沉淀强化Fe-Ni基奥氏体合金焊件氢致开裂的研究

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沉淀强化Fe-Ni基奥氏体合金因其优异的力学性能、良好的耐腐蚀性、较为宽广的服役温度范围和较低的氢脆敏感性被广泛应用于增压器、喷气发动机和储氢罐。实际工程应用中,常采用焊接技术将构件组合连接,然而焊接过程不可避免地会造成母材与焊缝微观结构的差异从而造成焊缝的力学性能和抗氢脆性能下降。本文在对沉淀强化Fe-Ni基奥氏体合金焊件服役安全寿命的评估过程中,发现外加拉应力的大小影响焊缝的氢致延迟断裂模式,对此展开了详细的研究,在这个基础上,进一步研究无外加应力状态下焊件电化学充氢过程中表面的氢致开裂行为,探究焊件的氢致开裂机理,为优化该类合金焊件的抗氢脆性能提供必要的理论依据。对经过980℃保温1小时固溶处理+740℃保温8小时效处理的焊件进行恒载荷动态充氢拉伸实验,结合扫描电子显微镜(SEM)研究不同应力状态对焊缝氢致断裂模式的影响,并通过透射电子显微镜(TEM)原位拉伸实验观察裂纹扩展过程。结果表明:焊缝的氢致断裂模式与外加应力大小相关,当外加应力远超过焊缝的屈服强度时,氢致断裂模式从样品表面向内部依次由穿晶脆性断裂、准解理断裂和韧窝区过渡;当外加应力接近焊缝的屈服强度时,氢致断裂模式从焊缝表面向内部依次由沿晶脆性断裂、准解理断裂和韧窝区过渡。外加应力大小不同之所以能引起焊缝氢致断裂模式的不同,与位错的增殖及运动相关。当外加应力远超过焊缝的屈服强度时,焊缝塑性变形较严重,大量位错生成。位错作为氢陷阱会捕获大量氢,氢随着位错快速迁移,富集在滑移面上,降低滑移面的结合力,从而引起焊缝表面穿晶脆性断裂。当外加应力接近焊缝屈服强度时,焊缝未发生明显塑性变形,即不会有大量位错的生成与运动,则晶界作为强的氢陷阱会富集大量的氢,降低晶界结合力,从而引起焊缝表面发生沿晶脆性断裂。为了进一步探究焊件无塑性变形情况下氢致开裂行为,选取一种较为极端的特殊情况,即焊件完全不受载荷的情况下,进行电化学充氢,对焊件表面出现的氢致裂纹进行研究。对980℃保温1小时固溶处理+740℃保温8小时效处理的焊件进行静态电化学充氢,焊件表面出现氢致开裂现象,且焊缝的氢致开裂程度较母材严重。对母材继续进行不同时间的电化学充氢,发现母材中最先发生晶界开裂及孪晶界开裂,这与低应力下观察到的焊缝外侧发生沿晶断裂一致。随充氢时间增加,焊件表面出现滑移带,以及部分滑移带发生开裂。利用聚焦离子束(FIB)切取充氢25h的母材晶界裂纹及孪晶界裂纹,通过透射电子显微镜对其进行表征,分析氢致裂纹的形核及扩展机理,结果发现晶界上贫Ni、Ti、Al元素,而孪晶界上富Ni、Ti、Al元素。关于晶界及孪晶界发生氢致开裂是否与元素偏析相关,有待后续进一步研究。
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