核电一回路管道是核岛反应堆冷却系统的关键部分, 传统焊接方法极易在主管道焊缝产生较大残余应力, 增大接头发生高温水应力腐蚀破坏的可能性 ^[1-3]。激光焊接有速度高、没有连接间隙和焊接质量高等优点^{[4, 5]}, 将激光焊技术应用于核电主管道不锈钢焊接, 为大功率激光焊接技术运用于主管道建设和修补提供技术支持, 从而提高核电站建设的效率、运行的安全性、延长核电站的服役寿命^[6-8]。

金属的微观组织对材料的断裂行为(例如裂纹的萌生和扩展行为)有重要影响^[9]。原位拉伸试验可原位观察到裂纹萌生和扩展的行为^{[10, 11]}。本文用原位拉伸试验研究核电不锈钢焊缝的不同组织对裂纹扩展的影响。

1 实验方法

1.1 实验用材料

实验用焊接材料为国产核电一回路主管道材料Z3CN20-09M, 离心铸造制造, 其成分列于表1。

1.2 焊接工艺

焊接用薄板尺寸为300 mm×75 mm×2 mm, 使用大功率SLCF-X1225型CO2激光焊接机, 用氩气保护, 气体流量为20 L/min, 功率恒定为2.5 kW。板件上不开坡口, 两端约束。焊接时采用自熔焊接, 不填充焊料, 在表面沿板件长度方向直接焊接。焊接速度为1.2 m/min, 则热输入量为1.25 kJ/cm。

1.3 原位拉伸试样的制备

为研究焊缝中不同组织对裂纹扩展的影响, 在焊缝上制取原位拉伸试样, 在SEM下观察裂纹扩展行为。试样尺寸如图1所示。采用轻微腐蚀。

1.4 测试方法

用德国蔡司光学显微镜进行金相组织观察; 用EBSD对焊缝中不同组织的取向关系、晶界信息和应力分布等进行测定分析; 在JOEL电子扫描电镜下原位观察整个变形和裂纹扩展过程。

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图1   原位拉伸试样的尺寸

Fig.1   Simulation picture of situ tensile tests sample

2 结果和讨论

图2给出了焊缝接头金相组织照片。由图2可见, 在焊缝区组织中存在大量的岛状和板条状组织, 其中岛状组织均匀地分布在焊缝中, 而板条状组织则主要集中晶界处。由于Cr_eq/Ni_eq值(Cr元素平均含量与Ni元素平均含量的比值, 其比值影响不锈钢焊缝组织凝固模式)较大, 激光焊的冷却却很快, 凝固模式属于铁素体-奥氏体(FA)模式, 所以这两种组织均为奥氏体与铁素体的混合组织。

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图2   焊缝接头焊缝区金相组织

Fig.2   Optical micrographs of weld seam

为确定岛状和板条状组织的具体结构, 解释两种组织的生长过程, 先分析岛状和板条状组织进行取向, 结果如图3所示。

图3给出了岛状组织和板条状组织的取向关系极图。由极图3a和3b可以看出, 岛状组织的(110)晶面与奥氏体的(111)晶面存在(110)δ//(111)γ的取向关系(图中方框所示), 板条状组织的晶面(110)与奥氏体晶面(111)也存在同样的关系(图中圆圈所示), 即K-S关系, 说明岛状和板条状组织在析出过程中均与奥氏体存在K-S关系。

图4给出了焊缝中特征组织形貌的SEM形貌、大角度晶界、孪晶界和相界信息分布以及内应力分布的EBSD照片。从图4a可见, 该组织为典型的板条组织和岛状组织伴生, 左边为板条组织(黑色方框内), 右上角为岛状组织(白色圆圈内)。图4b中灰色为δ-铁素体相, 黑色区域为γ-奥氏体相, 黑色线为大角度晶界, 白色线为10°-15°晶界, 灰色线为小于10°的小角度晶界, 图c为菊池带衬度图, 显示了孪晶界和相界信息, 其中孪晶界为黑色细线, 相界为白色细线; 图d定性地表示局部内应力, 颜色越深代表内应力越大, 颜色越浅代表内应力越小。从图4b和c可知, 在岛状组织中存在大量的孪晶界和大角度晶界, 而在板条状组织中则只有少量不连续的大角度晶界, δ-铁素体内部的晶界数量非常少。图4d表明, 岛状组织比板条状组织具有更大的内应力。根据图3和4可初步判断, 在焊接过程中板条状组织首先形成, 在形成过程中受到的压应力较小, 随着时间的增加岛状组织开始形核和生长, 在此过程受到板条状组织的挤压和限制, 因而内应力较大, 在形貌上表现为岛状。

图5给出了焊缝组织在原位拉伸过程中的形变和断裂过程。图5a中黑色实线内为奥氏体和少量板条铁素体组成的板条状组织, 白色虚线内为岛状铁素体组织, 白色虚线为裂纹的扩展路径, 黑色箭头表示裂纹扩展方向, 白色双向箭头表示拉应力方向。

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图3   岛状组织和板条状组织中δ-γ两相的取向关系

Fig.3   Microstructure relationship between δ and γ phase in island-like and lath-like structures (a) and (b) is the pore figure of ferrite and austenite in island-like structures; (c) and (d) is the pore figure of ferrite and austenite in lath-like structures

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图4   焊缝特征组织形貌图、大角度晶界分布图、孪晶界和相界信息分布图以及组织内应力分布图的EBSD分析

Fig.4   EBSD analyse of microstructures in weld seam (a) SEM of weld seam; (b) Distribution graph of high-angle boundary; (c) Distribution graph of twin crystal boundary and phase boundary; (d) Distribution graph of inner stress

图5b和c表明, 当裂纹在扩展发生后遇到岛状组织时其扩展过程受到岛状δ-铁素体的强烈阻碍, 使裂纹在岛状组织处扩散速度降低, 裂纹的扩展方向同时发生了改变。图5d中的白色虚线中为岛状组织, 白色短箭头所指为裂纹路径偏转处, 当裂纹扩展通过岛状组织后进入板条状组织, 近乎直线迅速地通过该组织, 扩展路径齐整平滑, 说明该组织并没有对裂纹有明显的阻碍作用。另外, 可看到先前对裂纹起阻碍作用的岛状组织留下的断口形貌(图6), 呈现明显的塑性形变特征。在裂纹扩展过程中裂纹在板条状组织和岛状组织交界处迟滞, 如黑色方框所示。在图5e中, 裂纹在通过魏氏体组织后遇到另一岛状铁素体组织。迟滞一段时间后, 裂纹扩展方向发生接近于90°的剧烈偏转。裂纹在短时间内不能穿过岛状组织, 受到强烈阻碍作用, 在拉应力作用下裂纹偏离主裂纹方向向结合能较低的晶界扩展, 甚至平行于拉应力方向; 在图5f和g中, 裂纹受岛状铁素体组织阻碍向下扩展约80 μm后, 裂纹又逐渐转向了与主应力垂直的方向。

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图5   裂纹在焊缝组织中扩展的各个阶段

Fig.5   Crack progation in weld microstructures at different stage

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Fig.6   Fracture morphologies of specimens in weld joint

由图4b可见, 在焊缝区域的岛状组织中有存在大量的大角度晶界, 由于大角度晶界能降低晶界自由能而提高了组织的韧性, 使岛状组织区域的韧性有一定的增强。因此, 裂纹在此区域扩展的时候受到的阻碍力增大, 使裂纹沿岛状组织晶界和塑性变形区扩展, 使裂纹生长途径发生偏移。图4d可见, 焊缝中板条状组织的内应力较小, 而岛状组织中的内应力则比较大, 内应力的存在使裂尖应力状态发生改变。内应力和大角度晶界的综合作用使裂纹扩展到岛状组织时受到阻碍, 从而使裂纹扩展发生偏移。因此, 裂纹会快速通过板条状组织, 而岛状组织使扩展路径改变。

3 结论

1. 在焊接速度为1.2 m/min的条件下核级不锈钢Z3CN20-09M焊接接头焊缝区组织形成模式为FA凝固模式; 焊缝组织由板条状魏氏体组织和岛状魏氏体组织组成, 其中板条状组织的压应力较小, 大角度晶界较少, 而且不连续, 大部分的晶界角度介于10°-15°; 岛状组织的压应力大, 有较多的大角度晶界, 而晶界角度介于10°-15°的晶界较少, 孪晶界较多。

2. 岛状组织对裂纹的扩展有阻碍作用, 并且促使裂纹发生偏转, 而板条状组织对裂纹扩展没有阻碍, 裂纹可在片层组织中快速通过。