异种金属焊接接头在热-力耦合作用下的断裂位置转移机理

李克俭^1,2，张宇^1,2，蔡志鹏^1,2,3,4

1. 清华大学机械工程系2. 清华大学先进成形制造教育部重点实验室3. 清华大学摩擦学国家重点实验室4. 清华大学先进核能协同创新中心

摘 要：使用镍基焊缝金属连接新型高Cr马氏体耐热钢和镍基合金制造了异种金属焊接接头(DMWs),对该类DMWs进行了高温持久实验以分析其失效机理,其中,应力水平在140～260 MPa,温度为600和620℃。结果表明,DMW的断裂位置随应力水平的改变发生转移。高应力水平(≥240 MPa)下,断裂主要发生在马氏体耐热钢母材中,断裂模式以塑性变形为主。中等应力水平(200～240 MPa)下,断裂位置转移至马氏体耐热钢热影响区(HAZ)中的细晶区(FGHAZ)或两相区(ICHAZ)中,该区域的硬度最低且碳化物粗化显著,在粗化的碳化物周围产生了大量的蠕变空洞,此种断裂模式为典型的Ⅳ型断裂。在低应力水平(≤200 MPa)下,DMW的断裂模式为三阶段混合形式:初始阶段,因在焊缝与马氏体耐热钢界面处产生氧化尖缺口沿界面断裂,氧化尖缺口的形成是氧化与应力交互作用的结果;裂纹随后转移至马氏体耐热钢的FGHAZ或ICHAZ中扩展;前2个阶段未发生明显的塑性变形,最后裂纹转移至马氏体耐热钢母材中沿切应力最大的方向扩展直至完全断裂,该阶段发生了明显的塑性变形。此外,研究还发现随应力水平降低,DMW呈现出早期失效的倾向,即低应力水平下的高温持久强度低于由高应力水平数据线性外延得到的数值,早期失效的产生与马氏体耐热钢焊接HAZ微观组织退化和界面氧化有关。

关键词：异种金属焊接接头;马氏体耐热钢;镍基合金;Ⅳ型裂纹;氧化;