祁爽，向文欣，劉曉坤，蔡力勛，薛飛，王永剛，寧方卯，余偉煒，梅金娜

（1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，廣東 江門 529200；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215008）

異種金屬焊接接頭（Dissimilar metal weld joint，DMWJ）在核電站關(guān)鍵組件與結(jié)構(gòu)中廣泛存在，對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行分析時(shí)，接頭母材（Base metal，BM）、異種金屬焊縫（Dissimilar metal welds，DMW）、熱影響區(qū)（Heat-affected zone，HAZ）的單軸拉伸力學(xué)性能是基本的輸入?yún)?shù)。精確獲得材料的彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等基礎(chǔ)力學(xué)關(guān)系和性能，才能更準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析。DMWJ的組織和力學(xué)性能不均勻，采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)獲取接頭的局部力學(xué)性能十分困難。近30年來，小尺寸材料、小型零部件和核電與航空工程服役構(gòu)件的材料力學(xué)性能試驗(yàn)需求逐漸增長(zhǎng)，毫微測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從世界范圍看，毫微評(píng)價(jià)技術(shù)大致分為3類：第1類采用小型化試樣或?qū)?biāo)準(zhǔn)試樣按比例縮小進(jìn)行試驗(yàn)，但需要考慮尺寸或約束效應(yīng)；第2類通過新型試驗(yàn)技術(shù)，通常利用厚度約0.5 mm的圓片作為試樣進(jìn)行試驗(yàn)，該技術(shù)以圓片彎曲試驗(yàn)技術(shù)以及發(fā)展演變過來的金屬材料小沖桿試驗(yàn)技術(shù)為代表，但該技術(shù)下試樣受外部因素影響較大，且從理論上難以建立試驗(yàn)結(jié)果與材料基礎(chǔ)力學(xué)性能的聯(lián)系；第3類通過材料局部壓入技術(shù)，主要有球形壓頭壓入（球壓入）、錐形壓頭壓入（錐壓入）和圓柱形平頭壓入（平面壓入）等，不僅應(yīng)用于彈性模量和硬度的測(cè)試，而且在材料屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)等彈塑性參數(shù)的測(cè)試方面也有大量應(yīng)用。隨著研究的深入，有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過球壓入和錐壓入獲取材料力學(xué)性能的過程中存在敏感性和唯一性的問題，相對(duì)于球和錐等壓頭，在壓入過程中平面壓頭下方的材料能迅速達(dá)到全塑性狀態(tài)，在進(jìn)一步壓入過程中塑性區(qū)的尺寸接近恒值，2020年，Liu和Cai研究了圓柱形平頭壓入（平面壓入）獲取材料彈塑性參數(shù)的相關(guān)理論與試驗(yàn)方法，該方法可獲得硬度、拉伸等力學(xué)性能參數(shù)。

文中針對(duì)壓水反應(yīng)堆機(jī)組蒸汽發(fā)生器（Steam generator, SG）一次側(cè)接管安全端DMWJ，通過金相檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試，研究DMWJ母材、熱影響區(qū)、焊縫熔合線位置的金相組織和維氏硬度分布。采用等直圓棒（Straight round bar，SRB）拉伸試驗(yàn)獲得SG接管及安全端母材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，基于平面壓入技術(shù)獲取DMWJ低合金鋼側(cè)熱影響區(qū)材料局部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用如圖1所示的壓水堆核電機(jī)組SG一次側(cè)管嘴與安全端DMWJ試塊，其內(nèi)徑為780 mm，厚度為97 mm，SG一次側(cè)接管內(nèi)表面為8 mm厚的308L/309L不銹鋼堆焊層，一次側(cè)接管和安全端的材料分別為20MND 5低合金鋼和Z2 CND 18.12氮控奧氏體不銹鋼，以INCONEL 52為焊料，采用全自動(dòng)窄間隙鎢極氬弧焊制備了DMWJ，焊縫的寬度為9.5~11 mm，圖1為DMWJ焊縫結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 蒸汽發(fā)生器接管安全端異種金屬焊縫結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of dissimilar metal welded joint between the primary side nozzle of the steam generator and the safe-end

低合金鋼20MND 5的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：C 0.150%、Si 0.260%、Mn 1.290%、Mo 0.490%、Ni 0.720%、Cr 0.026%、V <0.010%、P <0.010%、S <0.010%、Cu 0.092%。奧氏體不銹鋼Z2 CND 18.12（控氮）的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：C 0.030%、Si 0.59%、Mn 1.830%、Mo 2.48%、Ni 12.46%、Cr 17.74%、P 0.023%、S <0.010%、Cu 0.050%。INCONEL 52的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：C 0.050%、Si 0.200%、Mn 0.440%、Mo 0.35%、Fe 20.30%、Ti 0.520%、Cr 26.07%、P 0.010%、S <0.010%、Cu 0.017%、Al 0.630%、余量為Ni。

用光學(xué)顯微鏡觀察了圖2中DMWJ從“A”到“G”典型位置材料的微觀組織，由于低合金鋼20MND 5、奧氏體不銹鋼Z2 CND 18.12及焊縫材料INCONEL 52具有不同的物理腐蝕響應(yīng)，20MND 5用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，Z2 CND 18.12和焊縫INCONEL 52用王水腐蝕，觀察DMWJ的金相組織。用顯微硬度計(jì)測(cè)試DMWJ上的硬度分布，在圖2所示的“L直線”上每隔0.4 mm測(cè)試一次，施加力為1000 g，作用時(shí)間為10 s。

圖2 顯微硬度測(cè)試和微觀組織觀察位置示意Fig.2 Diagram of positions for testing micro-hardness and observing microstructures

圖3 為SG接管母材20MND 5的等直圓棒拉伸試樣的尺寸，其等直段直徑和長(zhǎng)度分別為6 mm和30 mm，共2個(gè)試樣。等直圓棒試樣單軸拉伸試驗(yàn)設(shè)備為MTS Landmark 370.50（500 kN）電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，控制系統(tǒng)為TestStar Ⅱ。采用標(biāo)距為20 mm、量程為-10%~20%的應(yīng)變引伸計(jì)MTS634.31F-21測(cè)量RBST標(biāo)距段的應(yīng)變，試驗(yàn)設(shè)備精度為0.5，試驗(yàn)過程中采用位移控制。

圖3 等直圓棒拉伸試樣的構(gòu)型尺寸Fig.3 Dimensions of straight round bar tensile-specimens

平面壓入試驗(yàn)設(shè)備為多功能高精密MMTI型壓入儀，壓入儀載荷傳感器測(cè)量范圍1 kN，載荷與位移傳感器精度均為0.5%。平面壓頭采用0.3 mm直徑的碳化鎢平面壓頭，從低合金側(cè)母材、熱影響區(qū)到焊縫，試驗(yàn)相鄰壓點(diǎn)之間的距離為1.5 mm，試驗(yàn)加載速率為2 μm/s，壓入過程中采用位移控制。

2 理論公式

對(duì)于多數(shù)延性金屬材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合分段線彈性與冪律的Hollomon律：

式中：為材料彈性模量（20MND5材料取204 GPa，INCONEL 52材料取219 GPa）；為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)；為應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)；為等效應(yīng)力；為等效應(yīng)變；為等效塑性應(yīng)變；σ為屈服應(yīng)力。

式中：(x，y，z)為變形域Ω內(nèi)應(yīng)變能密度中值點(diǎn)；為受載構(gòu)元的有效變形體積。

文獻(xiàn)[20]提出的平面壓入模型，假定有效變形體積和能量密度中值點(diǎn)的材料RVE等效應(yīng)變與壓入位移之間關(guān)系符合冪律：

式中：、、、分別為與有效變形體積相關(guān)的位移系數(shù)和位移指數(shù)；和分別為與中值點(diǎn)等效應(yīng)變相關(guān)的位移系數(shù)和位移指數(shù)；—均為無(wú)量綱常數(shù)。

由式(2)和式(3)可得到平面壓入的能量控制方程：

式中：為特征壓入功。平面壓入試驗(yàn)時(shí)采集得到載荷、位移，通過式(4)對(duì)能量-位移曲線使用最小二乘法擬合獲得材料H律參數(shù)和。

3 結(jié)果與討論

3.1 DMWJ的金相檢驗(yàn)

DMWJ的金相組織結(jié)果如圖4所示。母材低合金鋼20MND 5和奧氏體不銹鋼Z2 CND 18.12、焊縫位置以及焊縫熔合線附近母材的微觀組織見圖4c—4g。20MND 5材料內(nèi)部含有大量的回火貝氏體組織，如圖4c所示。Z2 CND 18.12材料內(nèi)則含有大量的孿晶奧氏體晶粒，如圖4g所示。圖4e為焊縫INCONEL 52材料內(nèi)為鑄態(tài)枝晶組織。圖4a和圖4d為20MND 5/INCONEL 52界面區(qū)域的微觀組織，近界面20MND 5側(cè)熱影響區(qū)為貝氏體組織。圖4f為INCONEL 52/ Z2 CND 18.12界面區(qū)域的微觀組織，近界面INCONEL 52側(cè)材料微觀組織主要為鑄態(tài)枝晶組織。

圖4 對(duì)應(yīng)圖2“A”到“G”處的微觀組織Fig.4 Micro-structure of the DMWJ corresponding to positions “A”-“G” in Fig.2

3.2 DMWJ的顯微硬度測(cè)試

圖5 為DMWJ沿蒸汽發(fā)生器接管到安全端方向的顯微維氏硬度分布。母材20MND 5和Z2 CND 18.12的硬度值分別為179HV~201HV和176HV~204HV。在焊縫熔合線附近硬度變化較大，尤其在20MND 5/INCONEL 52熔合線附近的熱影響區(qū)硬度變化顯著。在20MND 5側(cè)熱影響區(qū)因貝氏體組織存在，使距熔合線1.2 mm范圍內(nèi)存在一個(gè)局部高硬度區(qū)。在距焊縫熔合線1.5~2.8 mm范圍內(nèi)的20MND 5熱影響區(qū)在焊接過程中局部溫度迅速降低，致使局部材料內(nèi)部貝氏體向回火貝氏體轉(zhuǎn)變，其硬度波動(dòng)范圍較大。硬度在距離熔合線3~7.6 mm區(qū)域內(nèi)為200HV，基本沒有變化。在20MND 5/INCONEL 52熔合線到距離熔合線0.4 mm的位置，硬度值由230HV降低到183HV（INCONEL 52的硬度水平），這和焊縫熔合線附近材料的化學(xué)成分及微觀組織有關(guān)。

圖5 DMWJ的硬度分布Fig.5 Hardness distribution across the DMWJ

3.3 平面壓入試驗(yàn)

通過平面壓入試驗(yàn)，20MND 5母材3次的壓入載荷-位移曲線見圖6，進(jìn)一步獲取能量-位移曲線，結(jié)合式(4)獲取材料的H律參數(shù)，進(jìn)而得到單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如圖7所示，與標(biāo)準(zhǔn)等直圓棒單軸拉伸試驗(yàn)獲得的20MND 5母材單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)2種方法得到的試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，故基于能量等效理論的平面壓入技術(shù)可精確測(cè)量材料單軸拉伸力學(xué)性能。表1為平面壓入試驗(yàn)獲得的DMWJ20MND 5母材、熱影響區(qū)和焊縫3個(gè)位置共21個(gè)測(cè)點(diǎn)處H律參數(shù)結(jié)果。

圖6 20MND 5母材壓入載荷-位移曲線Fig.6 The P-h relations of 20MND 5 for flat indentation

圖7 20MND 5單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Uniaxial tension stress-strain curves of 20MND 5

表1 DMWJ局部力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Local mechanical properties of DMWJ

4 結(jié)論

對(duì)壓水堆核電機(jī)組SG接管安全端DMWJ進(jìn)行研究，通過金相檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試研究DMWJ母材、熱影響區(qū)、焊縫融合線位置的金相組織和維氏硬度分布，采用等直圓棒拉伸試驗(yàn)獲得DMWJ低合金鋼（20MND 5）母材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，采用基于能量等效理論的平面壓入技術(shù)獲得DMWJ低合金鋼母材、熱影響區(qū)局部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到以下結(jié)論。

1）針對(duì)壓水堆核電機(jī)組SG接管與安全端DMWJ，通過金相檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試可知，低合金鋼母材、熱影響區(qū)、焊縫和不銹鋼母材組織較為復(fù)雜，且硬度分布不均勻。

2）針對(duì)壓水堆核電機(jī)組SG接管與安全端DMWJ，采用等直圓棒拉伸試樣獲得SG接管材料20MND5的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，基于平面壓入技術(shù)獲取低合金鋼母材拉伸力學(xué)性能，2種方法測(cè)量結(jié)果較為吻合，從而驗(yàn)證了平面壓入技術(shù)的精確性。

3）首次將平面壓入技術(shù)成功應(yīng)用于壓水堆核電機(jī)組DMWJ的單軸拉伸力學(xué)性能測(cè)量，獲得了SG接管安全端DMWJ局部材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，為后續(xù)在役核電設(shè)備上焊接接頭的單軸拉伸力學(xué)性能獲取提供了新的方法和途徑。