316L不锈钢焊接接头抗辐照损伤机制的研究

本文采用TIG填丝的焊接方法,实现了316L奥氏体不锈钢的焊接,系统研究了316L奥氏体不锈钢焊接接头离子辐照后微观结构、表面形貌及显微硬度的变化规律,并对辐照过程中焊接接头的微观结构演化机理及辐照硬化机理进行了分析,得出的主要结论如下:

1)焊接热输入分别为3 KJ/cm2.5 KJ/cm2 KJ/cm的焊接接头经剂量为2×10 17n/cm2He+辐照后,其微观结构和表面形貌变化:

2×10 17 n/cm 2剂量的He+辐照后的焊缝产生了大量的位错环、黑点和氦泡等微观结构。结合以往的研究可知,大尺寸的位错环是间隙型的,而小黑点主要由小尺寸间隙位错环和小尺寸空位型位错环组成。由于辐照在常温下进行,较低的温度限制了氦泡的长大,其平均尺寸在1 nm左右。

随着焊接热输入的减小,焊缝拉残余应力也随之增大,316L不锈钢残余拉应力促进了间隙原子的聚集,使得焊缝位错环密度和尺寸也随之增大,三组样品的位错环平均尺寸分别为7.64108 nm11.82726 nm13.20321 nm。绘制位错环尺寸和焊缝残余应力的关系曲线发现,位错环尺寸随着残余应力增大而增大。

辐照后的焊缝表面出现了纳米尺寸的浮凸和四面体小孔洞,且表面浮凸和四面体小孔洞的尺寸和密度随着焊接热输入的减小略有增大。表面浮凸是由He-V团聚集形成,四面体小孔洞则是由层错四面体(SFT)和其他空位型缺陷在表面聚集而形成。焊接热输入减小导致空位型位错环的密度增大,则向表面聚集的He-V团和空位缺陷越多,进而导致表面浮凸和四面体孔洞尺寸和密度增大。

2)焊接热输入为2.5 KJ/cm的焊接接头经4×10 16 n/cm 22×1017 n/cm 21×10 18n/cm 2三个剂量的He+辐照后,其微观结构和表面形貌变化:

随着辐照剂量的增加,焊接接头位错环尺寸和密度也随之增大,并且在高剂量下发现了较大尺寸的层错四面体(SFT)和位错缠结结构。在4×10 16 n/cm 2剂量下,焊接接头表面形貌几乎无变化;2×10 17 n/cm 2剂量下,焊缝表面开始出现SFT和空位聚集形成的四面体孔洞和He-V团聚集形成的小尺寸浮凸;1×10 18 n/cm 2剂量下,焊缝表面出现了明显的剥落和密集的气泡,热影响区则无明显的气泡形成,但剥落区域尺寸较焊缝区更大。随着辐照剂量增大,氦浓度和空位缺陷也随之增大,氦泡的聚集与合并导致了表面的纳米尺寸浮凸向气泡的转变。热影响区的损坏程度低于焊缝区,是由于焊缝具有更高密度的晶界和亚晶界,促进了大尺寸氦泡的形核和聚集。

(3) 焊接热输入和辐照剂量对辐照硬化增量的影响规律和影响机制:

焊接热输入为2.5 KJ/cm的焊接接头经4×10 16 n/cm 22×1017 n/cm 21×10 18 n/cm 2三个不同剂量辐照后,其显微硬度随着辐照剂量的增大而增大。这是由于随着辐照剂量的增大,氦泡浓度和尺寸、位错环密度和尺寸也随之增大,对位错运动的阻碍作用增强,进而使得辐照硬化增量增大。

焊接热输入分别为3 KJ/cm2.5 KJ/cm2 KJ/cm的焊接接头经2×10 17 n/cm 2He+辐照后,其显微硬度的增量随着焊接热输入的减小而增大。引起这种现象的原因有三个,即热输入减小会导致焊缝晶粒尺寸减小、残余拉应力增大、晶界密度增大。晶粒尺寸越小,辐照后的样品发生塑性变形时形成的位错通道密度越高,则位错运动过程中更易于形成位错缠结,导致硬化增量增大。残余拉应力促进间隙原子聚集,使位错环尺寸和密度升高,导致硬化增量增大。高密度晶界促进氦泡的聚集,位错密度越高则大尺寸氦泡的密度越高,导致辐照硬化增量增大。

焊接热影响区的硬化增量低于焊缝区,是由于热影响区晶粒粗大以及残余应力低于焊缝区所致。此外,焊缝的高密度晶界及亚晶界能促进大尺寸的氦泡的形核和长大,对位错运动阻碍作用增强,也会导致焊缝区硬化增量高于热影响区。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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