（材料加工工程专业论文）inconel690焊条熔敷金属高温低塑性裂纹敏感性研究.pdf

机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 i n c o n e l 6 9 0 焊条熔敷金属高温低塑性裂纹敏感性研究 摘要 本文采用s t f ( s t r a i n t o f r a c t u r e ) 试验和高温拉伸试验对自行设计的四种 i n c o n e l 6 9 0 合金焊条熔敷金属进行了高温低塑性裂纹敏感性评价。这是国内外首次对 镍基合金焊条熔敷金属高温低塑性裂纹敏感性进行评价。 本文主要研究i n c o n e l 6 9 0 合金焊条熔敷金属中主要组分n b 和m n 对高温低塑性 裂纹的影响。试验结果表明，n b 在熔敷金属中主要以碳化物的形式存在于晶界上， 起到了阻碍晶界滑移的作用，降低了材料高温低塑性裂纹敏感性，但是当含量超过一 定值以后，出现了熔化现象，其含量最佳试验值为1 7 3 ；同时m n 在熔敫金属中以 氧化物的形式部分存在于晶界，同样起到了阻碍晶界滑移的作用，降低了熔敷金属高 温低塑性裂纹敏感性。 i n c o n e l 6 9 0 焊条熔敷金属高温低塑性裂纹是一种高温固态现象，其产生机理是 高温阶段晶界相对弱化，在外力作用下，发生晶界滑移，导致晶界处产生了较大的应 变集中，当局部应变量大于材料的变形能力时，产生了裂纹。 基于上述研究结果，本文研制的i n c o n e l 6 9 0 焊条具有很好的抗高温低塑性裂纹能 力，综合性能好，满足设计要求。 关键词：s t f 试验 高温拉伸试验高温低塑性裂纹i c o n e l 6 9 0 焊条 i i i 墼篓塑兰堑塞墼堕签鎏攫墼篓塞錾至主堂堡垒奎 s t u d ya 瞧d u c t i l i t yd i pc r a c k 趣s 能s i t i v i t yf o ri n c 潍e 1 6 9 0 a b s t r a c t t h ed u c t i li t y d i pc r a c k i n gs e n s i t i v i t i e so ff o u rk i n d ss e l f m a d e i n c o n e l 6 9 0e l e c t r o d ef i l l e rm e t a l sw e r ev a l u e du s i n g s t f ( s t r a i n t o - f r a c t u r e ) a n dh o td u c t i l i t ye x p e r i m e n t s ，w h i c hw a st h ef i r s tt i m et ov a l u et h e d u c t i l i t y d i pc r a c k i n gs e n s i t i v i t yf o rn i b a s e da l i o y se l e c t r o d ef i l l e rm e t a lo n d o m e s t i ca n da b r o a d i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c e so ft h en ba n dm no nt h ed u c t i l i t yd i pc r a c k i n g s e n s i t i v i t yf o ri n c o n e l 6 9 0e l e c t r o d ef i l l e rm e t a lw e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tn be x i s t e di ng r a i nb o u n d a r yb yt h ef o r mo fc a r b i d e ，a n dt h e n i n h i b i t e dt h es l i d i n go fg r a i nb o u n d a r y ，d e c r e a s e dt h ed u c t i l i t yd i p c r a c k i n g s e n s i t i v i t y ，b u tm e l t i n gp h e n o m e n ao c c u r r e dw h e ni te x c e e d e dac e r t a i na m o u n t ， s o1 7 3 w t 。】9 6w a so p t i m u me x p e r i m e n t a lv a l u e ；m ne x i s t e di ng r a i nb o u n d a r yb y t h ef o r mo fo x i d e ，a n dt h e ni n h i b i t e dt h es l i d i n go fg r a i nb o u n d a r y ，d e c r e a s e d t h ed u c t i l i t yd i pc r a c k i n gs e n s i t i v i t y t h ed u c t i l i t yd i pc r a c k i n go fi n c o n e l 6 9 0f i l l e rm e t a li sak i n do fh i g h t e m p e r a t u r es o l i dp h e n o m e n o n ，t h em e c h a n i s mi s ：g r a i nb o u n d a r yi sr e l a t i v e l y w e a k e na th i g ht e m p e r a t u r e ，g r a i nb o u n d a r yo c c u r st os l i pu n d e rt h eo u t s i d e f o r c e ，w h i c hc a u s et h es t r a i nc o n c e n t r a t i o na th eg r a i nb o u n d a r y ，t h e nc r a c k a p p e a r sw h e nl o c a ls t r a i ne x c e e d st h ed i s t o r t i o na b i l i t yo ft h em a t e r i a l a c c o r d i n gt ot h ea b o v em e n t i o n e dr e s u l t s ，t h ed e v e l o p e di n c o n e l 6 9 0 垫篓型堂堑塞堕堕签鎏壁堡堑塞堕堡主堂垡笙塞 e l e c t r o d eh a dl e a s td u c t i l i t yd i pc r a c k i n g s e n s i t i v i t ya n ds y n t h e t i c a l c a p a b i l i t y ，m e tt h ed e s i g nr e q u e s t s 强w o r d ：s t fe x p e r i m e n th o td u c t i l i t ye x p e r i m e n t d u c t i l i t yd i pc r a c k i n g i c o n e l 6 9 0e l e c t r o d e 祝械聪攀研究院哈容滨簿接研究辨赣十学像论文 图2 1 图2 2 鋈2 + 3 图2 4 图2 5 圈2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 1 强3 2 图3 。3 图3 - 4 图3 s 图3 - 6 图3 7 图3 ，8 图4 1 圈4 - 2 图4 3 图4 ，4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 鹜4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 圈4 1 3 图4 1 4 强4 1 5 图4 1 6 图4 ，1 7 鍪4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 插图清单 商濑裂纹敏感性筒圈 f m 8 2 焊丝高温低魍性裂纹敏感性曲线， f m 5 2 滓丝嵩温低爨经裂纹敏感牲麴线+ 铸造和激光熔敷i n c o n e l 6 9 0 合金高温塑性曲线 小型单点可调拘束实验示铡。 时效对闻对单点可调拘束实验中高瀣低塑经鬏纹裂纹响， 横向可调拘束试验示意图 i n e o n e l 6 0 0 会金和i n c o n e l 6 9 0 会金浆性降低麴线，+ p v r 实验原理图 常温拉伸试验图 轰滋低塑拣裂绞试羧试棒蘩， 实验温度为1 0 0 0 s t f 实验过稷 高滠低塑性裂纹实验中力冀时闯的关系曲线+ 离溢低錾僚袈纹试样中溢魔与时闷的关系虢线。 高温低塑憔裂纹实验中应变与时间的关系曲线， 嵩潺控 枣安验试搀圈。 高温拉伸热循环曲线 1 撑成分高温低塑性裂纹敏艨性曲线 2 毒液分离溅低塑谯凝绞敏感毪鏊线， 3 # 成分高濑低塑性裂纹敏艨性曲线 4 # 成分离溅低塑性裂纹敏感性曲线。 l 撵成分离滋拉律荫线+ 2 拌成分高潞拉伸曲线 3 襻蔽分裹滋拉糖热线 4 襻成分高濑拉伸曲线 1 j 6 成分晶辨交汇处楔形裂纹， 2 毒成分鑫癸不连续瓣孑l 漏 3 # 成分晶界和晶内析出物 4 # 成分晶爨和晶内辑出物， 3 毒成分高潺低塑穗裂纹形态， 4 # 成分高濑低塑性裂纹形态 3 嚣成分m n 兹辑爨糖形态。 4 襻成分n b 的析出物形态 2 撑成分晶界形态， 3 释成分鑫器形态， 低温区1 # 成分高濑低塑性裂纹断口低倍形貌 低漫区l 券成分离淤低塑性裂纹断翻中倍形貔 低溢区l 孝成分商添低塑毪裂纹断酯高倍形貌 中温区2 群成分高溆低塑性袋纹断口低倍形貌 坼捞诤挎麓孔笼船m强勰捞狰如始”妈强弱强”剪弘弦努们鸵们瓤甜甜艇蛇观轮躬 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 2 8 中温区3 撑成分高温低塑性裂纹断口低倍形貌 中温区4 撑成分高温低塑性裂纹断口高倍形貌 中温区2 撑成分高温低塑性裂纹断口高倍形貌 高温区3 撑成分高温低塑性裂纹断口低倍形貌 高温区3 拌成分高温低塑性裂纹断口商倍形貌 高温区4 群成分高温低塑性裂纹断口高倍形貌 高温区3 群成分高温低塑性裂纹断e l 高倍形貌 高温区3 撑成分高温低塑性裂纹断口高倍形貌 低温区3 撑成分高温拉伸断口低倍形貌 低温区3 群成分高温拉伸断口高倍形貌 中温区2 撑成分高温拉伸断口低倍形貌 中温区2 群成分高温拉伸断口高倍形貌 高温区l 群成分高温拉伸断口低倍形貌 高温区l 捍成分高温拉伸断口高倍形貌 高温区4 捍成分高温拉伸断口低倍形貌 7 0 0 时n b 含量与应变关系曲线 8 0 0 时含量与应变关系曲线 9 0 0 时n b 含量与应变关系曲线 1 0 0 0 时n b 含量与应变关系曲线 1 1 0 0 时n b 含量与应变关系曲线 1 2 0 0 时n b 含量与应变关系曲线 n b 对最小应变的影响曲线 2 岸成分析出物形态 3 撑成分析出物形态 4 拌成分析出物形态 2 群成分晶界形态及尺寸 3 群成分晶界形态及尺寸 甜成分晶界形态及尺寸 3 撑成分n b 的晶内析出物及能谱图 3 拌成分n b 的晶界析出物及能谱图 2 拌成分断口表面n b 的析出物形态及能谱图 4 群成分结晶裂纹表面n b 的析出物形态及能谱图 1 牟成分析出物形态 2 撑成分析出物形态 2 群成分晶内m n 的氧化物形态及能谱 3 撑成分晶界m n 的氧化物形态及能谱 2 拌成分断口表面m n 的析出物形态及能谱图 n b 对裂纹敏感性影响 4 # 成分高温拉伸断口表面形态及能谱图 晶内与晶界的等强温度 裂纹晶界应变集中示意图 1 撑成分1 0 0 0 试样宏观照片 3 成分中a l f r i 氧化物形态及能谱 x m m舶似傅傅罱i街撕硝椰舶舶御罨|菩|棚舶昌|m m脚渤渤例川成m用脚脚瑚瑚渤渤埘厕朋舶朋m棚 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | = 一 一 一 一 ， 一 一 一 ! | 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 j | 一 一 一 一 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图5 2 9 图5 3 0 图5 3 l 图5 3 2 图5 3 3 图5 3 4 图5 3 5 图5 3 6 图5 - 3 7 3 撑成分中a l 氧化物形态及能谱7 0 3 撑成分晶界n b 的析出物形态及能谱一7 0 4 撑成分晶界n b 的析出物形态及能谱7 1 2 岸成分m n 的氧化物形态及能谱7 l 3 撑成分宽晶界析出物形态及能谱7 2 沿晶析出物对晶界滑移型、应变集中和孔洞形成的作用7 5 2 样成分晶界形态7 8 3 群成分晶界形态7 8 4 拌成分晶界形态7 8 x 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表2 1 表2 2 表2 3 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 - l o 表5 1 表5 2 表5 - 3 表5 - 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 - 9 表5 1 0 表5 1 l 表5 1 2 表5 1 3 表格清单 常见n i c r 耐蚀合金的分类及其化学成分 不同国家i n c o n e l6 9 0 化学成分技术要求 i n c o n e l6 9 0 焊接材料化学成分技术条件 i n c o n e l 6 9 0 焊条化学成分技术要求 自制焊条熔敷金属主要化学成分 常规力学性能试验结果 堆焊焊接工艺参数表 点焊工艺参数表 s t f 实验条件 高温拉伸试验参数表 l 群成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 2 样成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 3 样成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 删成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 四种材料最小应变值表 1 撵成分高温拉伸试验结果 2 撑成分高温拉伸试验结果 3 成分高温拉伸试验结果 4 撑成分高温拉伸试验结果 四种材料高温拉伸实验结果 n b 对e 。i 。的影响结果 图5 1 1 、5 1 2 和5 1 3 中晶界尺寸 图5 1 4 和5 1 5 能谱结果 图5 1 6 能谱结果 图5 1 7 能谱结果 1 捍和2 撑成分熔敷金属最小应变值表 图5 2 0 和图5 2 1 能谱结果 图5 2 2 能谱结果 n b 对裂纹敏感性影响 图5 2 4 能谱结果 1 拌成分和2 撑成分塑性评价结果 能谱中主要化学成分表 研制焊条熔敷金属力学性能表 x 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所颈十学位论文 e 。i 。一临界应变 v 。， 一拉伸速度 r m 一抗拉强度 l一屈服强度 a 一延伸率 z 。i 。一最小断面收缩率 a k u 一冲击功 符号清单 v 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼科堂班宣瞳或其他教育机构的学 位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作 了明确的说明并表示感谢。 学位论文作者签名：藁1 南 签字日期：矽1 孵歹月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越抖堂班宜院有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扭越越堂班究院可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。 学位论文作者签名：襄俸 签字同期：卿，月日 导师签名：唰订疵釜 签字日期：加擗7 月f 日 1 1 机械科学研究院晤尔滨簿矮研究辑壤士学钕论文 第一章概述 本文是国家重点顼曩i n c o n e l 6 9 0 焊接材料和焊接工艺研究姻 一部分，是为i n c o n e l 6 9 0 焊接材料和焊接工艺研究服务的。 “核融代”开始予2 0 整纪孛期，建造核设施的镍基材料是k i c - f e 系的i n c o n e l 6 0 0 合金。这种锻造结构材料主要用i n c o n e l l 8 2 焊条 或i n c o n e l 8 2 辫丝进行焊接。在遵去靛a 十年里，一囊使用这些材辩 制造、裟配核设施并维持其日常运转，直到2 0 世纪7 0 年代发现这 些奉于料存在应力腐蚀汗袭现象。研究证实，镰莲合金中c r 元素的含 量与其抵抗晶间腐蚀汗裂能为有直接的关系。通过进一步的研究， 开发出了一种禽3 0 w t c r 的镍基合金- - i n c o n e l 6 9 0 合金以抵抗在核 辐射和纯水环境中的疲力腐蚀舞裂闽题。 作为一种新型耐应力腐蚀合金，发达国家对i n c o n e l6 9 0 合金的 母糙和配套焊接材料徽了大量、系统静磺究王搀，避十年来嚣始用 于核动力主设辑制造中。国内对i n c o n e l6 9 0 配套焊接材料及焊接工 艺没有进行过系统骚究，所有焊接零季料均需进瓣。篓子i n c o n e t6 9 0 产品的重要性，有必要对焊接材料和焊接工艺等问蹶进行深入的研 究，获褥工程斑庵数据。所以，研制密遥台工程使羽的焊接材料釉 焊接工艺，是i n c o n e l6 9 0 材料在潮内应用必须解决的重要课题。为 防止发达国家通过技术垄断影响我国高技术_ i 程的斑用遘程，跟踪 国际先进水平，提衰因家核动力设备的可靠性和寿命，我们开展了 拉 孛速凌( r a m s ) 冷帮速度 1 0 05 2 0自然冷却 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 t ( s ) 图3 - 8 高温拉伸热循环曲线 3 4 金相分析 对于s t f 试验试样，试验完成以后在试样的中间部分平行于轴 向方向取出金相试样，然后用s i c 砂纸打磨，并用电抛光进行抛光。 接着进行腐蚀，镍基熔敷金属采用1 0 铬酸腐蚀，再接着进行金相 分析。金相分析包括常规金相分析和扫描金相分析。 3 5 断口分析 对于s t f 试验试样，按要求进行试样制各，然后进行断口分析； 而对于高温拉伸试样则可以直接进行断口分析。断口分析以前进行 超声波清洗，尽量减少断口表面的污染物。断口分析采用荷兰飞利 浦公司生产的f e is i r i o n 扫描电子显微镜。 第四章试验结果 通过s t f 试验和赢滠拉律试验褥到了评价镍基合金i n c o n e l 6 9 0 焊条熔敷金属离温低塑健裂纹敏感健的数据，并置褥到了大量离溢 低耀性裂纹的形貌和特征，为焊接材料的优化设计打下了坚实的基 础。 4 1s t f 试验结果 本文采用焊条熔敷金属对高温低塑性裂纹敏感性遴行臻究帮探 讨。采用s t f 试验，得弼了l 群一4 襻化学成分的熔敷金耩静高温低塑 性裂纹敏感性曲线，分别见图4 - 1 、4 - 2 、4 - 3 和4 - 4 ，具体值见表4 1 、 4 2 、4 3 和4 - 4 。 木 、， 制 _ | 封 蒜魔( ) 圈4 - il 撑成分离温低黧性裂纹敏感性瞌线 袭4 1 | 毒成分蹇湛惫塑魏袭绞敏薅缎试验结采 不开裂临界应变开裂临界应变 成分编号成分溆废( ) ( )( ) 7 0 0l o 81 4 8 0 0 9 。2l l l 2 9 0 06 4 l o l 撑 低铌低锰 1 0 0 02 45 2 1 1 0 044 8 1 2 0 044 。8 机械辩学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 7 0 08 0 0 咖1 0 0 01 1 1 2 油韭) 图4 - 22 撑成分高温低塑性裂纹敏感性曲线 表4 - 22 撑成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 不开裂临界应变开裂临界应变 成分编号成分温度( ) ( )( ) 7 0 02 02 2 8 0 01 4 81 6 9 0 0 1 01 2 2 撑 低铌高锰 1 0 0 081 0 1 1 0 0 6 88 1 2 0 04 8 6 葛 2 0 孽 默1 5 世 1 0 5 图4 33 掸成分高温低担性裂纹敏感性曲线 表4 - 33 群成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 不开裂临界应变 开裂临界应变 成分编号 成分温度( ) ( ) ( ) 7 0 02 2 2 4 8 0 0 2 1 22 2 9 0 0 1 41 6 3 捍 中铌高锰 1 0 0 01 01 2 1 1 0 08 1 0 1 2 0 068 图4 4 删成分高温低塑性裂纹敏感性曲线 表4 - 44 群成分高温低塑性裂纹敏感性试验结果 不开裂临界应变开裂临界应变 成分编号 成分温度( ) ( )( ) 7 0 02 83 0 8 0 02 62 8 9 0 01 6 8 1 8 8 4 样 高铌高锰 1 0 0 01 01 2 l l o o81 0 1 2 0 02 84 8 3 5 萄 笛 侣 o o 毒v 猷趔 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 基于上述曲线，采用开裂l 晦界应变值作为临界应变值( e 。i 。) 评 价高温低塑性裂纹敏感性( 注：4 撑成分在1 2 0 0 c 发生了局部熔化， 采用1 1 0 0 。c 时数据) 。四种材料的临界应变值见表4 5 。 表4 - 5 四种材料临界应变值 成分编号成分e m i n 1 捍 低铌低锰 4 8 2 撑 低铌高锰 6 3 捍 中铌高锰 8 4 撑 高铌高锰 1 0 4 2 高温拉伸试验结果 对l 撑4 撑熔敷金属做高温拉伸试验，得到了温度和断面收缩率关 系曲线，见图4 5 、4 - 6 、4 - 7 和4 8 ，具体数值见表4 - 6 、4 - 7 、4 - 8 和 4 - 9 。我们采用最低断面收缩率衡量材料的抗裂纹能力，总结见表 4 1 0 。 7 0 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 1 2 0 0 t ( ) 图4 - 5l 撑成分高温拉伸曲线 柏 伯 毒v n 塑! 塑型堂堑塞堕堕玺堡堡垫堕塞堕堡主堂垡丝塞 表4 - 6l j 5 i 成分高温拉仲试验结果 断面收缩率 成分编号 成分温度( ) ( ) 7 0 0 5 9 6 8 0 04 8 1 9 0 0 4 3 4 1 拌 低铌低锰 1 0 0 03 1 4 1 l o o1 8 3 1 2 0 01 2 4 7 0 勒 孳柏 n 7 0 0 e 湘 咖1 1 0 01 2 0 0 t ( ) 图4 - 62 捍成分高温拉伸曲线 表4 72 捍成分高温拉伸试验结果 断面收缩率 成分编号成分温度( ) ( ) 7 0 0 6 5 o 8 0 05 8 0 9 0 04 2 8 2 撑 低铌高锰 1 0 0 04 0 4 1 1 0 02 8 1 1 2 0 02 0 4 3 7 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 7 i 。 衢 6 0 葛 的 毒 n 辐 柏 衡 3 0 为 7 0 0 o 9 0 0 1 0 0 0t 1 0 01 2 0 0 温度( 图4 73 。成分高温拉伸曲线 表4 - 83 群成分高温拉伸试验结果 断面收缩率 成分编号成分温度( ) ( ) 7 0 06 7 7 8 0 05 9 4 9 0 05 3 8 3 拌 中铌高锰 1 0 0 04 5 2 1 1 0 0 3 6 6 1 2 0 0 3 0 1 6 0 孽3 0 n 2 0 1 0 t ( ) 图4 - 84 撑成分高温拉伸曲线 3 8 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表4 - 94 桴成分高温拉伸试验结果 断面收缩率 成分编号成分温度( ) ( ) 7 0 05 7 o 8 0 05 0 4 9 0 04 6 7 4 撑 高铌高锰 1 0 0 04 1 6 1 1 0 03 7 9 1 2 0 0 4 7 采用最小断面收缩率对裂纹敏感性进行评价，得到结果如表 4 1 0 所示( 注：4 # 成分在1 2 0 0 c 发生了局部熔化，采用1 1 0 0 时数 据) ： 表4 1 0四种材料高温拉伸试验结果 成分编号成分z 。i 。( ) l 撑低铌低锰 1 2 3 2 撑低铌高锰2 0 4 3 样中铌高锰 3 0 1 4 群高铌高锰 3 7 9 从图4 5 到图4 8 可以看到，随着温度增加，断面收缩率降低。 一般认为，高温阶段的再结晶是塑性恢复的标志，而在试验中并没 有观察到再结晶现象，这是塑性持续降低的原因之一；另外，设计 的四组成分c r 含量较高，强化了晶内，使得晶界相对弱化，降低了 材料高温下抗变形能力，导致了塑性的下降。 4 3 微观组织和断口形貌 试验完成以后，对s t f 试验试样做了大量金相分析，同时对s t f 试验试样和高温拉伸试验试样进行了断口分析，分析结果如下： 4 3 1 金相分析结果 4 3 1 1 光镜金相分析 光镜金相发现熔敷金属中存在裂纹和不连续的孔洞，如图4 - 9 和4 1 0 所示，并且发现了大量的晶界和晶内析出物，如图4 - 1 l 和 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图4 - 1 2 所示。 箭头所示为晶界交汇处楔形裂纹 图4 - 91 群成分( 低铌低锰) 1 7 5 晶内和晶界析出物形态 图4 1 13 群成分( 中铌高锰) 7 0 0 x 晶界不连续的孔洞 图4 1 02 拌成分( 低铌高锰) 7 0 0 晶内和晶界析出物形态 图4 1 24 撑成分( 高铌高锰) 7 0 0 ) 原子组成( ) c0 9 9 72 4 0 4 o2 3 5 94 2 7 l s i0 0 3 6 0 0 ，3 7 n b0 7 6 60 2 3 9 c r2 0 ，8 6 1 1 6 2 m 珏0 5 1 00 2 6 9 f e0 6 4 3 0 3 3 4 n i2 6 0 21 2 8 4 在n b 含量保持不变的情况下，增加m n 含量，材料抗高温裂纹 能力增加，如表5 1 l 所示。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕十学拇论文 表5 - 1 l1 # 成分和2 # 成分塑性评价结果 i成分编号成分 z r a i n ( 呦 1 #低铌低锰l2 _ 3 2 岸低铌高锰2 0 4 由表5 一l l 可以看到，当n b 含量保持不变，m n 含量由2 7 8 增 加到4 1 以后，最低断面收缩率由1 2 3 增加到2 0 4 。说明m n 含 量的增加，对材料抗高温裂纹敏感性是有好处的。这个结果与s t f 试验结果是一致的。 通过第四章中高温拉伸断口可以看到，在低温、中温和高温三 仑温度段内，断口形貌与s t f 试验结果一致，说明高温拉伸试验同 样能够对高温低塑性裂纹裂纹进行有效的表征：另外，可以发现高 温拉伸试验和s t f 试验得到的结论上是一致的，由此看出叮以采用 高温拉伸试验定性评价高温低塑性裂纹敏感性。 5 4 高温低塑性裂纹的产生机理 i n c o n e l 6 9 0 焊条熔敷金属高温低塑性裂纹是一种高温固态现 象，并伴有滑移的特征。其产生机理是：由于高温阶段的晶界弱化， 施加应力以后发生了晶界滑移，导致了晶界处产生了较大的应变集 中，同时裂纹产生的晶界与施加应力方向具有相关性，裂纹沿着那 些容易产生的晶界起裂并扩展。下面对机理进行阐述： 5 41 晶界滑移 一般认为，当温度升高时，金属的断裂方式从穿晶断裂转变为 沿晶断裂。穿晶和沿晶断裂的过渡可用“等强温度”的概念加以说 明，如图5 2 5 所示。图中的实线和虚线表示晶界强度和晶内强度虽 温度的变化。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕十学位论文 强 度 图5 - 2 5 晶内与晶界的等强温度 由于晶界的粘质性质，晶界强度变化的斜率大于晶内强度变化 的斜率，两线交点处的温度t 。即为等强温度，这时晶界的强度等于 晶内的强度。在此温度以下，晶界强度高于晶内强度，因而易发生 穿晶断裂；而在此温度以上，晶界强度低于晶内强度，因而易发生 沿晶断裂。 由图4 1 到4 4 可以发现，随着温度的增加，四种焊条熔敷金属 高温低塑性裂纹敏感性增加，主要原因是在低温阶段，晶界强度高 于晶内强度，晶界滑移相对困难，晶界不易变形，可以承受较大的 应力。温度增加以后，晶界强度低于晶内强度，施加应力以后，晶 界滑移变得相对容易，较小的应力就使得晶界滑移产生，高温低塑 性裂纹敏感性增大。 另外，从图5 1 1 到5 1 3 可以看到，施加应力以后，随着n b 含 量增加，施力以后的晶界宽度逐渐变小。主要原因是n b 含量较低时， 晶晃析出物钉扎晶界的作用较弱，晶界滑移相对容易，晶界宽度较 大；随着n b 含量增加，晶界析出物的数量相应增加，对晶界的钉扎 作用较为强烈，阻碍了晶界的滑移，晶界宽度较小。 从扫描电镜上也可以观察到晶界滑移的存在，例如图4 1 7 、图 4 2 5 和图4 2 6 ，它们都是晶界滑移产生的证据。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 5 4 2 晶界处应变集中 在高温阶段，晶界发生了弱化现象，施加应力以后，产生了晶 界滑移。同时在整个材料中，晶内面积远大于晶界面积，这样就导 致了小面积的晶界承受较大了的应力，在晶界处产生了应变集中。 这种现象与r a m i r e z 等人观察的结果是一致的。图5 2 6 是r a m i r e z 等人采用背散射技术得到的微观应变集中分布图。图b 中白色部位 表示应变集中的部位。从图中可以看到，应变集中在晶界，尤其是 裂纹尖端和晶界曲折的地方。 图a 裂纹宏观示意图 图b 应变集中示意图 图5 2 6裂纹晶界应变集中示意图 5 4 3 晶界相对于施力方向 在试验中发现，沿晶孔洞和裂纹一般出现在与施加力成一定角度的 晶界上。这种晶界方向是通过在多层焊的熔敷金属上施加的焊点表现出 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 来的。在s t f 试验中的中心焊点产生了一个呈圆周分布的晶界方向，这 就保证了在施加力方向存在0 。到9 0 。的晶界方向。图5 2 7 是s t f 试验 宏观照片，在这张照片上约有2 0 条裂纹，从图中可以看到，大部分裂纹 是沿着与施加力成9 0 。的方向出现的，也有部分裂纹出现在4 5 。 9 0 。 之间。由于剪切容易在与施力方向呈4 5 。的晶界进行，可以认为晶界滑 移同样是沿着该晶界方向进行的。 应变1 0 2 图5 2 71 撑成分1 0 0 0 试样宏观照片 5 5 高温低塑性裂纹的影响因素 影响高温低塑性裂纹的因素较多，下面主要介绍析出物、杂质 元素和工艺参数的影响。 5 5 1析出物的影响 在四种熔敷金属中，采用s e m 技术，发现存在五种析出物。第 一种是a l 和t i 的氧化物，呈黑色，偶尔见于熔敷金属中，它们是 在焊接过程中渣没有浮出熔池残留在熔敷金属中的，图片和能谱见 图5 2 8 ；第二种是白色的a l 的氧化物，它们尺寸较大，呈现圆球状， 在熔敷金属中分布较为广泛，并且出现在晶内，图片和能谱见图 5 2 9 ；第三种是n b 的碳化物，它们呈现长条状或条状，大量分布于 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 晶界，少量分布于晶内，特别是在高n b 含量的4 群成分熔敷金属中， 它们大量分布于晶界以至于使得晶界细化并不易观察，另外可以看 到它们嵌入晶界和基体中，对晶界的钉扎作用较强，强烈影响晶界 析出和晶界滑移，图片和能谱见图5 3 0 和图5 - 3 1 ；第四种是m n 的 氧化物，它们呈现块状分布于晶内，也有部分分布于晶界，起到了 对晶界钉扎的作用，图片和能谱见图5 3 2 ；第五种析出物广泛分布 于较宽的析出晶界，并且分布较为连续，图片和能谱见图5 3 3 ，由 于它们尺寸太小，用s e m 很难得到它们的成分，r a m i r e z 等人在研 究f m 8 2 和f m 5 2 熔敷金属高温低塑性裂纹敏感性时，采用透射电 镜技术，发现那些很小的沿晶颗粒是c r 2 3 c 6 ，并且认为由于它们尺 寸太小，对晶界的钉扎作用很弱，而且还容易成为孔洞形成的核心 口引。以上能谱主要成分见表5 1 2 。 图5 2 83 样成分中m 门n 氧化物形态及能谱 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图5 2 93 撑成分中m 氧化物形态及能谱 图5 3 03 群成分晶界n b 的析出物形态及能谱 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图5 3 14 拌成分晶界n b 的析出物形态及能谱 图5 3 22 群成分m n 的氧化物形态及能谱 7 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图5 3 33 撑成分宽晶界析出物形态及能谱 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表5 1 2 上述能谱中主要化学成分 所属图金属组成质量组成( )原子组成( ) o 3 6 6 75 5 2 7 a l 3 5 4 93 1 7 2 t i 1 2 3 0 0 6 1 9 图5 2 8 c r 0 7 6 20 3 5 4 f e 0 1 6 70 0 7 2 n i 0 6 2 4 0 2 5 6 o1 3 6 53 3 7 2 a l0 7 4 l1 0 8 5 n b0 3 1 l0 1 3 2 图5 2 9 t i0 5 7 80 4 7 7 c r2 0 9 21 5 9 0 m n 0 2 7 20 1 9 6 f e0 7 1 70 5 0 7 n i3 9 2 5 2 6 4 2 c 0 6 1 31 9 1 0 o1 1 7 32 7 4 3 a l 0 1 7 00 2 3 5 s i0 0 _ 3 30 0 4 4 n b1 4 0 40 5 6 5 图5 3 0 s0 0 6 0 0 0 7 0 t i 0 1 4 80 1 1 6 c r2 28 4 1 6 4 4 m n 0 7 1 70 4 8 9 f e 0 5 9 6 0 3 9 9 n i2 8 0 2 1 7 8 5 7 3 垫堡型堂堑茎堕堕堡堡生堡墅塑堕堡主堂壁笙塞 续表5 1 2 上述能谱中主要化学成分 c 0 6 0 81 7 6 6 o1 2 2 7 2 6 7 4 a l 0 3 3 00 4 2 6 s i0 4 8 0 0 5 9 5 n b0 3 0 8 0 1 1 5 图5 3 l t i 0 1 1 l0 0 8 l c r2 1 2 01 4 2 2 m n 0 6 0 20 3 8 2 f e0 6 1 50 3 8 4 n i3 5 6 72 1 1 8 c0 3 2 50 7 8 9 0 2 9 8 65 4 4 7 a l 0 2 0 70 2 2 4 图5 3 2 t i0 1 9 30 1 1 8 c r 3 6 5 12 0 4 9 m n1 8 0 7 0 9 6 0 n i0 8 3 10 4 1 3 o 0 5 4 31 6 7 2 s i0 0 7 60 1 3 3 n b 0 1 2 00 0 6 4 图5 3 3 c r2 7 7 52 6 2 9 m n 0 2 1 3 o l ，9 1 f el o ，8 90 9 ，6 l n i5 1 8 44 3 5 0 由以上的分析可以看到，在i n c o n e l 6 9 0 焊条熔敷金属中，a i t i 氧化物较少，并且一般分布于晶内，对晶界滑移的影响不大；另外 n b 的碳化物，由于它们数量较多，同时又大部分位于晶界上，认为 它们对晶界滑移影响较大；m n 的氧化物数量较多，有些分布于晶界， 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕十学位论文 它们对晶界滑移起到了定的作用。总体来说，沿晶析出物的存在， 起到了钉扎晶界，降低和阻止了晶界滑移的作用，从而降低了材料 的高温低塑性裂纹敏感性。 沿晶析出物钉扎晶界，使晶界滑移变的困难。它们的作用取决于颗 粒的尺寸和颗粒的分布。一般来说，孔洞的形成与沿晶碳化物的形核有 关。连续的沿晶碳化物是裂纹容易生长的渠道。然而，孤立的块状沿晶 碳化物通过降低晶界的滑移，对高温裂纹的阻止是有好处的。因此，没 有析出物的高温变形合金在三点交汇处通过晶界滑移引起了楔形孔洞的 形成，如图5 - 3 4 a 所示。如果那些晶界有析出物点缀，晶界滑移将变得困 难，变形集中在那些析出物周围，引起圆形孔洞的形成，如图5 - 3 4 b 所示。 由于高温低塑性裂纹是一个晶界滑移过