镍基合金焊缝接头的初次回路水应力腐蚀开裂分析

镍基合金焊缝接头的初次回路水应力腐蚀开裂分析

         镍基合金焊缝接头的初次回路水应力腐蚀开裂分析，镍基合金焊缝接头和他们的初次回路水应力腐蚀裂纹敏感性具有一些独特的特征，比如较高的屈服强度，这就导致接头出现较高的残余应力和具有较高应力强度因素（K），使之对应力腐蚀开裂的敏感性增加。对低合金钢来说，通常要求进行焊后热处理，这会导致其屈服强度增加，潜在地加剧铬的损耗，同时降低了残余应力的峰值。此外，合金182加热和焊接过程中也会产生热裂纹和其它缺陷。这些裂纹会影响焊缝的完整性，消除裂纹的成核阶段，如果工件的裂纹前缘是热裂就会增加应力密度，进而加速应力腐蚀开裂形成。最终，焊缝金属晶粒边界（枝晶间）的化学成分可能与锻造材料的不同，也会对应力腐蚀开裂产生影响。图3是核应用场合的镍基合金焊缝接头上观察到的一些显微组织特征。
热影响区的裂纹敏感性合金600或690在车间退火或者热处理条件下的显微组织被分为两组：
1）晶间是M7C3沉淀物结构；
2）晶间主要是沉淀物。显微组织的发展主要根据碳当量，形变过程和热处理过程，应力腐蚀开裂的抗性主要与显微结构类型有关，晶间析出物较好。
       在脱氧环境下应力腐蚀开裂的碳化物析出影响有不同的解释，其中大多数假设是说晶粒析出物影响显微变形行为和残余裂纹尖端应变速率。晶粒边界（GB）析出物大大降低了晶粒间的滑动。另一方面，晶粒间析出物通过将蠕变应变传递到晶粒边界又增加了晶粒间的滑动。此外，晶粒边界析出物表现为低能位错源，因此在裂纹尖端造成更多的同种的塑性变形。这种塑性变形会释放一些应力，延缓裂纹扩展。
       另一个重要的冶金因素是焊缝接头施加的塑性变形的程度，它也能提高初次回路水应力腐蚀裂纹长大速率（CGR）。当冷加工大于2％，就会对CGR产生很大的影响。冷加工对裂纹长大速率最大的影响发生在首次变形5％的情况下，然后随着冷加工的增加而缓慢增大。这里也有几种原因会导致零件在工作前就产生塑性变形，比如表面精加工、制造、安装、焊接等因素。
       在焊接过程中，热循环能改变热影响区（HAZ）的材料性能，同时溶化碳化物，造成局部残余应力和应变较高，促使热影响区的应力腐蚀开裂裂纹产生。然而，就焊缝接头不同区域的应力腐蚀开裂的相关敏感性而言, 结果恰恰相反。
       一些研究表明，在同样的实验条件下，合金600中应力腐蚀开裂在热影响区中的长大速率要比其在母材中的长大速率快约30倍，这都是由于更少的富铬晶界（IG）碳化物以及热影响区塑性应变的提高。其它实验报告显示，热影响区的裂纹长大速率较高主要是由塑性变形引起的。焊接残余应变相当于室温抗拉强度残余应变的20% ~30％，最高的应变发生在焊缝界面的焊缝根部。
       另一方面，从360℃（680℉）温度下去除氢水中600-EN82H-600窄坡口焊缝中截取试样进行研究，意外发现应力腐蚀开裂引发是在母材金属区域，而不是像其它多数试样中的焊接热影响区或焊缝金属区域。焊接热影响区的裂纹只能在试验前已预应变的试样中观测得到。因此，假设所观测结果是由于实验过程中焊缝不同区域施加的应变水平不同。然而，应变分析显示，冯米泽斯（Von Mises）应变通常在焊接区域最高；加载循环前后的合金600和热影响区之间并没有什么不同。
      合金600焊接接头的抗应力腐蚀开裂顺序如下：EN83H >合金600HAZ>合金600，这是基于热影响区的微观组织与母材金属和预先应力腐蚀开裂的长大速率研究得出的。观测到的特性可能与晶间微观组织和焊缝接头各种位置的蠕变阻力，每个区域（随机选择）的外露区域的不同或由于焊缝金属较高铬含量在薄膜稳定性不同有关。在合金690和600之间最大不同之一是晶间碳化物。连贯的Cr23C6附着在母材晶格一侧，在合金690焊缝金属和母材金属中都有。然而，无条理的M7C3 主要存在于合金600的母材中，不连贯的NbC存在于合金600的焊缝金属中。根据这些结果，晶间碳化物对初次回路水应力腐蚀开裂的影响要比其他冶金因素的影响大，比如晶界分布和硬度等。似乎连贯的Cr23C6最能限制初次回路水应力腐蚀开裂的扩展。

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