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摘 要

在电厂，石化企业中，异种钢焊接接头运用广泛，但是由于材料的不同，接头在长期高温服役下容易发生碳迁移现象导致疲劳断裂，不仅带来经济上的损失还可能会造成重大生产事故。本文研究异质接头在发生碳迁移后微观组织的机械性能变化。

我们选取Cr5Mo/A302焊接接头，观察其微观下组织形态特点，并在接头的四个典型区域：增碳层、A302母材、Cr5Mo母材和脱碳层进行纳米压痕试验，对得到数据进行拟合计算出每个区域真实的纳米硬度和弹性模量，分析最后的屈服强度大小。

从微观视角和数据结果来看，异质接头在发生碳迁移现象后，增碳层的屈服强度最高，脱碳层的屈服强度最低，脱碳层是焊接接头中机械性能最差的位置，是需要重视的部位。

关键词：异质接头 Cr5Mo钢 碳迁移 纳米压痕 机械性能

Study on the effect of carbon diffusion on mechanical properties of heterogeneous welded joints in micro area

ABSTRACT

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In power plant, petrochemical enterprise, the dissimilar steel welding joint widely used, but because of the different materials, joint under the long-term high temperature service are prone to carbon migration phenomenon cause fatigue fracture, not only bring economic losses could cause major production accidents. In this paper, the mechanical properties of microstructures of heterogeneous joints after carbon migration are studied.

We select Cr5Mo/A302 welding joint, observe its characteristics under microscopic organization form, and in four typical areas of the joint, increases the carbon layer, A302 parent metal, Cr5Mo decarburization layer for material and nano indentation test, to get data fitting to calculate each region real nano hardness and elastic modulus, analysis of the final yield strength size.

From microcosmic perspective and data results, in the event of heterogenic joint carbon migration phenomenon after carburization layer has the highest yield strength, yield strength of the decarburization layer, the decarburization layer is the location of the mechanical properties of the worst in the welded joint, is the need to pay attention to the body.

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Key word: Heterogenic joint; Cr5Mo steel; Carbon migration; Mechanical behavior

目 录

摘要 1

ABSTRACT 2

第一章 课题研究目的和研究内容 5

1.1引言 5

1.2异质焊接接头碳扩散 5

1.2.1 异质焊接接头 5

1.2.2 异质焊接接头碳扩散过程 5

1.2.3 异质焊接接头碳扩散对微区性能影响 6

1.3异质焊接接头微观性能研究现状 6

1.3.1 熔合线附近的微观组织分析 6

1.3.2 碳扩散发生位置与微观组织的关系 7

1.3.3 异质焊接接头碳扩散研究现状 7

1.4异质焊接接头微区力学性能研究现状与发展 8

1.4.1 硬度 8

1.4.2 应力 8

1.4.3 蠕变疲劳性能 9

1.5本文研究的思路和主要内容 9

第二章 异质焊接接头熔合线附近硬度及微观组织演化分析 10

2.1 引言 10

2.2 Cr5Mo钢异质焊接接头时效实验研究 10

2.2.1 实验材料 10

2.2.2 实验设备 11

2.2.3 试样制备及其实验参数 12

2.3熔合线附近金相组织分析 12

2.3.1 熔合线 12

2.3.2 热影响区 12

2.3.3 母材组织 14

2.3.4 碳迁移 14

第三章 Cr5Mo钢异质焊接接头纳米压痕实验 16

3.1引言 16

3.2实验内容和方法 17

3.2.1 纳米硬度和弹性模量 18

3.2.2 屈服硬度和硬化指数 21

3.3 本章小结 22

第四章 总结与展望 24

4.1本文工作总结 24

4.2经济性评估 24

4.3展望 24

参考文献 25

致谢 28

第一章 课题研究目的和研究内容

1.1引言

随着我国经济的发展，建设现代化工业的需要，对用于建设和生产的工程材料的指标是越来越高，而综合性能比较好的金属材料通常价格高昂而且资源稀缺，因此人们将目光放在异种钢结构上，但在异种钢焊接接头中又发现会出现碳迁移现象导致接头产生质量问题。

在异种钢焊接接头中，在其靠近焊缝一侧形成增碳层，在靠近母材一侧形成脱碳层，脱碳层由于硬度较低，导致接头容易发生疲劳断裂，在工业生产中会出现安全隐患^【1】。因此，异种钢焊接接头碳迁移现象的研究引起了人们广泛的重视。该项研究可以突破发展焊接性优秀的新钢种，对提升异种钢焊接接头的综合性能指明方向。

1.2异质焊接接头碳扩散

1.2.1 异质焊接接头

异种钢焊接就是通过焊接的方法简单、快捷地把不同材质的两种或多种金属材料连接在一起^【2】。异种钢焊接接头和同种钢焊接接头有着本质区别，同种钢焊接接头中组织成分相同而异种钢焊接接头组织不同相应的化学成分也不尽相同^【3】，在异种钢焊接接头中也就更容易发生碳迁移现象。

1.2.2 异质焊接接头碳扩散过程

异种钢焊接接头中推动碳迁移的原因除了母材和焊缝间碳含量的不同，其实主要是由于碳元素在焊接接头中的活度不同，碳元素的化学势差引发碳元素上坡扩散。潘春旭等人的最新报告中^【4】：高温下，α-Fe中碳的扩散能力远大于γ-Fe中的扩散能力，而且碳化元素也会与碳元素形成沉淀，这些都影响了碳活度。碳的活度梯度越大，产生碳迁移的现象就越严重，一般来说，母材中的碳活度若是比焊缝要高，碳从母材向焊缝迁移的现象就越严重。在奥氏体焊缝中，一些碳化元素如Cr，Mo，V，Nb，Ti，与扩散来的碳元素形成碳化物沉淀，沉淀下来的碳元素活度降低，但是焊缝一侧碳元素浓度却得到提升。虽然母材中碳的浓度会越来越低，但是由于碳原子的强扩散能力，会不停地与焊缝中的碳化元素结合并沉积，所以碳迁移并不是由于浓度差引起，往往具有上坡性质^【5】。相反，非碳化元素如Al，Si，Ni可以抑制碳在焊缝中的沉淀起到增大碳活度的效果^【6】。简单的来说，焊缝中若铬元素较高，则会抑制碳的活度，从而焊缝的碳活度低于母材，形成动力，碳元素由母材向焊缝迁移，熔合线靠母材的地方形成脱碳层，熔合线靠焊缝的地方形成增碳层。相反，焊缝中镍等元素较高的话可以有效抑制碳向焊缝的迁移。

异种钢焊接接头在被时效作用后，无论经历的是高温还是低温，时间长还是时间短，只要受到温度和时间的双重影响，熔合线两侧就会发生碳迁移^【7】。

1.2.3 异质焊接接头碳扩散对微区性能影响

异种钢焊接接头的熔合区附近在高温下失效的情况屡见不鲜，引起世界的关注。碳越过熔合线形成碳化物和熔合线两侧焊缝与母材的热膨胀系数不一样而产生的热应力被认为是破坏焊接接头稳定的重要因素。碳迁移后产生脱碳层和增碳层，脱碳层发生在母材一侧强度降低抗蠕变能力降低，增碳层发生在焊缝一侧，以弥散分布的碳化物沉积在奥氏体晶内，对焊缝的冲击韧性没有太大影响^【8】，但提高硬度引起熔合区附近性能产生显著变化，体现在焊接接头中拘束应力的产生^【9】，容易发生接头断裂。

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