也将使能源需求还会 继续增长，这必将导致供需矛盾和资源环境制约的问题长期存在。另外，能源安全 还事关经济安全和国家安全。因此，能源已经成为当今国际政治、经济、军事、外 交关注的焦点。 自上个世纪以来，能源消耗对生态环境的影响日益突出。能源资源的开发利用 促进了世界的发展，同时也带来了严重的生态环境问题。化石燃料的使用是c 0 2 等温 室气体增加的主要来源。科学观测表明，地球大气中c 0 2 的浓度已从工业革命前的 2 8 0 p p m v j 二升到了目前1 拘3 7 9 p p m v 全球平均气温也在近百年内升高t o 7 4 。c ，特别 是近3 0 年来升温明显。全球变暖对地球自然生态系统和人类赖以生存环境的影响总 体上是负面的。因此，解决好能源问题，不仅要注重供求平衡，也要关注由此带来 的生态环境问题。 科学家早就认识到，要解决人的能源问题，必须大规模使用太阳能和开发聚变 能【2 】。前者取决于廉价的太阳能储藏和转换器件，一旦将来技术问题解决，大规模发 展太阳能电站将成为可能，相当一部分的能源需求也就可以得到满足。但是，这种 1 江苏大学硕士学位论文 取能方式要占用很大的面积，只适宜于分散应用。聚变能则具有消耗燃料少、资源 极其丰富、无污染、电站规模大( 每个电站能发电几百万千瓦) 的优势，一旦成功， 一个电站便可以满足百万人口以上城市的生产和生活需要。 1 2 核聚变与核聚变材料 核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变与核聚变是在特定条件下原子 核发生的反应。核裂变是一个重原子核分裂成几个轻原子核的过程，裂变能是重金 属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商用化。因为裂变堆核燃 料( 主要是铀等重金属元素) 的蕴藏极为有限，地球上的储量仅够维持数百年，并且常 规裂变反应产生带有很强放射性的核废料物质无法处理，对环境造成很强的放射性 污染，这些不利因素限制了裂变能的发展。 核聚变是由两个轻原子核结合成一个重原子核的过程，是太阳和星星的能量来 源。核聚变反应时核聚变产生的能量比核裂变还要多，实现核聚变的燃料主要是氘 和氚，这两种元素是氢的同位素，在地球上储量非常丰富，尤其在海水中蕴含大量 氘，据推算，如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用上百亿 年【3 1 。氘和氚燃烧后，其聚变产物是惰性物质氦，对环境没有任何污染。另外，聚变 堆是次临界堆，聚变反应需要极高的温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降， 聚变反应就会自动中止，不必担心失控，绝对不会发生类似美国三里岛和前苏联切 尔诺贝利核( 裂变) 电站的事故，可见它是安全可控的。因此，核聚变能是一种没 有污染、清洁安全、取之不尽、用之不竭的战略能源，是二十一世纪的换代能源。 核聚变研究的长期目标是利用聚变能量帮助满足人类的未来能源需求。 综上所述，可以看出，核聚变具有丰富的可利用燃料资源，能够大规模、安全 地提供环境友好的能源。因此，核聚变为人类摆脱能源危机展现了美好的前景，聚 变能的开发是人类未来能源的希望所在【俏】。 经过5 0 余年的艰难历程，核聚变能被认为是满足人类未来能源需要的潜在技术 【6 】这一论断的科学可行性已得到证实。建造和运行核聚变实验堆是确定核聚变能能否 有效地被人类用于大规模能源生产的必要步骤i r l 。2 0 0 6 年中国、欧盟、印度、日本、 韩国、俄罗斯和美国七方签署了国际热核聚变实验堆( i n t e m a t i o n a lt h e r m o n u c l e a r e x p e r i m e n t a lr e a c t o r ，i t e r ) 联合实施协定，这标志着i t e r 计划进入正式实施阶段。 2 j 王苏大荦硕士学位论文 i t e r 国际合作组织计划在1 t e r 运行期间安装实验包层模块o e s tb l a n k e tm o d u l e ， t a m ) ，置于中子流强最高、热流密度最大的1 t e r 装置赤道面位置的窗口，柬模拟 和测试与未柬聚变发电堆相关的材料和技术“。图t 1 列出了一些核聚变装置图。 a 国际热棱聚变实验 堆装置示意图 b 中国的全超导托卡 马克实验装置 翥 c 甘本7 e 产的托 dt b m 模块结构圉 马克容器的分段 图1t 部分饭聚变装置及部件 f i 9 11 s e v e r a l f u s i o ns e t s a n da c c c s s o f i e s 材料问题是核聚变可否最终实现商业应用的“瓶颈”问题之一是目前世界上 许多国家聚变研究的一个主要领域。核聚变反应堆中对所使用的结构材料的要求非 常苛刻，必须具有耐高温、抗辐照、耐腐蚀等性能同时还必须具有较高的机械性 能。目前工业上应用的材料中尚没有一种材料能达到聚变反应堆的要求。因此要 想发展核聚变反应堆，必须首先研制出自目满足聚变堆装置要求的材料。过去的几十 江苏大学硕士学位论文 年中，世界各国在此领域已经进行了大量研究。由于奥氏体钢、镍摹合会、钼合金 等各自在热物理性能、h e 产生率及相不稳定性、辐照下d b i q 效应等问题，以及为了 降低聚变堆事故情况下的风险和减少高放射性废物的数量【1 2 1 ，当今世界各国聚变设 计中正在研究发展及计划使用低活化结构材料，主要包括低活化铁素体马氏体钢 ( r e d u c e da c t i v a t i o n f e r r i t i c m a r t e n s i t i cs t e e l s ，r a f m 钢) 、钒基合金及s i c s i c 复合材 料1 3 1 。它们的基本物理特性参数范围列于表1 1 。 在对结构材料的研究初期首先想到的是高温强度好的奥氏体钢，因为奥氏体钢 在裂变堆中已被应用，它有一个比较完备的核应用数据库。然而，进一步的研究发 现奥氏体钢存在很多问题，主要表现在热应力因子低、表面热通量能力有限、抗辐 照肿胀能力差、抗液态金属腐蚀能力有限，并可能有应力腐蚀等问题，因而世界各 国丌始研究采用低活化铁素体马氏体钢作为核聚变装置的结构材料【1 4 1 。 表1 1 聚变堆结构结构物理特性及力学性能参数 t a b l e1 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o r f u s i o nr e a c t o r s 4 江苏大学硕士学位论文 1 3r a f m 钢及毗心m 钢焊接的国内外研究现状 低活化铁素体马氏体钢相对奥氏体钢来说具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、 较高的热导率等优良的热物理、机械性能，较好的耐液态金属腐蚀能力，以及相对 较为成熟的技术基础【1 5 j 6 1 等优势，同时还有大量的基本性能和辐照性能的数据库。 在研究铁素体马氏体钢的开始阶段，主要集中在研究改进型的f e c r - m o 钢等。后来 考虑到中子辐照诱发的长寿命放射性核素的存在( 如m o ，n b ，n i ) ，又采用w 、t a 、 v 代替其中的合金元素m o 、n b 、n i 来达到低活化的效果。这里要指出的是，所谓低 活化材料，其含义是经过若干年辐照后其放射性主要来自于短寿命或者中等寿命放 射性核素。这样，合金材料放置3 0 0 年后其放射性水平将能够满足手工处置条件【1 7 1 。 由于低活化铁素体马氏体钢具有非常好的低活化性能，同时具有优良的物理性能、 机械性能，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料【搏1 9 1 。 另外，传统铁素体马氏体钢( 如眄1 p 9 1 ) 在裂变堆中的使用情况也为r a f m 钢的研 究与发展打下了基础【嬲l 。国际上研制出的低活化铁素体马氏体钢中，具有代表性 的有日本研制的f 8 2 h 钢、j l f 系列；欧洲正在研究的e u r o f e r 9 7 ；美国研究的 9 c r - 2 w v t a 钢等。2 0 0 1 年，中科院等离子所同国内外多家单位合作下，发展了具有 中国自主知识产权的、成分及性能优化的r a f m 钢中国低活化马氏体钢( c 圳， c h i n al o wa c t i v a t i o nm a r t e n s i t i c ) 。几种典型r a f m 钢的成分质量分数见表1 2 ，热处 理工艺和组织特点见表1 3 。 焊接( w e l d i n g ) 是2 0 世纪初兴起的工程技术。焊接技术又称为材料连接工程 ( m a t e r i a l sj o i n i n ge n g i n e e r i n g ) ，它与液态成形、塑性成形一样，均为重要的材料加 工与成形工艺，已经发展成为- - f 独立的学科。他广泛应用于机械制造、石油化工、 航空航天、能源、交通、通信、海洋、建筑等行业中。焊接是通过加热或者加压， 或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊工件的材质达到原子间结合而形成永 久性连接的工艺过程1 2 9 1 。根据焊接工艺特点，传统上将焊接方法分为三大类，即熔 化焊、固态焊和钎焊。熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以及形成焊缝的焊接方法， 简称为熔焊( f u s i o nw e l d i n g ) 。熔化焊焊接接头的形成过程与温度随时间的变化密切 相关。一般要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，直至形成 焊接接头。 焊接技术是核聚变堆工程制造中不可缺少的关键技术，同时，焊接技术和工艺 5 江苏大学硕士学位论文 表1 2 几种典型r a f m 钢成分质量分数( ) t a b l e1 2p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rf u s i o nr e a c t o r s 表1 3 几种r a f m 钢热处理- 丁艺和组织特点 t a b l e1 3 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rf u s i o nr e a c t o r s 6 江苏大学硕士学位论文 是r a f m 钢走向工程应用的关键技术之一。关于r a f m 的焊接，s c h a a f 等人在其综述 文章中将其列为重要议题。由于r a f m 钢的化学成分及冶金特点，它对焊接技术的要 求比较苛刻，焊后热处理温度和时间的变化都会造成焊缝质量的较大变化，焊接接 头各区域的性能、组织和化学成分也会存在着较大差异，焊接接头容易出现焊缝区 硬化、时效倾向、热影响区( 弛忆) 软化现象，以及冷裂纹、型裂纹等焊接缺陷， 同时焊接还会对r a f m 钢的腐蚀性能产生较大的影响【3 0 1 。另外，焊接接头受辐照后 可能还会出现辐照脆化、气泡、肿胀等现象【3 l - 3 3 1 。 国际上，由于f 8 2 h 、j l f 1 、e u r o f e r 9 7 、9 c r - 2 w v r r a 等凡心m 钢发展较早， 相应的焊接研究工作也得了较好的开展。国际上的研究主要集中在材料的工艺性、 焊接接头的组织微观结构、力学性能以及辐照前后的组织和力学性能的变化等方面， 如焊接接头的微观结构【叫、室温下的断裂韧性1 3 5 】、辐照前后焊接接头性能的对比【蚓 等，所用焊接方法包括t i g ( t u n g s t e ni n s e tg a s a r cw e l d i n g ，钨极惰性气体保护焊， 又称钨极氩弧焊) 焊、热等静压扩散焊( h i p ，h o ti s o s t a t i cp r e s s i n gw e l d ) 、电子束 焊( e b ，e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ) 、激光焊、复合焊等。国内c l a m 钢焊接的研究也 进入了起步阶段。 1 3 1f 8 2 h 钢及其焊接 f 8 2 h 钢是国际能源机构( a ) 聚变材料计划研究的试验材料，是在日本原子 能研究院( j a e 砒) 和n k k 合作下发展起来的，发展此钢的主要目的是进行各种元 素的测试，研究合金元素对r a f m 钢各方面性能的影响。其化学成分如表1 2 所示。 f 8 2 h 钢焊接方面的研究主要采用了电子束焊( e b ) 、t i g 焊和h i p 焊【3 7 4 1 1 。 日本原子能研究所的t s a w a i ，k s h i b a ，a h i s h i n u m a 等人对f 8 2 h 钢的t i g 和e b 两种焊接接头的机械性能和微观组织进行了研究，焊接接头采用了7 2 0 保温一个小 时的回火工艺进行了焊后热处理。研究结果显示，在t i g 焊接接头中出现了焊缝硬化 和热影响区软化的现象，e b 焊接接头中，焊缝硬化更加明显，但热影响区几乎不存 在软化现象。t i g 焊接接头在经过5 5 0 。c 的热老化( t h e r m a l a g i n g ) 后，焊缝金属的硬 度出现下降，但是母材金属在6 5 0 。c 热老化( t h e r m a l a g i n g ) 后才出现软化现象。m 2 3 c 6 相是母材和焊缝中主要沉淀物，老化后的焊缝中沉淀物少于标准母材中的沉淀物， 在焊缝、热影响区和母材中还发现了高钨带来的l a v e s 相。焊接接头的横截面及它们 的硬度如图1 2 所示。t h i r o s e ，k s h i b a 等人研究了f 8 2 h 的热循环过程对热等静压焊 7 江苏走学硕士学位论文 的影响，以及合会元素t a 对晶粒的影响。得出了以下结论：1 ) 常规的f 8 2 h 钢在进行 t h n 焊接后，出现晶粒粗大的现象，而增加t a 含量的f 8 2 h 钢在进行了h i p 焊接后获 得了趣好的晶粒度，这被认为是一方面晶粒的是由固定在晶粒边界上的t a c 引起的， 另一方面一般情况下，r a f m 钢的h i p 焊接完成的焊后热处理温度在t a c 固溶相线以 下。2 ) 传统上的正火处理温度1 0 6 0 并不能匀化f 8 2 h 品粒，匀化f 8 2 h 晶粒的正火 温度必须在1 1 0 0 以上。3 ) 要获得细小的晶粒组织和优良的焊接接头性能，推荐以 下工艺过程：1 1 0 0 c 温度以上进行h i p 焊接+ 1 0 0 0 温度以下j 下火处理+ 回火。 法国原子能委员会的a a l a m o ，a c a s t a i n g 等人研究了热疲劳( t h e r m a la g i n g ) 对f 8 2 h 钢t i g 乖l e b 两种焊接接头的机械性能的影响，其中g 焊接接头进行了 7 2 0 1 个小时的焊后热处理，e b 焊接接头没有进行焊后热处理。两种焊接接头分别 经过4 0 0 和5 5 0 ，1 0 0 0 0 d x 时的热疲劳试验后，进行了拉伸实验和冲击实验。结果 显示，t i g 焊接接头的机械性能在疲劳实验中同母材十分相似，但它的冲击功只有母 材的6 0 。电子束焊焊接接头测得的实验数值非常分散，特别是冲击实验数值。t i g 焊接接头的冲击试验结果如图1 3 所示 a ) _ _ 一b ) 图12 f 8 2 h 钢的t i g 和e b 焊接接头的横截面以及它们的硬度测试 f 唔1 2 c r o - s e c t i o n so f t i g ( a ) a n d e b 嘞w d d e d f 8 2 h t , i a 储a n dh a r d n c e a d i s t r i b u t i o n s o l l t i t 3 w e l d j o i n t ( c ) a n d e b w e l d j o i n t ( d ) h a r d n e s s d a t a 8 ；。f。 勰秽 (h 江苏大学硕士学位论文 t _ 啊呷山ml 。c ) f i g 1 3 热疲劳试验后1 1 g 焊接接头同母材的冲击试验结果比较 f i g 1 3 i m p a c tp r o p e r t i e so ft i gw e l d t h e r m a la g e df o r1 00 0 0 ha t4 0 0 。ca n d5 5 0 0 c c o m p a r e dt o t h ea s r e c e i v e dc o n d i t i o n e dt h e 弱r e c e i v e df 8 2 hb m 荷兰核研究和顾问组的j r e n s m a n ，e v v a i lo s c h ，m g h o r s t e n ，d s d i h u l s t 等人对f 8 2 h 钢经过中子辐照后的电子束焊、t i g 焊两种焊接接头的机械性能进行了 研究。在试样几乎不存在加工硬化的条件下，两种焊接接头的拉伸实验值显示，在 经过中子辐照后出现了辐照硬化和脆化现象。t i g 焊接接头的冲击试验值变化范围很 大，辐照引起两种焊接接头的d b t r ( 韧脆转变温度，它的变化用来表示辐照脆化特 性) 值有很大升高，特别是e b 焊接接头的值提高更加明显。焊后热处理对焊接接头 的d b t i 和u s e ( u p p e r - s h e l f e n e r g y ，上屈服平台) 有了明显改善。 1 3 2j l f 1 钢及其焊接 由于f 8 2 h 钢的高温抗蠕变性能较差，再加上辐照下d b t t 升高值较大，自1 9 9 5 年日本又在日美聚变材料合作计划的支持下研究了j l f 系列凡虹m 钢，它是在美国橡 树岭国家实验室发展的9 c r - 2 w v t a 钢配方的基础上发展而来的，其化学成分如表1 2 所示。其中j l f - 1 由于具有抗辐照蠕变、低辐照脆化及其他优良的基本特性而被认为 是可以作为聚变堆第一壁结构材料的合适的低活化马氏体钢【4 2 4 7 】。 日本国立聚变科学研究所n i n o u e ，t m u r o g a ，a n i s h i m u r a ，o m o t o j i m a 等人 对j l f 1 钢的焊接接头的硬度与微观组织的关系以及室温下的断裂韧性进行了研究。 并运用热模拟的方法研究了硬度与组织的关系。研究表明，j l f - 1 钢的t i g 焊接接头 的热处理过程中，在8 3 0 发生微观构造的变化( 晶面间距、内应力、残余应力) 。 9 江苏大学硕士学位论文 这个结果况明有一个相变发生在这个温度，说明a 温度应该在8 2 0 8 3 0 右。而 硬度的变化发牛在8 4 0 说明相变不一定引起硬度的变化。尽管在离焊缝距离不同的 部分硬度发生了很大的变化，但热影响区的内应力和残余应力没有变化。利用了马 氏体板条的宽度变化解释了焊缝、热影响区、母材各区的硬度变化，如图1 4 所示。 他们还研究了室温下的哔材和 r i g 焊接接头的断裂韧性，研究表明，母材具有很好的 断裂韧性，超过y 4 0 0k i m 2 。f 面焊接接头的断裂韧性出现了非常的波动，个试样 儿乎是弹性状态( e l a s t i cc o n d i t i o n ) 下断裂，而另一个的断裂韧性超过t 4 0 0 k i m 2 。 他们认为个别接头断裂韧性差的原因是焊缝中存在夹杂物或者焊接缺陷，如果接头 中小存在夹杂物和焊接缺陷，其断裂韧性将超过4 0 0 k j m 2 。 f i 9 1 4 马氏体板条宽度与接头硬度的关系 f 嘧14t h e l a t h w i d t ha n d h a t 出e s s 硒a f u n c t i o n o f d i s t a n c e f r o m t h e w e l d m e t a lc e n t e r 1 , 3 - 3e u r o f e r 9 7 钢及其焊接 欧洲自己发展的e u r o f e r 9 7 是在前期开发含有m o 的马氏体钢的基础上用w 代替 m o 并改变某些成分制成的，日前已经推出了工业规模制各的样品。a c a r d e l l a ，e r i g a l ，l b e d e i 等人将e u 曲f9 7 的焊接作为t b m 模块加工制造的一个关键工出进行 了多方面的研究，主要采用7 h 1 p 、t i g 和激光焊的焊接方法，肘接头的机械性能、 微观组织、硬度进行了测试1 4 8 l 。h 1 焊接接头经过7 5 0 2 个小刚的焊后回火处理后， 接头室温f 的抗拉强度达到了母材水平，室温f 的冲击功达到了母材8 0 的水平。在 有关t i g 、e b 和激光焊的研究发现e u r o f e r9 7 无裂纹敏感性，具有较好的焊接性能 在这些焊接方法下进行焊接都不需要焊前预热。t i g 焊接接头的焊缝内金相组织主要 是马氏体组织，在板条界面处分布着非常细微的碳化物。有芙e u r o f e r9 7 焊接的一些 0 江苏太学硕士学位论文 宏观结构图和会相组织陶如图i5 所不 鬻鬻藜 t i g 接头的客观图 t i g 焊鳇内的金相组织激光焊接头的宏观图 图15e u r o f c r 9 7 焊接刚片 f i 舀1 5 p h o t o s o f e u r o f e r w e l d 1 3 4c i a m 钢及其焊接 近几年来具有中国自主知t 产权的c l a m 钢的研究取得了较大进展，现在已经 发展到几百公斤，炉级的冶炼水平，性能与困外已经发展多年的r a f m 钢的件能相当。 但是由于c l a m 钢的研究起步较晚，很多数据测定和研究迁没有丌展，h 前士要进 j _ 了成分优化设计、冶炼加j 制备一艺、物理性能、机械性能、辐照性能及与液态 l i p b 的相容性等测试弓研究。 c l a m 铡的焊接方面的研究还很少，h6 u 可见撤道的仅有中科院等离子所李春 京，黄群英，吴宜灿等人做r 热等静压扩散焊方面的初步研究【啊。实验中c l a m 钢 江苏大学硕士学位论文 与c l a m 钢的扩散焊接实验温度分别为1 0 5 0 、1 1 0 0 、1 1 5 0 c ，爪力为1 4 0 m p a ，时间 为3 4 h ；冷却方式为自然随炉冷却，实验未采片 中间央层。在热等静脏扩散焊接实 验结束后，对样品进行丁统。的后期热处理工艺以恢复c l a m 铡的马氏体组织，热 处理i 艺如f ：9 8 0 。c 3 0r a i n ，水冷到室温：7 6 00 c 9 0 m i n ，空冷到室温。研究发现， 卉：1 0 5 0 卜3 h 扩散焊接样品有比较明显的孔隙，而拒1 1 0 0 c 以及1 1 5 0 下的样品则 上明显扎隙等缺陷，见陶1 6 。c l a m 钢自身焊接的拉仲性能已经达到母材的水、f ， 但冲击断为原接合面，且姐度较低，x 射线能普饵d s l 分析发现冲击断血上有强钮 化物形成元素a l 、s i 、v 等富集，初步认是由于强氧化物形成元素在焊接表嘶存在一 定程度的富集，使焊接而易形成一层氧化膜，而且在扩敞焊过程中很难通过高温扩 散消除，使焊缝存在一个裂纹容易打展的区域，影响到接头的冲击忖! 能。 1 0 5 0 c 3 h 扩散焊接头s e m 照片x 1 1 0 0 1 1 0 0 。c 4 h 扩散焊接头s e m 照片x l l 0 0 1 1 5 0 c 4 h 扩散焊接头光学显微照片5 0 0 图1 6c l a m 钢口焊接微观结构圈 f i g1 6m i c r c s t m c t u r eo f c l a mh 1 pw e l d 为r 适应叶| 国聚变堆包层制造的发能要求，赶上国际聚变堆研究形势发展的步 伐，适应即将建造的r r e r 实验包层模块和未米动力示范堆发展的需要，非常 江苏大学硕士学位论丈 有必要尽快展开c l a m 钢熔化焊技术方面的研究。熔焊被认为是包层构件获得良好 质量的关键技术【删。熔化焊是工程中应用最为普遍的焊接方法，它操作灵活，效率 高，成本低，对试件的形状和尺寸适应性强，能满足大规模焊接结构件生产的需要， 将来核聚变堆装置中必将大量采用此种焊接方法，为此，本文将选用t i g 焊展开对 c l a m 钢熔焊方面的研究。 1 4 本文主要研究内容 针对c l a m 钢焊接的研究现状，本文以熔化焊焊接为基础，选用了t i g 焊接方法， 研究了c l a m 钢的t i g 焊接工艺，同时借助现代分析测试技术手段，对c l a m 熔化焊 焊接接头的微观组织、性能以及它们之间的规律进行了研究分析。本论文的研究必 将为有关c l a m 的工程应用及后续研究提供必要的理论依据及重要参数，同时也将 对热核聚变堆器件的制造起到重要推进作用。 本文具体工作如下： 1 ) 根据材料特性，使用t i g 焊接方法，选择合理的焊接工艺和焊后热处理工艺， 获得优良的焊接接头，并对焊接接头的各种性能进行测试。 2 ) 利用经历不同的焊接热循环过程对焊接接头的金相组织做出合理的解释，并 根据金相组织的变化解释接头硬度的变化。 3 ) 分析碳化物析出过程，研究碳化物在母材和焊缝中的偏聚及其分布与力学性 能间的关系。 江苏大学硕士学位论文 第二章c 圳钢的焊接试验 本文根据c l a m 和i t e r 的发展计划，参照相关国家或国际标准，同时也引用了一 些国际上对其他r a f m 及普通马氏体钢熔化焊研究的方法，制定了本实验方案。 2 1 试验方案 本文试验研究过程包括：使用t i g 焊焊接方法，对采用了焊前预热和未采用焊前 预热的c l a m 钢分别进行焊接，焊接完成后及时对焊接接头进行焊后热处理。对热处 理后的焊接接头进行外观检测和无损检测。然后通过现代分析测试手段对不同规范下 的焊缝组织及性能进行观察和测试，在此基础上研究探讨c l a m 钢的焊接工艺特点以 及