背景简介

P91铁素体/马氏体钢由于具有高蠕变强度、低热膨胀系数和良好的可焊性等优异性能，可用于高温下承受交变载荷的多种结构部件。高导热系数和低应力腐蚀开裂倾向使P91钢成为核电厂蒸汽发生器压力管/管板的重要候选材料。熔焊过程中的高热量输入显著地改变了P91钢的显微组织，P91钢焊接件的热影响区（HAZ）由于在焊接过程中暴露于变化的温度而发生显著的显微组织变化，这导致在热影响区形成微观结构薄弱区域，如粗晶热影响区（CGHAZ），细晶热影响区（FGHAZ）和亚临界热影响区（ICHAZ），这被证明往往是首选的断裂部位。本文的工作旨在澄清P91钢焊接结构在蠕变疲劳载荷条件下的响应行为，进而阐明蠕变疲劳对实际焊件整体性能的影响。

成果介绍

（1）图1（a）所示CGHAZ的断口图表明，断裂表面被氧化层广泛覆盖，在很大程度上掩盖了疲劳条纹，在低周疲劳循环下可以更清楚地看到疲劳条纹。所有显微组织均显示多裂纹萌生和随后的混合裂纹扩展模式，即，裂纹穿过晶粒（穿晶）和沿着晶粒边界（沿晶）扩展。FGHAZ和ICHAZ的次表面的暗带状条带分别见图1（b）和（c），CGHAZ区域没有发现这种可辨别的暗带。（图1）

图1 在蠕变疲劳条件下的断口形貌（a）CGHAZ，（b）FGHAZ，（c）ICHAZ中EDS射线Fe、Cr、O和Si的面分布结果

（2）使用EBSD图对疲劳失效的裂纹扩展路径的分析在图2中给出，根据相邻晶粒之间的局部取向差，小角度边界以红色标记，大角度边界以黑色标记。观察发现裂纹沿着亚结构边界而不是沿着原奥氏体晶界扩展。裂纹前沿有大量的低角度晶界，这通常伴随着高的KAM值。大量的几何必须位错，主要存在亚晶界处。这证实了回火马氏体显微组织中的变形是不均匀的，并且其特征在于不同应变和位错密度的区域。

图2 粗晶热影响区裂纹扩展细节（a）晶粒取向图，（b）大小角度晶界图，（c）KAM图

（3）阈值1°用于区分晶粒平均取向差（GAM），以定量区分回复和再结晶晶粒。在HAZ中，FGHAZ表现出最大程度的再结晶（64%），其次是ICHAZ（44%）和CGHAZ（25%）。在CGHAZ（74%）中观察到最高的亚结构回复，随后是ICHAZ，其具有约56%的回复晶粒，并且FGHAZ表现出最低的回复分数（36%）。图3（e）还呈现了疲劳寿命与由于蠕变疲劳变形导致的回复和再结晶方面的微观结构变化之间的相关性。CGHAZ和ICHAZ区域表现出亚晶粗化增加和再结晶程度降低，而FGHAZ和母材表现出相反的行为。大量原奥氏体晶界的存在和蠕变变形有助于更广泛的再结晶抑制，从而导致在FGHAZ中形成更多的高角度晶界。虽然ICHAZ的疲劳寿命低于CGHAZ，但在前者条件下亚晶粗化程度较低。这是由于亚晶粗化只发生在新形成的回火马氏体区，在CGHAZ中观察到的边缘再结晶和高度回复的晶粒分数似乎与低原奥氏体晶界面积以及更大数量的板条边界的存在相关。

图3 在550 ℃的蠕变疲劳载荷下，（a）母材，模拟（b）CGHAZ，（c）FGHAZ，（d）ICHAZ中回复和再结晶显微组织比例的变化，以及（e）疲劳寿命随上述区域组织变化的规律

致谢

本研究工作致谢Arun Kumar Bhaduri博士。本文通讯作者：Mariappan K（Mechanical Metallurgy Division, Indira Gandhi Centre for Atomic Research, Kalpakkam, 603102, Tamil Nadu, India）。

本期小编：王康康（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）