L415/N08825双金属复合管焊接接头的微观组织及其断裂行为研究

作     者：吴登 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王斌

授予年度：2017年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：双金属复合管焊接接头 微观组织 力学性能 裂纹扩展阻力 裂纹扩展路径 

摘      要：双金属复合管兼具耐蚀合金耐蚀性和碳钢的力学性能,能有效的降低成本,在石油,化工,水利,环保以及海水淡化等领域广泛使用。由于基层和复层金属线膨胀系数和热导率等物理化学性能的差异,在焊接热循环作用下,焊接接头易产生应力集中促进裂纹的萌生和扩展,对管线的安全运行带来巨大的威胁。了解双金属复合管焊接接头的断裂行为以及对其有效的安全评估对保障管线的安全运行具有重要的意义。针对L415/N08825双金属复合管焊接接头断裂行为,开展了对焊接接头微观组织、成分分布和裂纹扩展阻力以及路径等内容的研究。主要结论如下:(1)利用光学显微镜和扫描电镜对双金属复合管焊接接头的组织、成分分布和夹杂物成分及分布等分析结果表明,双金属复合管焊接接头微观组织存在较大的不均匀性。复层N08825的组织是单相奥氏体;基层L415是针状铁素体、准多边形铁素体、珠光体和贝氏体构成的复相组织;焊缝组织为树枝状奥氏体。焊缝/复层N08825界面、焊缝/基层L415界面和焊缝、基层L415和复层N08825结合界面(以下均称为三相区)均存在由材料熔点差异而产生的未混合区。Cr、Ni、Mo和Fe等主要元素在界面过渡仍然存在突变,呈现较大的浓度梯度。焊接接头焊缝、L415HAZ和N08825HAZ夹杂物大小分布不均。(2)利用万能试验机、冲击试验机和显微硬度仪对焊接接头力学性能(强度、应力-应变和硬度)的表征研究表明,焊接接头力学性能具有较大的不均匀性。其平均屈服强度和平均抗拉强度分别为432MPa和582MPa。断裂发生在母材,复层与基层界面最先起裂,接着复层断裂,基层最后断裂。焊接接头具有良好的冲击性能,热影响区的平均冲击功为123J,焊缝平均冲击功为89J,断口特征均为韧性断裂。焊缝平均硬度高于母材和热影响区平均硬度,热影响区出现软化现象,熔合线硬度较母材有所增加。焊接接头具有良好的抗弯曲性能。(3)采用EBSD表征了双金属复合管焊接接头三相区的晶粒特征。结果显示,焊接接头三相区由BCC和FCC两种晶体结构构成。N08825与L415之间的未混合区分为两部分,均有较大的取向差分布,晶粒分布呈现明显的方向性。三相区FCC和BCC结构的小角度晶界比例分别为79.97%和74.81%,主要源于未混合区的亚结构。BCC结构晶体CSL晶界主要为Σ3,Σ11,Σ17b;FCC结构晶体CSL晶界主要为Σ3,Σ5,Σ17b,增加断裂阻力,提高韧性。三相区各界面均存在不同厚度的细晶区,其中尺寸约为0.5μm的晶粒数量最多。未混合区及其与L415界面附近应力集中水平较高。(4)采用原位观察拉伸试验表征焊接接头单刃缺口微拉伸试样的裂纹起裂和扩展过程。结果发现,双金属复合管焊接接头微小缺口试样的载荷-位移曲线未出现明显的屈服平台,呈现圆屋顶形状。起裂点位于在L415与N08825界面的未混合区,而后N08825侧出现多个起裂点,裂纹合并快速扩展N08825侧优先断裂,然后扩展至L415侧,最终断裂。裂纹扩展路径近似直线,界面等对扩展路径影响不大。主导的断裂机制为微孔聚集型延性断裂。(5)参照ASTM E1820-15断裂韧性测量的方法,通过对双金属复合管焊接接头三点弯曲的断裂试验以及微观组织观察,分析了焊缝和热影响区的裂纹扩展行为,确定两个区域的裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展路径。双金属复合管焊接接头的热影响区较焊缝具有更高的断裂阻力。焊缝和热影响区裂纹扩展路径呈近似直线,扩展过程未出现跨区域扩展。焊缝的断裂模式为典型的微孔聚集型韧性断裂;热影响区断裂模式为韧性断裂。