毕业设计(论文)外文参考资料及译文-在压力容器钢中焊缝的断裂行为.doc

在压力容器钢中焊缝的断裂行为C.Liu, S.D.Bhole *加拿大多伦多瑞尔森大学M5B 2K3机械部航空航天及工业工程2001年9月13日收到；2001年12月13日接收摘要：压力容器钢焊接的断裂行为与预裂纹尖端的凹口完全坐落在热影响区的研究。研究表明韧性断裂通过从热影响区到焊缝金属的裂纹扩展重定向来实现。通过光学显微镜，扫描电镜和能量分散X射线光谱法的分析显示韧性提高，在热影响区对裂纹扩展的抵抗就越高，这是因为存在很大比例的细针状铁素体的缘故。杂质的大小和分布似乎影响着细针状铁素体的形成。作者也对硬度分布对焊缝断裂行为的影响进行了分析。2002年Elsevier科学有限公司版权所有。关键词：X射线；热影响；容器；能量分散1 简介压力容器钢具有良好的延展性和焊接性，已经被广泛应用于石油和天然气精炼厂、发电站和化工等行业【1,2】。压力容器钢板焊缝机械和冶金的不均匀取决于在基底金属上的焊接热循环、热影响区和焊接金属。处于经济和安全的原因，在商业行业中具有足够强度和韧性的压力容器钢是必须的。特别是，焊接金属和热影响区必须有足够的韧性。在压力容器钢中，机械负荷、杂质大小、化学成分和冷却速度对其韧性的影响在过去的二十年中已经得到广泛地研究【3-6】。低断裂韧性一直与焊接裂纹扩展行为相关。裂缝已经在焊接焊缝区不同方向的各个领域中被发现，比如中心裂缝、横向裂缝和在焊接金属或热影响区底层的微观裂缝【7,8】。商业焊接的压力容器钢焊缝的断裂行为可提供的关于微观结构、杂质和硬度的综合信息很少。在本文件中，研究了在商业压力容器钢焊缝区的断裂裂纹扩展中关于微观结构、杂质大小和分布，以及硬度分布的影响。2 实验ASTM的A516-Grade70钢（25.4毫米厚）在标准化条件下被用来作基底金属。备双V形缝埋弧焊过程加入了符合ANSI/AWS A 5.17-89和IX ASME截面锅炉和压力容器规范的焊接工艺 135。Lincoln L61（中锰AWS 号码 EM12K）电线被用作电极，熔剂用的是F7A6。焊接参数和热循环见表1。在室温下基底金属、焊接金属和焊接电极的化学成分和机械性能分别见表2、表3。单边缺口弯曲（SENB）标本（125X25.4X12.7mm）的加工根据ASTM E399 焊接板材的三点弯曲试验进行。孔隙度和不规则表面的所有标本在精磨加工下变形。针尖表面缺口被用于确保它们的方向倾斜于在焊件微观结构被抛光和轻轻腐蚀后的属性基础上的焊接界面。表1 焊接参数和热循环的汇总电流 电压 移动速度 预热温度 层间温度（A） （B） （mm/min） () （）475-500 27 475-635 139 333表2 基底金属（BM）、焊接金属（WM）和焊接电极（WE）的化学成分C Mn Si Cr Ni Cu Mo S PBM 0.19 1.10 0.33 0.2 0.2 0.16 0.06 0.01 0.01WM 0.07 1.14 0.36 0.2 0.2 0.06 0.01 0.006 0.014WE 0.05-0.15 0.8-1.25 0.1-0.35 - - 0.35max - 0.03max 0.03max表3 基底金属、焊接金属和焊接电极在室温下的机械性能抗拉强度 屈服强度 冲击能量 50mm处的伸长率 （MP） （MP） （J） （%）BM 568 383 120 30WM 577 375 129 32WE 480-650 400 - 22图1 预疲劳裂纹尖端位置图2 压力容器钢的显微结构循环荷载下的缺口试样直到所需长度的裂纹形成才能生成预疲劳裂纹。预裂纹被控制停止在除在热影响区区域的焊接界面和偏于界面的方向以外，如图1所示。三点弯曲试验进行的MTS-810伺服液压系统，采用的是基于ASTM E399-90的软件。有预裂纹疲劳的试样被加载直到断裂。加载范围介于0.55MPam1/2和2.75MPam1/2之间，加载速率是900N/s。维氏硬度（压痕间隔为0.8mm）沿着焊接区域跨横截面分布。显微结构在抛光和2%硝酸浸蚀液蚀刻处理后在光学显微镜中进行研究。金属断面的显微观察是在电子显微镜（SEM）的扫描下进行的。所有的断裂试样都在沿着仅低于疲劳裂纹尖端和远离裂纹尖端的断裂面进行扫面的。杂质大小、分布和近似的化学成分是由能量分散X射线显微分析（EDX）所决定的。检查的总面积至少为1mm2。3 结果与讨论压力容器钢板热轧和正火后的微观组织如图2所示。该结构由沿着热轧方向的等轴铁素体和珠光体组成。人们普遍发现，热影响区域的微观组织是由等轴的铁素体晶界和细晶粒针状铁素体群体组成的网状结构。如图3所示。图3 压力容器钢焊接在热影响区的显微组织焊接点的维氏硬度分布如图4所示，而且可以看出，在热影响区的硬度比在基底金属和焊接金属中的硬度都高。 图4 压力容器钢焊缝的硬度分布杂夹物的尺寸分布如图5所示。该图表明大约47%的杂夹物颗粒尺寸在0.4到0.6m之间，其余的上升到1.4m。典型的杂夹物组成通过能量分散X射线显微分析来研究，如图6所示。 图5 压力容器钢中杂夹物的尺寸分布 能量 kev图6 在压力容器钢中典型杂夹物的SEM-EDX光谱可以看出，杂夹物中富含氧、铝、硅、锰，以及钙和锆的痕迹。根据Shim的调查研究，铁的能谱谱峰在能量分散X射线显微光谱分析中被认为是源自钢基体【9】。自从杂夹物在商业焊接中被发现后每个杂夹物都应该是通常由几个结晶的和、或者非晶相组成的络合物【10】。目前杂夹物是SiO2-MnO-Al2O3的混合物，包含少量的钙和锆【11】。 由图7可以看出，对于起点位置在热影响区的裂缝，裂缝断裂将会传导到焊接金属上。换言之，裂缝最初位于热影响区区域和尖端接近热影响区与焊接金属之间界面的，将成长为焊接金属区域，而且穿过整个焊接金属。如图8，在焊接金属上大面积的准解理断面远离着裂纹尖端断裂面（见图8b），而且在热影响区的等轴韧窝略低于裂纹尖端的断裂面（见图8a）。 图7 图片展示疲劳预裂纹尖端与断裂裂纹路径的示意图（箭头表明缺口加上疲劳预裂纹） 图8 在焊接金属中试样（a）在低于裂纹尖端的SEM断裂面； 远离裂纹尖端的焊接金属（b）。人们普遍接受的是，有三种焊接接头在熔焊过程中是根据强度错配理论【12,13】进行的。它们是过盈配合（焊接金属的屈服强度比基底金属屈服强度高），过低配合（焊接金属的屈服强度比基底金属的屈服强度低）和匹配配合（焊接金属的屈服强度与基底金属的屈服强度相近）。 强度不匹配率（M）的定义如下：M=焊接金属的屈服强度/基底金属的屈服强度 （1）。 对于目前M为0.98的焊接被确定为匹配配合的焊缝。作为预裂纹接近来自于热影响区的界面，裂纹尖端的塑性区扩展到焊接金属上，取代通过热影响区完全流出的区域。这些结果与Angamuthu【12】的调查研究不同。 据报道，压力容器钢焊接的断裂行为以及在热影响区的疲劳预裂纹尖端受到在裂纹尖端的显微结构的强烈影响【13,14】。特别是，Gubeljak【13】发现焊缝类型对初期裂纹扩展的断裂行为没有影响。它表明，在焊接时针状铁素体（晶内成核的细铁素体板块）组织主要在热影响区中获得（见图3）。众所周知，针状铁素体由于其细化晶粒尺寸和交织的结构可以提供一个高强度的优化组合和良好的韧性【15，16】。在奥氏体-针状铁素体转变期间，每个板条分别在一定程度上不同的方向从其邻元素形核，并在径向方向成长，导致在热影响区的针状铁素体性质的联锁。此外，个别针状铁素体板或板条包含相对较高密度的位错【16】。因此，针状铁素体的比例越大，其在韧性上的改善越大，因此，在焊接热影响区中提供的抗裂纹扩展越高。在焊缝中，已经知道存在的杂夹物根据它们对针状铁素体的形成的作用影响着其断裂行为【17】。针状铁素体体积分数和铁素体尺寸主要受杂夹物的尺寸和体积分数所控制【18】。Barbaro等人发现针状铁素体成核需要的杂夹物尺寸最低限度为0.4-0.6m。特别是，杂夹物的尺寸越大，杂夹物中针状铁素体形核的潜能越高。如图5所示的研究结果表明在焊接中有大约47%的杂夹物微粒尺寸在0.4m和0.6m之间，其余的上升到1.4m。也就是说，焊接时在奥氏体-铁素体转变期间所有的杂夹物在针状铁素体形核时可以作为有效的形核点。因此，在热影响区可以形成大量的如图5所示大小分布的获得高韧性的针状铁素体。造成这种情况的可能的原因已提出【18-21】：（a）杂夹物通过提供一个惰性表面减少了针状铁素体形成的能垒，（b）随着杂夹物尺寸的增加，在杂夹物中形核的能垒迅速降低，以及（c）在杂夹物中形核总比在同类中形核更有利。如图6所示，大量的杂夹物是由SiO2-MnO-Al2O3混合物组成的。从Dowling【11】和Oldland【12】的研究知，Al2O3 和SiO2凭借其高界面能对针状铁素体形核有效。另外，据认为【22】杂夹物周边的Mn大大的增加了针状铁素体的形核驱动力。除了针状铁素体在形核时所起的作用之外，氧化物杂夹物由于其较碳化物和氮化物沉淀物更大的热稳定性也有可能证明其在热影响区对晶粒粗化的控制更有效。例如，细沉淀物Al2O3，它能产生一个齐纳阻塞对晶粒生长的作用，这样很容易影响到晶粒的尺寸【23】。因此，从以上所述的研究表明适当的分散杂夹物有相当大的潜能通过促进针状铁素体的形成以及限制在热影响区中过多的晶粒粗化来改进热影响区的韧性以及抗裂纹扩展。图4证明，焊接时热影响区的硬度值高于基底金属和焊接金属的硬度值，而不是近似相同或者如Angamuthu【12】所说的低于基底金属的硬度值。当焊接热影响区周围的材料硬度越低时，当在焊接金属和热影响区之间的疲劳预裂纹偏于焊接界面时一个高的流体静应力在接近裂纹尖端的局部区域生长是很紧张的【16，24】。这些应力会在较软的材料上迅速扩展。这些约束在裂纹尖端是不拘束和减弱的。这些应力在裂纹尖端之前多少会有些移位。在目前的研究中，在裂纹尖端之前的区域是焊接金属。因此，提升韧性断裂的焊接金属受到和应变状态一样很大的压力。4 结论压力容器钢焊缝的断裂行为，和在热影响区的疲劳预裂纹尖端，受到裂纹尖端组织和在焊接时硬度分布的强烈影响。裂纹扩展从热影响区到焊接金属的重导主要归因于大比例的针状铁素体的形成。针状铁素体组织的形成受到杂夹物大小分布的影响。鸣谢非常感谢加拿大自然科学与工程研究委员会通过研究基金No.OGP0023234的财政资助。这篇论文是根据在Regina大学的Samit Sharma的毕业研究进行报道的。感谢Janamejay Nemade研究生的协助。参考文献【1】 Suzuki T, Itoh K, Naruse Y, Matsui H, Kimura A.19thInternational Symposium: Effects of Radiation on Materials,Jun 16Jun 18 1998, 2000, Seattle, WA, USA, p.266 278.【2】 Davis CL, King JE.Pr oceeding of the 8th InternationalConference on Fracture ICF8, Kiev, Ukraine, June 814,1993.1996, p.459 466.【3】 Datta R, Mukerjee D, Mishra S.J Mater Eng Perform 1998;7(6):817 823.【4】 Kim BC, Lee S, Kim NJ, Lee DY.Metall Trans A 1991;22A:139 149.【5】 Zhang XJ, Armstrong RW, Irwin GR.J Mater Sci Lett 1986;5:961 964.【6】 Tschegg E, Kirchner HOK, Kocak M.Acta Metall Mater 1990;38(3):469 478.【7】 Zhu H, Li G, Li C, Hideo K.Int J Fract 1992;53:291 299.【8】 Brooks JA, Thompson AW.Int Mater Rev 1991;36(1):16 36.【9】 Shim J-H, Oh Y-J, Suh J-Y, Cho YW, Shim J-D, Byun J-S,Lee DN.Acta Mater 2001;49:2115 2122.【10】 Zhang Z, Farrar RA.Mater Sci Technol 1996;12:237.【11】 Dowling JM, Corbett JM, Kerr HW.Metall Trans A 1986;17A:1611.【12】 Angamuthu K, Guha B, Achar G.Eng Fract Mech 1999;64:417 432.【13】 Gubelak N.Int J Fract 1999;100:155 167.【14】Barbaro FJ, Krauklis P, Easterling KE.Mater Sci Tech 1989;5:1057 1068.【15】 Farrar RA, Harrison PL.J Mater Sci 1987;22:3812.【16】 Shim J-H, Byun J-S, Cho YW, Oh Y-J, Suh J-Y, Shim J-D,Lee DN.ISI