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1、高温合金焊接接头动态拉伸变形断裂行为
2、第1...摘 要:借助扫描电子显微镜(SEM)的专用拉伸台,通过取自相同焊接接头疲劳试件的原位拉伸试验和疲劳试验,分析了高温合金焊接接头原位拉伸的动态断裂过程,讨论了原位拉伸断裂行为与疲劳断裂的关系。结果表明,高温合金熔化焊接接头强韧性良好,断裂前应变可达17.5%,具有明显的形变强化效应;焊缝断裂形貌与应力状态密切相关,在平面应力状态下,裂纹形成于熔合区晶内缺陷和晶界交汇处,以延性剪切型断裂为主,在应力集中的棱角处,易诱发穿晶脆断;焊缝熔合区的微观组织不均匀性和焊趾应力集中的联合作用将使焊接接头在疲劳试验过程中发生应变硬化,引发疲劳裂纹。关键词:扫描电镜
3、;动态拉伸;高温合金;焊接接头;疲劳强度0序 言 在高温合金的应用场合,焊接是重要的制造过程,焊接质量在整个焊接结构中起着决定性的作用。在使用过程中需承受交变载荷的高温合金焊接件,还必须进行疲劳校核。原位拉伸可对材料的微观破坏过程进行实时的动态观察,用取自相同焊接接头疲劳试件的试样进行原位拉伸,了解焊缝的动态断裂行为,并和疲劳试验结果进行比较,有助于提高对焊接接头疲劳破坏过程的认识,从而寻求改善焊接质量的有效途径。1 试验材料和试验方法 试验材料为国产GH3030与GH150高温合金。 焊接试样制备:取厚度为2mm的上述合金板,采用自动对接氩弧焊焊接,焊丝为GH3128,直径为1.6～2
4、.5mm,钨极直径2.0～2.5mm,焊接电流70～90A,电弧电压12V,氩气流量12～15L/min,焊后经X光探伤检验。 在未经疲劳试验的焊接试样上截取原位拉伸试样,在垂直于焊缝的方向用线切割切取原位拉伸试样,焊缝处在试样中部,如图1所示。 试样经磨平,单面抛光并轻度腐蚀,以便观察组织的拉伸变形过程。 动态拉伸在JXA-840型扫描电子显微镜的附件SM-TS40专用拉伸台上进行,其最大拉伸载荷为2kN,加力传感器标定为150mV,电压与载荷呈斜率为1的线性关系。最大拉伸距离为20mm,拉伸速度可调,最大达50mm/min。动态拉伸中,可同时利用X射线能谱仪(EDS)对观测点进行元素
5、分析。 焊接接头试样的疲劳试验在液压伺服疲劳试验机EHF-EG250KN-40L上进行,疲劳载荷采用轴向拉-拉应力控制,正弦波脉动加载,f=4.5Hz,R=0.1。记录循环次数,检查疲劳断裂的发生部位。2 试验结果分析2.1 焊接接头原位拉伸的宏观形貌图2为焊接接头原位拉伸后期的宏观形貌。 焊缝是在非平衡状态下凝固的铸态组织,随匹配焊接材料的比例、与母材混合后的化学成分和冷却条件的差异,组织十分复杂。如图2所示,原位拉伸过程中,在出现颈缩时,焊缝处呈现明显的变形不均匀性。这是由焊接接头微观组织不均匀性和复杂性造成的。说明试样在加载后,焊缝处微观组织在变形过程中,不同位向的晶粒组织及其内部位
6、错运动导致试样对应部位组织继续变形所要施加的局部应力不尽一致,所以焊接接头呈现焊缝中央膨大,形成两段式颈缩的现象,符合板试样颈缩遵循的最小应变能路径原理。 金相检查发现试件焊缝主要为树枝晶组织。有研究表明结晶前沿具有细树枝凝固界面的合金,其持久性能最佳,这种组织促使加工硬化,推迟了颈缩时间。母材是细等轴晶组织。熔合区组织比较复杂,与GH150材交界处以大小不等的等轴晶为主,与GH3030材交界处以柱状晶为主。热影响区有局部晶粒粗化,因高温合金无同素异构转变。在焊接过程中,除焊缝凝固组织外,与母材的过渡区因过热而呈不规则长大。这样,焊接接头的整体微观组织存在着3种取向各异的组织。因而接头存在着
7、比较严重的微观组织不均匀性,它们必然影响接头的变形行为。多晶体各晶粒变形时的相互配合是材料抵抗塑性变形的主要形式,否则极易在局部过早开裂。上述组织不均匀性易使焊接接头在疲劳性能试验过程中导致内部微观应力集中和各晶粒应变率的差异,最终将在较弱部位萌生疲劳裂纹。 2.2 原位拉伸中试样的微观变形过程 图3显示了在拉伸过程中试样表面的微观变形情况。 随拉伸进行,受力晶粒内存在的大量位错、层错等在应力的作用下,位错将开动,形成相互平行的滑移线,如图3a所示。塑性变形必须考虑加载速度,由于原位拉伸形变速率较低,晶粒形变比较均匀,滑移带平直、间距大小基本一致。但该图只显示了一个方向的滑移带,说明在均
8、匀形变阶段,只有一个方向的滑移系占主导地位,此阶段合金将出现初始硬化。随着拉伸进行,在其它晶粒中可以看到不同方向的滑移带出现,形成尖峰状或三角形。根据晶体学理论,<111>晶面是奥氏体的滑移面,也是层错形成面。该晶面有4个基本取向,每个晶面间的夹角理论计算为70°32′。如果某一晶粒截面和<111>平行或近似平行,由于<111>面上3个滑移方向的基准矢量间夹角为
