L360MS管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展研究

论文摘要

双金属复合管作为异种金属连接在油气管道方面的典型应用,由于其优异的综合性能和廉价的成本,近年来发展迅速。但异种金属焊接接头由于母材与焊缝之间物化性能差异较大,不可避免的在接头处产生应力集中进而促使裂纹的萌生和扩展。因而,了解异种金属焊接接头的组织性能变化和断裂行为,对油气管线的安全评估以及安全运行具有十分重要的意义。本文针对以lnconel625焊丝为填充材料的L360MS管线钢焊接接头,就其微观组织、力学性能以及疲劳扩展行为等展开研究,所得主要结论如下:（1）采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）观察分析了焊接接头各区域的组织结构、成分变化。结果表明,L360MS管线钢焊接接头各区域微观组织呈现不均匀性。母材为带状的珠光体和铁素体;焊缝包括柱状奥氏体和等轴奥氏体。在邻近熔合线的位置还发现了 TypeⅠ边界和Type Ⅱ边界;热影响区（HAZ）包括粗大的铁素体、珠光体与板条马氏体组成的粗晶区,和均匀细小的铁素体、珠光体组成的细晶区。母材与焊缝界面存在明显的元素浓度梯度,且在Type Ⅱ边界上存在另一个显著的元素浓度变化:Fe和Cr的含量略有降低,Mo、Nb、S的含量突增,表明Type Ⅱ边界具有较低的耐腐蚀性能。（2）利用显微硬度仪、万能拉伸试验机测试了焊接接头的力学性能。结果表明,焊接接头的硬度分布不均匀性明显,L360MS母材的的硬度大约在170～185HV,焊缝的硬度大约在220～250HV。焊缝与母材的界面处出现了硬度跳跃的区域,焊接接头硬度的最高值出现在邻近熔合线焊缝的富碳区,最低值出现在HAZ的高温回火区。L360MS管线钢焊接接头的平均屈服强度和平均抗拉强度分别为463MPa和557MPa,拉伸试样的断裂位置均位于母材上,焊接接头呈现高强匹配状态。（3）利用疲劳试验系统针对焊接接头的各区域母材、HAZ和焊缝,分别采取CT试样进行疲劳裂纹扩展试验,并拟合出了各区域试样的a-N曲线以及各区域的疲劳裂纹稳定扩展阶段的速率方程,并求得各区域的材料常数C和n值。根据各组试样所获得的疲劳裂纹扩展速率方程粗略估计了焊接接头各区域的剩余疲劳寿命,分别为:母材15.4年;热影响区10年;焊缝214.8年。结果表明HAZ是L360MS管线钢焊接接头疲劳性能最为薄弱的区域。（4）采用OM和SEM对母材、焊缝和HAZ的疲劳裂纹扩展路径进行观察分析。结果表明,L360MS管线钢母材中的疲劳裂纹主要以沿晶和穿晶方式进行扩展。焊缝中疲劳裂纹扩展路径由于等轴奥氏体和多层焊道对裂纹扩展具有较大的阻碍作用而相对曲折。针对裂纹扩展速率略低于母材的HAZ试样,观察结果表明疲劳裂纹在HAZ的细晶区扩展;针对裂纹跨过焊缝熔合线扩展的HAZ试样,采用电子背散射衍射（EBSD）技术对裂纹周围的相分布、晶粒取向差、局部取向差、晶粒尺寸等晶体学信息进行扫描分析。结果表明,该疲劳裂纹沿着焊缝中高角度的Type Ⅱ边界和Type Ⅰ边界曲折扩展进入HAZ。（5）利用SEM对焊接接头各区域试样试验后的疲劳断口进行了观察分析。结果表明,母材和HAZ试样的疲劳断口形貌非常相似,都包含大量的疲劳台阶和二次裂纹,均未见疲劳条带。对于焊缝试样的断口,裂纹初期具有河流、撕裂棱等类解离特征;裂纹稳定扩展阶段出现大量疲劳条带;进入快速扩展区时,同时遵循着滑移机制和韧窝形成机制,失稳扩展阶段呈现单一的韧窝型韧性断裂特征。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 异种金属的焊接性

1.2.1 异种金属焊接性分析

1.2.2 双金属复合管焊接简介

1.3 异种金属国内外研究现状及发展趋势

1.3.1 异种金属焊接接头微观组织研究现状

1.3.2 金属材料断裂力学的基本理论

1.3.2.1 线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学

1.3.2.2 疲劳裂纹扩展

1.3.3 异种金属焊接接头断裂性能研究现状

1.4 本课题研究的主要内容

第2章试验材料与方法

2.1 L360MS管线钢焊接接头的制备

2.1.1 试验材料

2.1.2 焊接材料及工艺参数

2.2 组织形貌观察及成分分析

2.3 力学性能试验

2.3.1 维氏硬度试验

2.3.2 室温拉伸试验

2.4 疲劳裂纹扩展试验

2.4.1 疲劳试样制备

2.4.2 预制疲劳裂纹

2.4.3 疲劳裂纹扩展

2.4.4 疲劳裂纹扩展路径观察

2.4.5 疲劳断口形貌观察

第3章 L360MS管线钢焊接接头组织及其力学性能研究

3.1 L360MS管线钢焊接接头的微观组织研究

3.1.1 L360MS管线钢焊接接头的金相组织分析

3.1.2 L360MS管线钢焊接接头的成分分析

3.2 L360MS管线钢焊接接头的力学性能研究

3.2.1 L360MS管线钢焊接接头的显微硬度分布

3.2.2 L360MS管线钢焊接接头的拉伸性能

3.3 本章小结

第4章 L360MS管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率研究

4.1 疲劳裂纹扩展速率试验数据与分析

4.1.1 疲劳裂纹扩展速率试验数据记录

4.1.2 疲劳裂纹扩展速率试验数据处理及结果

4.1.3 含缺陷焊接接头疲劳寿命的预测

4.2 本章小结

第5章 L360MS管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展路径及其疲劳断口研究

5.1 L360MS管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展路径研究

5.1.1 母材和焊缝疲劳裂纹扩展路径的观察分析

5.1.2 热影响区疲劳裂纹扩展路径的观察分析

5.1.3 热影响区疲劳裂纹扩展路径的电子背散射衍射（EBSD）观察

5.1.3.1 衍射花样质量和相分布分析

5.1.3.2 晶粒取向差分析

5.1.3.3 重合位置点阵晶界分析

5.1.3.4 晶粒尺寸分析

5.1.3.5 局部取向差分析

5.1.3.6 再结晶分析

5.1.3.7 HAZ疲劳裂纹扩展机制探讨

5.2 L360MS管线钢焊接接头疲劳断口研究

5.2.1 疲劳断口的体视显微镜观察

5.2.2 疲劳断口的扫描电镜（SEM）观察

5.2.2.1 母材和HAZ的疲劳断口观察

5.2.2.2 焊缝的疲劳断口观察

5.3 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐颖超

导师: 王斌

关键词: 管线钢,异种金属焊接接头,微观组织,疲劳裂纹扩展

来源: 西南石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,金属学及金属工艺

单位: 西南石油大学

分类号: TG407;O346

DOI: 10.27420/d.cnki.gxsyc.2019.000179

总页数: 74

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