基于平面压入技术研究焊接接头单轴应力-应变关系

祁爽，向文欣，刘晓坤，蔡力勋，薛飞，王永刚，宁方卯，余伟炜，梅金娜

（1.西南交通大学，成都 610031；2.台山核电合营有限公司，广东 江门 529200；3.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215008）

异种金属焊接接头（Dissimilar metal weld joint，DMWJ）在核电站关键组件与结构中广泛存在，对其结构完整性进行分析时，接头母材（Base metal，BM）、异种金属焊缝（Dissimilar metal welds，DMW）、热影响区（Heat-affected zone，HAZ）的单轴拉伸力学性能是基本的输入参数。精确获得材料的弹性模量、应力-应变关系、屈服强度和抗拉强度等基础力学关系和性能，才能更准确地进行结构完整性分析。DMWJ的组织和力学性能不均匀，采用传统标准试样试验获取接头的局部力学性能十分困难。近30年来，小尺寸材料、小型零部件和核电与航空工程服役构件的材料力学性能试验需求逐渐增长，毫微测试与评价技术应运而生。从世界范围看，毫微评价技术大致分为3类：第1类采用小型化试样或将标准试样按比例缩小进行试验，但需要考虑尺寸或约束效应；第2类通过新型试验技术，通常利用厚度约0.5 mm的圆片作为试样进行试验，该技术以圆片弯曲试验技术以及发展演变过来的金属材料小冲杆试验技术为代表，但该技术下试样受外部因素影响较大，且从理论上难以建立试验结果与材料基础力学性能的联系；第3类通过材料局部压入技术，主要有球形压头压入（球压入）、锥形压头压入（锥压入）和圆柱形平头压入（平面压入）等，不仅应用于弹性模量和硬度的测试，而且在材料屈服强度和应变硬化指数等弹塑性参数的测试方面也有大量应用。随着研究的深入，有些学者发现通过球压入和锥压入获取材料力学性能的过程中存在敏感性和唯一性的问题，相对于球和锥等压头，在压入过程中平面压头下方的材料能迅速达到全塑性状态，在进一步压入过程中塑性区的尺寸接近恒值，2020年，Liu和Cai研究了圆柱形平头压入（平面压入）获取材料弹塑性参数的相关理论与试验方法，该方法可获得硬度、拉伸等力学性能参数。

文中针对压水反应堆机组蒸汽发生器（Steam generator, SG）一次侧接管安全端DMWJ，通过金相检验和显微硬度测试，研究DMWJ母材、热影响区、焊缝熔合线位置的金相组织和维氏硬度分布。采用等直圆棒（Straight round bar，SRB）拉伸试验获得SG接管及安全端母材的应力-应变关系，基于平面压入技术获取DMWJ低合金钢侧热影响区材料局部应力-应变关系。

1 试验条件

试验采用如图1所示的压水堆核电机组SG一次侧管嘴与安全端DMWJ试块，其内径为780 mm，厚度为97 mm，SG一次侧接管内表面为8 mm厚的308L/309L不锈钢堆焊层，一次侧接管和安全端的材料分别为20MND 5低合金钢和Z2 CND 18.12氮控奥氏体不锈钢，以INCONEL 52为焊料，采用全自动窄间隙钨极氩弧焊制备了DMWJ，焊缝的宽度为9.5~11 mm，图1为DMWJ焊缝结构示意图。

图1 蒸汽发生器接管安全端异种金属焊缝结构示意Fig.1 Diagram of dissimilar metal welded joint between the primary side nozzle of the steam generator and the safe-end

低合金钢20MND 5的化学成分（质量分数）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%。奥氏体不锈钢Z2 CND 18.12（控氮）的化学成分（质量分数）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的化学成分（质量分数）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%、余量为Ni。

用光学显微镜观察了图2中DMWJ从“A”到“G”典型位置材料的微观组织，由于低合金钢20MND 5、奥氏体不锈钢Z2 CND 18.12及焊缝材料INCONEL 52具有不同的物理腐蚀响应，20MND 5用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀，Z2 CND 18.12和焊缝INCONEL 52用王水腐蚀，观察DMWJ的金相组织。用显微硬度计测试DMWJ上的硬度分布，在图2所示的“L直线”上每隔0.4 mm测试一次，施加力为1000 g，作用时间为10 s。

图2 显微硬度测试和微观组织观察位置示意Fig.2 Diagram of positions for testing micro-hardness and observing microstructures

图3 为SG接管母材20MND 5的等直圆棒拉伸试样的尺寸，其等直段直径和长度分别为6 mm和30 mm，共2个试样。等直圆棒试样单轴拉伸试验设备为MTS Landmark 370.50（500 kN）电液伺服材料试验机，控制系统为TestStar Ⅱ。采用标距为20 mm、量程为-10%~20%的应变引伸计MTS634.31F-21测量RBST标距段的应变，试验设备精度为0.5，试验过程中采用位移控制。

图3 等直圆棒拉伸试样的构型尺寸Fig.3 Dimensions of straight round bar tensile-specimens

平面压入试验设备为多功能高精密MMTI型压入仪，压入仪载荷传感器测量范围1 kN，载荷与位移传感器精度均为0.5%。平面压头采用0.3 mm直径的碳化钨平面压头，从低合金侧母材、热影响区到焊缝，试验相邻压点之间的距离为1.5 mm，试验加载速率为2 μm/s，压入过程中采用位移控制。

2 理论公式

对于多数延性金属材料，其应力-应变关系符合分段线弹性与幂律的Hollomon律：

式中：为材料弹性模量（20MND5材料取204 GPa，INCONEL 52材料取219 GPa）；为应变强化指数；为应力强化系数；为等效应力；为等效应变；为等效塑性应变；σ为屈服应力。

式中：(x，y，z)为变形域Ω内应变能密度中值点；为受载构元的有效变形体积。

文献[20]提出的平面压入模型，假定有效变形体积和能量密度中值点的材料RVE等效应变与压入位移之间关系符合幂律：

式中：、、、分别为与有效变形体积相关的位移系数和位移指数；和分别为与中值点等效应变相关的位移系数和位移指数；—均为无量纲常数。

由式(2)和式(3)可得到平面压入的能量控制方程：

式中：为特征压入功。平面压入试验时采集得到载荷、位移，通过式(4)对能量-位移曲线使用最小二乘法拟合获得材料H律参数和。

3 结果与讨论

3.1 DMWJ的金相检验

DMWJ的金相组织结果如图4所示。母材低合金钢20MND 5和奥氏体不锈钢Z2 CND 18.12、焊缝位置以及焊缝熔合线附近母材的微观组织见图4c—4g。20MND 5材料内部含有大量的回火贝氏体组织，如图4c所示。Z2 CND 18.12材料内则含有大量的孪晶奥氏体晶粒，如图4g所示。图4e为焊缝INCONEL 52材料内为铸态枝晶组织。图4a和图4d为20MND 5/INCONEL 52界面区域的微观组织，近界面20MND 5侧热影响区为贝氏体组织。图4f为INCONEL 52/ Z2 CND 18.12界面区域的微观组织，近界面INCONEL 52侧材料微观组织主要为铸态枝晶组织。

图4 对应图2“A”到“G”处的微观组织Fig.4 Micro-structure of the DMWJ corresponding to positions “A”-“G” in Fig.2

3.2 DMWJ的显微硬度测试

图5 为DMWJ沿蒸汽发生器接管到安全端方向的显微维氏硬度分布。母材20MND 5和Z2 CND 18.12的硬度值分别为179HV~201HV和176HV~204HV。在焊缝熔合线附近硬度变化较大，尤其在20MND 5/INCONEL 52熔合线附近的热影响区硬度变化显著。在20MND 5侧热影响区因贝氏体组织存在，使距熔合线1.2 mm范围内存在一个局部高硬度区。在距焊缝熔合线1.5~2.8 mm范围内的20MND 5热影响区在焊接过程中局部温度迅速降低，致使局部材料内部贝氏体向回火贝氏体转变，其硬度波动范围较大。硬度在距离熔合线3~7.6 mm区域内为200HV，基本没有变化。在20MND 5/INCONEL 52熔合线到距离熔合线0.4 mm的位置，硬度值由230HV降低到183HV（INCONEL 52的硬度水平），这和焊缝熔合线附近材料的化学成分及微观组织有关。

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

3.3 平面压入试验

通过平面压入试验，20MND 5母材3次的压入载荷-位移曲线见图6，进一步获取能量-位移曲线，结合式(4)获取材料的H律参数，进而得到单轴拉伸应力-应变关系，如图7所示，与标准等直圆棒单轴拉伸试验获得的20MND 5母材单轴拉伸应力-应变关系曲线进行比对，发现2种方法得到的试验结果较为吻合，故基于能量等效理论的平面压入技术可精确测量材料单轴拉伸力学性能。表1为平面压入试验获得的DMWJ20MND 5母材、热影响区和焊缝3个位置共21个测点处H律参数结果。

图6 20MND 5母材压入载荷-位移曲线Fig.6 The P-h relations of 20MND 5 for flat indentation

图7 20MND 5单轴应力-应变关系曲线Fig.7 Uniaxial tension stress-strain curves of 20MND 5

表1 DMWJ局部力学性能参数Tab.1 Local mechanical properties of DMWJ

4 结论

对压水堆核电机组SG接管安全端DMWJ进行研究，通过金相检验和显微硬度测试研究DMWJ母材、热影响区、焊缝融合线位置的金相组织和维氏硬度分布，采用等直圆棒拉伸试验获得DMWJ低合金钢（20MND 5）母材应力-应变关系，采用基于能量等效理论的平面压入技术获得DMWJ低合金钢母材、热影响区局部应力-应变关系，得到以下结论。

1）针对压水堆核电机组SG接管与安全端DMWJ，通过金相检验和显微硬度测试可知，低合金钢母材、热影响区、焊缝和不锈钢母材组织较为复杂，且硬度分布不均匀。

2）针对压水堆核电机组SG接管与安全端DMWJ，采用等直圆棒拉伸试样获得SG接管材料20MND5的单轴拉伸应力-应变关系，基于平面压入技术获取低合金钢母材拉伸力学性能，2种方法测量结果较为吻合，从而验证了平面压入技术的精确性。

3）首次将平面压入技术成功应用于压水堆核电机组DMWJ的单轴拉伸力学性能测量，获得了SG接管安全端DMWJ局部材料应力-应变关系，为后续在役核电设备上焊接接头的单轴拉伸力学性能获取提供了新的方法和途径。