Mater. Sci. Eng. A：异种金属焊接接头裂纹萌生和扩展的原位SEM研究

【引言】

核电站设备中经常会出现铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的异质接头或铁基和镍基不锈钢的异质接头。焊接接头组织各异，成分不均匀，力学性能相差较大。虽然有研究人员对异质接头的组织和力学性能进行了大量研究，但异质接头不同区域断裂时裂纹萌生和扩展机制还不清楚，因此研究异质接头断裂行为就具有重要工程意义。

【成果简介】

近日，北京科技大学的陆永浩研究员（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发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”。在该文中，通过原位SEM拉伸实验研究了核电站异种金属焊接接头不同区域的断裂机制。

【图文导读】

图1 原位拉伸装置及试样

（a）室温原位拉伸装置示意图

（b）原位拉伸试样的尺寸

（c）取样位置示意图

图2 原位拉伸实验之前的光镜图及显微硬度

（a）母材

（b）焊缝

（c）界面

（d）显微硬度分布图

图3 316L不锈钢不同应变下的同一位置光镜图

（a）3%

（b）5%

（c）6.8%

（d）8.3%

（e）9%

（f）9.8%

图4 Inconel182不锈钢不同应变下的同一位置光镜图

（a）3.2%

（b）4.1%

（c）6.2%

（d）7.2%

（e）9.3%

（f）最终断裂

图5 不同应变下的焊缝原位SEM图

（a）0%

（b）2.1%

（c）3.9%

（d）6.0%

（e）6.3%

（f）最终断裂

图6 不同伸长率下的原位取向图和图像质量图

（a）2.1%

（b）3.9%

（c）6.0%

图7 不同伸长率下的施密特因子图

（a）2.1%

（b）3.9%

（c）6.0%

图8 图5（d）中区域Ⅰ内的放大EBSD图

（a）SEM图

（b）局部取向图

（c）施密特因子图

（d）极射投影图

图9 图5（d）中区域Ⅱ内的放大EBSD图

（a）SEM图

（b）极射投影图

（c）局部取向图

（d）施密特因子图

图10 不同区域的断口SEM图

（a）母材

（b）焊缝

（c）熔合区

图11 焊接接头不同区域的裂纹扩展机制示意图

【小结】

异质接头的裂纹萌生和扩展主要取决于显微组织。由于母材中孪晶数量较多，所以裂纹易于在孪晶边界形核。在焊缝和熔合区处，由于孪晶比较少，所以裂纹易于在滑移带处萌生。异质金属焊接接头不同区域的断裂机制也不同。母材是典型的韧性断裂。由于焊缝处柱状晶边界上第二相粒子的存在，裂纹先沿着滑移带滑移，然后沿柱状晶边界扩展。熔合区既存在韧性断裂，也有脆性断裂。裂纹扩展到外延区时，很容易沿柱状边界扩展，发生脆性断裂。

文献链接：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）。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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【陆永浩教授课题组介绍】

陆永浩教授主要方向为电站（核电、火电）材料、硬质薄膜等先进金属材料组织、微观结构和服役行为等，负责和主持过近二十项国家自然科学基金、973、863、国家重大专项等项目和课题的研究。已有超过150篇论文发表在Appl. Phys. Lett., Acta mater., J.Mater. Research, J.Nucl. Mater., Mater. Character.等国际国内著名刊物上，获得10余项国家发明专利，为众多国际刊物审稿人，为ICG-EAC、EPRI等国际组织会员。

本团队长期致力于核电、火电材料等先进结构材料微观组织、服役行为及寿命预测等方面的研究，从微观-介观-宏观多尺度研究材料损伤过程中材料-环境-力学之间的耦合作用机制。同时，对不同环境下材料的微动磨损进行了大量研究，揭示了不同环境下材料微动磨痕层材料形变和损伤机理。

团队现有研究方向：
1，核电材料微观结构及其服役安全；
2，超超临界环境下材料服役行为；
3，材料微动损伤的规律和机制；
4，焊接件微观组织及其环境适应性；
5，高温高压环境流动促进腐蚀；
6，晶界工程对材料服役性能的影响。