Mater. Sci. Eng. A：異種金屬焊接接頭裂紋萌生和擴展的原位SEM研究

【引言】

核電站設備中經常會出現鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的異質接頭或鐵基和鎳基不銹鋼的異質接頭。焊接接頭組織各異，成分不均勻，力學性能相差較大。雖然有研究人員對異質接頭的組織和力學性能進行了大量研究，但異質接頭不同區域斷裂時裂紋萌生和擴展機制還不清楚，因此研究異質接頭斷裂行為就具有重要工程意義。

【成果簡介】

近日，北京科技大學的陸永浩研究員（通訊作者）在Materials Science and Engineering: A上發表了最新的研究成果“In-situ SEM study of crack initiation and propagation behavior in a dissimilar metal welded joint”。在該文中，通過原位SEM拉伸實驗研究了核電站異種金屬焊接接頭不同區域的斷裂機制。

【圖文導讀】

圖1 原位拉伸裝置及試樣

（a）室溫原位拉伸裝置示意圖

（b）原位拉伸試樣的尺寸

（c）取樣位置示意圖

圖2 原位拉伸實驗之前的光鏡圖及顯微硬度

（a）母材

（b）焊縫

（c）界面

（d）顯微硬度分布圖

圖3 316L不銹鋼不同應變下的同一位置光鏡圖

（a）3%

（b）5%

（c）6.8%

（d）8.3%

（e）9%

（f）9.8%

圖4 Inconel182不銹鋼不同應變下的同一位置光鏡圖

（a）3.2%

（b）4.1%

（c）6.2%

（d）7.2%

（e）9.3%

（f）最終斷裂

圖5 不同應變下的焊縫原位SEM圖

（a）0%

（b）2.1%

（c）3.9%

（d）6.0%

（e）6.3%

（f）最終斷裂

圖6 不同伸長率下的原位取向圖和圖像質量圖

（a）2.1%

（b）3.9%

（c）6.0%

圖7 不同伸長率下的施密特因子圖

（a）2.1%

（b）3.9%

（c）6.0%

圖8 圖5（d）中區域Ⅰ內的放大EBSD圖

（a）SEM圖

（b）局部取向圖

（c）施密特因子圖

（d）極射投影圖

圖9 圖5（d）中區域Ⅱ內的放大EBSD圖

（a）SEM圖

（b）極射投影圖

（c）局部取向圖

（d）施密特因子圖

圖10 不同區域的斷口SEM圖

（a）母材

（b）焊縫

（c）熔合區

圖11 焊接接頭不同區域的裂紋擴展機制示意圖

【小結】

異質接頭的裂紋萌生和擴展主要取決于顯微組織。由于母材中孿晶數量較多，所以裂紋易于在孿晶邊界形核。在焊縫和熔合區處，由于孿晶比較少，所以裂紋易于在滑移帶處萌生。異質金屬焊接接頭不同區域的斷裂機制也不同。母材是典型的韌性斷裂。由于焊縫處柱狀晶邊界上第二相粒子的存在，裂紋先沿著滑移帶滑移，然后沿柱狀晶邊界擴展。熔合區既存在韌性斷裂，也有脆性斷裂。裂紋擴展到外延區時，很容易沿柱狀邊界擴展，發生脆性斷裂。

文獻鏈接：In-situ SEM study of crack initiation and propagation behavior in a dissimilar metal welded joint（Materials Science and Engineering: A，2018，DOI：10.1016/j.msea.2018.05.077）。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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【陸永浩教授課題組介紹】

陸永浩教授主要方向為電站（核電、火電）材料、硬質薄膜等先進金屬材料組織、微觀結構和服役行為等，負責和主持過近二十項國家自然科學基金、973、863、國家重大專項等項目和課題的研究。已有超過150篇論文發表在Appl. Phys. Lett., Acta mater., J.Mater. Research, J.Nucl. Mater., Mater. Character.等國際國內著名刊物上，獲得10余項國家發明專利，為眾多國際刊物審稿人，為ICG-EAC、EPRI等國際組織會員。

本團隊長期致力于核電、火電材料等先進結構材料微觀組織、服役行為及壽命預測等方面的研究，從微觀-介觀-宏觀多尺度研究材料損傷過程中材料-環境-力學之間的耦合作用機制。同時，對不同環境下材料的微動磨損進行了大量研究，揭示了不同環境下材料微動磨痕層材料形變和損傷機理。

團隊現有研究方向：
1，核電材料微觀結構及其服役安全；
2，超超臨界環境下材料服役行為；
3，材料微動損傷的規律和機制；
4，焊接件微觀組織及其環境適應性；
5，高溫高壓環境流動促進腐蝕；
6，晶界工程對材料服役性能的影響。