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天津大學(xué)Corros. Sci.：預(yù)應(yīng)變對(duì)奧氏體不銹鋼焊接接頭微觀組織和氫脆的影響

2018-12-21 12:10:12 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：天津大學(xué)材料學(xué)院研究研究團(tuán)隊(duì) 分享至：

【引言】

加工或服役過(guò)程中，氫原子會(huì)吸附于金屬表面，并滲透、擴(kuò)散、聚集于某些部位，造成宏觀塑性和強(qiáng)度明顯降低，即氫脆現(xiàn)象。300系列奧氏體不銹鋼因其較高抗氫脆性和和焊接性被廣泛應(yīng)用于含氫環(huán)境的承載構(gòu)件，服役前常通過(guò)預(yù)應(yīng)變來(lái)提高其強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)變使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)變硬化的同時(shí)也會(huì)使其組織發(fā)生明顯改變，如亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼在塑性變形過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;′馬氏體的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，這些組織改變將影響奧氏體不銹鋼的氫脆敏感性。焊接是奧氏體不銹鋼常用的連接手段，其過(guò)程中復(fù)雜的熱循環(huán)使焊接接頭組織和性能更為不均勻，因此，研究預(yù)應(yīng)變對(duì)奧氏體不銹鋼焊接接頭組織演變和氫脆失效機(jī)制的影響對(duì)理解奧氏體不銹鋼氫脆尤為重要。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，天津大學(xué)材料學(xué)院研究人員李曉剛、龔寶明（通訊作者）、鄧彩艷（通訊作者）和李一哲（通訊作者）在Corrosion Science發(fā)表題為名為“Effect of pre-strain on microstructure and hydrogen embrittlement of K-TIG welded austenitic stainless steel”的研究論文。研究人員將奧氏體不銹鋼焊接接頭分別進(jìn)行了不同程度預(yù)應(yīng)變后在相同條件下進(jìn)行預(yù)充氫來(lái)研究預(yù)應(yīng)變對(duì)接頭氫脆失效機(jī)制的影響。隨著預(yù)應(yīng)變水平的升高，接頭失效位置從焊縫轉(zhuǎn)移至母材，研究人員提出失效位置的轉(zhuǎn)變與焊縫、母材不同的應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體轉(zhuǎn)變傾向有關(guān)。低預(yù)應(yīng)變下，焊縫中預(yù)先存在較高的密度位錯(cuò)，裂紋優(yōu)先在位錯(cuò)塞積和氫集中的交互作用處萌生，最終接頭失效于焊縫；高預(yù)應(yīng)變下，母材中貧鎳帶發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體馬氏體轉(zhuǎn)變，馬-奧相界處提供了更多的氫和位錯(cuò)的累積位置，裂紋優(yōu)先于此處產(chǎn)生，接頭氫脆失效位置轉(zhuǎn)移到母材。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 10%預(yù)應(yīng)變-未充氫-未拉伸接頭EBSD分析

（a）焊縫（b）母材

圖2 20%預(yù)應(yīng)變-未充氫-未拉伸接頭焊縫組織成分分析

（a）檢測(cè)區(qū)域（b）EBSD晶粒取向分布圖、相圖（c）EPMA局部成分分析（d）EPMA元素分布圖

圖3 20%預(yù)應(yīng)變-未充氫-未拉伸接頭母材組織成分分析

（a）檢測(cè)區(qū)域（b）EBSD晶粒取向分布圖、相圖（c）EPMA局部成分分析（d）EPMA元素分布圖

圖4 母材中預(yù)應(yīng)變馬氏體含量變化

圖5 預(yù)應(yīng)變-未充氫-未拉伸接頭焊縫位錯(cuò)分析（TEM）

圖6不同預(yù)應(yīng)變?cè)嚇由郎孛摎浞治?/span>

圖7不同預(yù)應(yīng)變?cè)嚇又袣浜?/span>

圖8拉伸曲線(xiàn)

圖9拉伸性能

（a）抗拉強(qiáng)度（b）伸長(zhǎng)率δ和氫脆敏感指數(shù)Iδ（c）斷面收縮率Ψ和氫脆敏感指數(shù)IΨ

圖10斷口形貌（SEM）

圖11 10%預(yù)應(yīng)變接頭斷裂后組織成分分析

（a）EBSD晶粒取向分布圖（b）EBSD相圖（c）EDS局部成分分析

圖12 20%預(yù)應(yīng)變接頭斷裂后組織成分分析

（a）EBSD晶粒取向分布圖（b）EBSD相圖（c）EDS局部成分分析

圖13 20%預(yù)應(yīng)變接頭斷裂后EBSD分析

（a）晶粒取向分布圖（b）相圖

圖14 10%預(yù)應(yīng)變-充氫接頭斷裂后TEM分析（斷于焊縫）

（a）不均勻位錯(cuò)分布（b）局部高密度位錯(cuò)（c）孿晶附近局部高密度位錯(cuò)（d）晶界附近局部高密度位錯(cuò)

圖15 20%預(yù)應(yīng)變-充氫接頭斷裂后TEM分析（斷于母材）

圖16不同預(yù)應(yīng)變接頭氫脆失效機(jī)理圖

【小結(jié)】

通過(guò)對(duì)經(jīng)預(yù)應(yīng)變的AISI 304L奧氏體不銹鋼焊接接頭氫脆失效機(jī)制的研究，討論了接頭氫脆失效位置和預(yù)應(yīng)變誘發(fā)微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，主要得到如下結(jié)論：

（1）接頭預(yù)應(yīng)變幾乎不會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體轉(zhuǎn)變，但母材中α′馬氏體含量隨接頭預(yù)應(yīng)變?cè)黾佣黾樱@與母材化學(xué)成分不均勻有關(guān)。焊縫中無(wú)偏析，但母材中的貧鎳帶使該區(qū)域奧氏體穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生大量應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體轉(zhuǎn)變；（2）接頭預(yù)應(yīng)變從0%增加至25%，氫脆失效位置由焊縫轉(zhuǎn)向母材，這與氫和預(yù)應(yīng)變誘發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)（位錯(cuò)、α′馬氏體）有關(guān)。

（3）接頭經(jīng)歷低預(yù)應(yīng)變時(shí)（0%，3%，6%，10%，15%），焊縫預(yù)先存在較高密度的位錯(cuò)，隨后氫提高這些位錯(cuò)的移動(dòng)性使焊縫易發(fā)生局部塑形變形，最終氫致斷裂發(fā)生在焊縫中氫和位錯(cuò)的塞積處。

（4）接頭在高預(yù)應(yīng)變水平下（20%，25%），母材發(fā)生大量應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，馬-奧相界經(jīng)歷了更為嚴(yán)重的氫-位錯(cuò)交互，最終在母材中的馬-奧相界發(fā)生氫脆失效。

（5）低預(yù)應(yīng)變時(shí)，充氫接頭流變應(yīng)力高于與之相同預(yù)應(yīng)變水平的未充氫接頭，且氫不減小接頭強(qiáng)度；高預(yù)應(yīng)變時(shí)，充氫接頭流變應(yīng)力和強(qiáng)度均低于與之相同預(yù)應(yīng)變水平的未充氫接頭。這與預(yù)應(yīng)變接頭中存在應(yīng)變硬化和氫致脆性?xún)煞N競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制有關(guān)：低預(yù)應(yīng)變接頭中應(yīng)變硬化機(jī)制占主導(dǎo)；高預(yù)應(yīng)變接頭中氫致脆性占主導(dǎo)。

文章鏈接：

（DOI：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2018.12.018）

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