魏俊朋 陳科言 朱振宇 黃彥彥 熊建坤 楊建平 郭洋

針對兩種馬氏體耐熱鋼焊接接頭（F92/Co3W2和Co3W2/Co3W2）在105～250 MPa和873～948 K條件下開展蠕變拉伸測試，利用Larson-Miller參數(shù)法外推不同溫度下焊接接頭服役100 000 h壽命對應的蠕變斷裂許用應力，研究其在不同蠕變條件下的空洞損傷規(guī)律. 隨著外加應力的降低，兩種焊件的斷裂位置、斷裂模式及斷裂機制均發(fā)生了轉變，從位于母材的穿晶塑性斷裂變?yōu)榧毦嵊绊憛^(qū)的沿晶脆性斷裂（即Ⅳ型斷裂）. 針對斷口區(qū)域的空洞損傷變化規(guī)律的研究表明：（1） 當斷裂模式由塑性斷裂轉變?yōu)榇嘈詳嗔褧r，斷口附近空洞會出現(xiàn)突變，塑性斷口空洞“個頭大數(shù)量少”而脆性斷口空洞“個頭小數(shù)量多”；（2） 在相同斷裂模式下，隨蠕變應力的減小，空洞按照“尺寸變大、數(shù)量密度增大及面積分數(shù)增大”的規(guī)律變化；（3） Ⅳ型斷口處空洞存在合并鏈接現(xiàn)象，其方向與應力方向垂直.

耐熱鋼焊件； Ⅳ型斷裂； 蠕變損傷； 空洞； Larson-Miller參數(shù)法

TK265 A 2024.015001

The cavity damage evolution of heat-resistant ?steel weldment under different creep conditions

WEI Jun-Peng ?1 ， CHEN Ke-Yan ?1 ， ZHU Zhen-Yu ?1 ， HUANG Yan-Yan ?1 ，

XIONG Jian-Kun ?2，3，4 ， YANG Jian-Ping ?2，3 ， GUO Yang ?2，3

（1. School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China；

2. Digitalization and Intelligent Manufacturing Department， Dongfang Turbine Co. Ltd， Deyang 618000， China；

3. State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment， ?Dongfang Turbine Co. Ltd， Deyang 618000， China；

4. School of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100845， China）

Creep testing was conducted on two types of welded joints made of martensitic heat-resistant steel （F92/Co3W2 and Co3W2/Co3W2） at temperatures ranging from 873 K to 948 K and stress levels ranging from 105 MPa to 250 MPa. The Larson-Miller parameter method was employed to extrapolate the allowable creep fracture stresses for a service life of 100 000 hours at various temperatures. Additionally， the cavity damage mechanisms under different creep conditions were investigated. As the applied stress decreases， the location， mode， and mechanism of fracture in both types of welds transition from transgranular plastic fracture in the base metal to intergranular brittle fracture in the fine grain heat-affected zone （termed type Ⅳ fracture）. It was observed that cavities undergo a sudden change when the fracture mode shifts from plastic to brittle fracture. Specifically， cavities associated with plastic rupture exhibit larger size but smaller number density， while cavities associated with brittle rupture show smaller size but greater number density. When the fracture mode remains the same， the cavities exhibit an increase in size， quantity， and area fraction as the stress decreases. Notably， a coalescence phenomenon was observed for cavities near the type Ⅳ fracture site， with the coalescence direction being perpendicular to the tensile direction.

Heat-resistant steel weldment; Type Ⅳ fracture; Creep damage; Cavities; Larson-Miller parameter method

1 引 言

因蠕變強度高、抗氧化性強、熱疲勞性能好及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點，鎳基高溫合金、奧氏體鋼和馬氏體鋼等合金被用于超超臨界機組及航空航天領域零部件生產中 ?［1-4］ . 91/92系列馬氏體耐熱鋼因其高性價比，被廣泛用于制造超超臨界機組中的過熱器、再熱器和使用溫度不高于893 K的主蒸汽管等部件 ?［5］ .10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB（簡稱Co ?3W2）為我國東方汽輪機有限公司基于91/92系鋼自主設計的使用溫度高于893 K的馬氏體耐熱鋼，其適用于制造超超臨界機組中的主蒸汽管道、再熱管及噴嘴葉片 ?［6，7］ . 在零部件制備生產中，需要采用焊接技術把同種或不同耐熱鋼材料連接起來. 眾所周知，耐熱鋼焊件在超超臨界機組服役過程中，會出現(xiàn)高溫蠕變，產生包括位錯回復、亞晶粒粗化、第二相粒子粗化以及蠕變空洞等一系列蠕變損傷. 這些蠕變損傷會使材料蠕變抗力降低，引起蠕變加速，使耐熱鋼零部件在服役時發(fā)生突然失效，進而導致災難性后果.

蠕變損傷是金屬構件在高溫服役過程中產生蠕變失效行為的內在原因，可分為外截面積損失、內截面積損失、材料組織劣化及環(huán)境損傷 ?［8］ . 一般來說，蠕變空洞損傷是空洞形核、生長和合并的綜合作用過程，是大多數(shù)工程構件的主要損傷形式. 當材料局部應力超過施加應力時，由于材料具有一定的延性，應力集中部位將發(fā)生塑性變形，最終因為析出相與基體的塑性應變差異較大而導致脫聚效應，產生蠕變空洞 ?［9］ . 黃橋生等人 ?［10］ 發(fā)現(xiàn) T/P92 鋼細晶區(qū)中碳化物顆粒的析出與粗化是促進蠕變空洞形核與長大的因素之一. Zhang等人 ?［11］ 發(fā)現(xiàn)10% Cr鋼中M ?23 C ?6 碳化物附近形成的粗Laves相，可作為蠕變空洞的形核點. 如果在較低的應力下經過的蠕變時間較長，析出相會更多地產生于晶界上，引起沿晶開裂，最終導致脆性斷裂 ?［12］ . 對此類條件下的焊接件而言，其斷裂位置經常發(fā)生在熱影響區(qū)的細晶區(qū)（Fine Grain Heat Affected Zone， FGHAZ）或臨界區(qū)（Inter-Critical Heat Affected Zone， IGHAZ） ?［13，14］ ，即Ⅳ型失效 ?［15］ . 有研究表明，斷裂模式轉變也受焊接接頭析出相及蠕變空洞的影響. Panait等 ?［16］ 報道了平均尺寸大于130 nm的Laves相可以將斷裂模式從韌性轉變?yōu)榇嘈? 類似地，Lee等人 ?［17］ 也報道了當Laves相尺寸在873 K超過127 nm，在923 K超過140 nm時，P92鋼的斷裂模式將由塑性斷裂轉變?yōu)榇嘈詳嗔? 總體而言，當焊件所受蠕變條件不同時，蠕變空洞的產生形式、分布和演變也將各異，導致出現(xiàn)不同的斷裂位置和斷裂機制.

鑒于上述原因，本文將針對耐熱鋼焊接件不同蠕變條件下空洞演化開展研究，揭示蠕變空洞損傷與斷裂機制間關系，為實際工程應用提供理論依據(jù)和安全指導. 本研究在105～250 MPa和873～948 K條件下，開展F92/Co3W2異材質焊接接頭和Co3W2/Co3W2同材質焊接接頭單軸高溫蠕變實驗，觀測蠕變斷裂試樣的斷口形貌、蠕變空洞、位錯與析出相等顯微結構，對不同蠕變條件下的焊件斷裂位置及機制、蠕變壽命、空洞損傷規(guī)律等開展分析研究，進而總結出超超臨界機組用耐熱鋼焊件“高溫服役環(huán)境、失效斷裂狀況及蠕變空洞特征”三者之間關聯(lián).

2 實驗過程

本文研究材料為F92和Co3W2馬氏體耐熱鋼，化學成分如表1所示. F92為保有原馬氏體取向的回火索氏體，Co3W2為帶有原始奧氏體晶界的板條馬氏體. 以F92為焊絲、80 vol.% Ar和20 vol.% CO ?2 為保護氣體，采用多層多道熔化極氣體保護焊制備F92/Co3W2異材質焊接接頭. 焊接時采用對接環(huán)縫、U形坡口，主要焊接參數(shù)為：電流220 A，電壓26～29 V，層間溫度493～573 K. 焊前預熱溫度為493 K，焊后在1003 K保溫12 h后空冷至室溫，以去除殘余應力、穩(wěn)定組織. 采用真空電子束焊制備Co3W2/Co3W2同材質焊接接頭. 焊前無需預熱，僅對板材進行退磁處理，要求剩磁小于2 Gs. 焊接時點焊固定，對接I型坡口. 焊后進行1003 K、8 h去應力熱處理，后空冷至室溫.

對焊接接頭進行射線檢查，并從無缺陷焊縫上取蠕變試樣.以焊縫為中心位置，加工直徑為10 mm、標距為100 mm的圓柱拉伸試樣棒（GB/T 2039-2012）. 采用杠桿蠕變機（CRIMS RD2-3）在大氣環(huán)境下進行單軸高溫拉伸蠕變實驗，高溫引伸計記錄標距變化值以獲得穩(wěn)態(tài)蠕變速率及伸長率. 測量實驗前后試樣的橫截面積以獲得斷面收縮率，并記錄蠕變試樣的斷裂壽命. 本研究涉及14個蠕變試樣（圖1），8個F92/Co3W2焊接接頭：實驗溫度873 K時對應200、190、180、160和150 MPa五種應力，溫度為893 K時對應140、120和115 MPa三種應力；6個Co3W2/Co3W2焊接接頭：溫度898 K時應力250和195 MPa，溫度898 K時應力180、165和150 MPa，溫度898 K時應力105 MPa. 采用光學顯微鏡（Optical Microscope， OM）對蠕變試樣斷口附近空洞進行觀察，采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope， SEM）對試樣斷口形貌進行觀察，采用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy， TEM）對斷口附近位錯、析出相和晶粒進行觀察，并測定析出相的能譜（Energy Disperse Spectroscopy， EDS）圖以對析出相進行分析.

3 結果與討論

3.1 蠕變斷裂模式

圖1展示了蠕變實驗完成后的14個斷裂焊接接頭，圖1a～1h即1 ?# ～8 ?# 試樣為F92/Co3W2焊件，圖1i～1n即9 ?# ～14 ?# 樣為Co3W2/Co3W2焊件，蠕變測試結果（蠕變溫度、蠕變應力、斷裂時間、斷裂位置和斷裂形式）見表2. F92/Co3W2焊件中6個試樣（1 ?# ～6 ?# ）均為塑性斷裂，斷裂位置位于F92母材，7 ?# 和8 ?# 為脆性斷裂，斷裂位置位于F92一側的細晶熱影響區(qū). Co3W2/Co3W2焊件中9 ?# 為塑性斷裂，斷裂位置位于Co3W2母材處，10 ?# ～14 ?# 為脆性斷裂，斷裂位置位于Co3W2細晶熱影響區(qū). 在較高應力下，F(xiàn)92/Co3W2焊件的F92母材和Co3W2/Co3W2焊件母材皆為最薄弱區(qū)域，表現(xiàn)為塑性斷裂. 隨著應力下降蠕變壽命不斷延長，當應力下降至某一臨界值（ σ ??c ）后，斷裂位置及斷裂模式將發(fā)生改變，從位于母材的塑形斷裂轉變?yōu)槲挥贔GHAZ的脆性斷裂（即Ⅳ型斷裂）.斷裂部位和斷裂模式受母材、焊接方法、蠕變實驗參數(shù)等因素影響，失效部位和斷裂模式發(fā)生變化的現(xiàn)象很常見，在以往的針對焊接接頭的研究中已有報道 ?［18-20］ . 而李克儉等人 ?［21］ 的研究發(fā)現(xiàn)，除了本實驗中存在的兩種斷裂模式外，還有一種三階段混合形式：在低應力下熱應力和氧化共同作用，首先在焊縫與母材界面處形成氧化尖缺口，隨后斷裂轉移至細晶區(qū)或臨界區(qū)中，最后裂紋又轉移回母材中并沿切應力最大的方向擴展，產生明顯的塑性變形，直至斷裂失效. Wang等人 ?［22］ 對耐熱鋼焊件Ⅳ型斷裂行為的研究表明，Ⅳ型斷裂的臨界應力 σ ??c 與溫度無關. 與他們的研究類似，本文涉及的14個蠕變焊件存在塑性斷裂和脆性Ⅳ型斷裂兩種斷裂類型，后者發(fā)生的主要影響因素是應力（≤ σ ??c ）. F92/Co3W2焊件的臨界應力 σ ??c ∈（140，120） MPa，Co3W2/Co3W2焊件的 σ ??c ∈（250，195） MPa， 對此將在3.2節(jié)中引入Larson-Miller參數(shù)法（LMP） ?［23］ ?作進一步討論.

取5 ?# 、6 ?# 、8 ?# 和9 ?# ～11 ?# 共計6個試樣的斷口進行觀察，如圖2和圖3所示. 5 ?# 、6 ?# 和9 ?# 試樣均為穿晶韌性斷裂，其斷面宏觀形貌呈杯錐狀，有明顯頸縮痕跡，斷口上存在細小凹凸面. 8 ?# 、10 ?# 和11 ?# 試樣均為沿晶脆性斷裂，其斷面宏觀形貌無屈服頸縮現(xiàn)象，由具有光澤的結晶亮面組成，斷裂面與拉應力方向垂直. 以F92/Co3W2接頭為例，5 ?# 和6 ?# 在SEM觀察下表現(xiàn)出相似的韌性斷裂特征，存在小尺寸的撕裂棱和韌窩，而韌窩是穿晶斷裂的典型特征 ?［24，25］ . 此外，在韌窩及空洞處觀察有顆粒物存在，這些顆粒物大概率是析出相粒子，但也可能是氧化物，如圖4所示. 對比6 ?# 試樣，8 ?# 試樣則沒有出現(xiàn)明顯的韌窩，其蠕變空洞尺寸減小變密，并觀察到大量完整的晶粒、微裂紋、析出相或氧化物顆粒. 這說明隨著外加應力持續(xù)下降，開始以晶界為首選斷裂路徑，斷裂機制轉變?yōu)檠鼐Т嘈詳嗔? 這一現(xiàn)象與圖1中隨著應力與溫度的變化，試樣的斷裂形式與斷裂位置的轉變相印證，佐證了降低至臨界應力以下后，試樣從穿晶塑性斷裂轉變?yōu)檠鼐Т嘈寓粜蛿嗔? 而Co3W2/Co3W2接頭的斷口形貌與F92/Co3W2接頭類似，也存在隨著外加應力的下降，試樣由9 ?# 的穿晶塑性斷裂轉變?yōu)?0 ?# 的沿晶脆性斷裂，同時發(fā)生斷裂位置的轉變，出現(xiàn)沿晶脆性Ⅳ型斷裂的現(xiàn)象.

3.2 蠕變損傷研究

耐熱鋼在制作及服役過程中，不同的合金元素會在特定的位置聚集進而形成不同的析出相. 馬氏體耐熱鋼中的常見析出相主要有 M ?23 C 6 、MX、Laves和Z相，每種析出相的析出位置、成分及作用各不相同，見表3 ?［26-30］ . 圖5a和5b展示了脆性斷裂8 ?# 試樣斷口附近的蠕變空洞，圖5c和5d分別為塑性斷裂6 ?# 試樣和8 ?# 試樣斷口附近的位錯與析出相， 圖5e為根據(jù)表3判斷 M ?23 C ?6 ?相、Laves相和MX三種主要析出相的EDS圖. 蠕變斷裂從高應力下穿晶斷裂向低應力下沿晶斷裂的轉變與晶界滑動或晶界上第二相粒子導致蠕變空洞的形核長大密切相關 ?［8，31］ . 而許多研究表明，工程合金中晶界上第二相粒子在空洞形核過程中起主導作用 ?［27，32］ . 觀察圖5a和5b可以發(fā)現(xiàn)，斷口附近的蠕變空洞內部及周圍存在一定數(shù)量的析出相，并可觀測到兩種蠕變孔洞中析出相的相對粗化現(xiàn)象 ?［33］ . 結合后文（圖9）研究發(fā)現(xiàn)，在同種斷裂模式下，隨著蠕變應力降低，斷裂壽命延長，析出相不斷形核長大，斷口附近蠕變空洞尺寸、數(shù)量密度與面積分數(shù)也不斷增大. 耐熱鋼在高溫蠕變過程中位錯子結構發(fā)生的變化是復雜的.一方面，位錯密度因短時蠕變的塑性變形而增加，不同滑移系的位錯相互交疊形成位錯纏結，如圖5c；另一方面，長時蠕變的動態(tài)回復會導致位錯的湮滅和重新排列，如圖5d. 對比兩者的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著蠕變時間的延長，位錯發(fā)生回復，晶界上的析出相數(shù)量增多且發(fā)生粗化. 而晶界空洞的形核與析出相密切相關，針對耐熱鋼焊件長時Ⅳ型斷裂研究 ?［16，17，24］ 發(fā)現(xiàn)，隨著熱影響區(qū)細晶區(qū)的Laves相的析出和粗化，蠕變空洞數(shù)量增多，引發(fā)試樣從塑性斷裂向細晶熱影響區(qū)脆性斷裂轉變.

高溫蠕變損傷類型包括內外截面積損失、材料組織劣化及氧化腐蝕等環(huán)境損傷 ?［8］ . 圖6a展示了本文中蠕變塑性斷裂試樣的蠕變損傷機制，主要包括了由于縮頸導致的外部承載面積的減少、晶粒內空洞的形成和生長以及晶界滑移形成的楔形裂紋. 圖6b展示了蠕變脆性斷裂試樣的蠕變損傷機制，主要包括了晶界上由于析出相導致的蠕變空洞的形核、生長和合并而導致的內部承載面積的減少，以及以第二相顆粒粗化為特征的材料組織劣化. 因此，本研究中的兩種焊接接頭均隨著應力的降低，蠕變時間延長，試樣的斷裂機制發(fā)生轉變，蠕變損傷主要形式由外截面混合內截面的損失過渡成內截面的損失混合材料組織的劣化.

出現(xiàn)位置 板條內、晶粒內 奧氏體晶界、板條晶界和亞晶界 在M ?23 C ?6 上成核生長，吞噬M ?23 C ?6 碳化物，并在晶界周圍形成團簇 由MX相轉變，并溶解周圍的MX相影響蠕變 細小且熱穩(wěn)定的MX相分散在晶粒內，通過位錯的釘扎作用加強蠕變強度 在加載條件下，M ?23 C ?6 析出相對亞晶界具有釘扎作用，阻礙了亞晶界的運動. 導致馬氏體恢復需要巨大驅動力，最終提高了蠕變強度 較大尺寸的Laves相作為空腔觸發(fā). 平均尺寸大于130 nm的Laves相將斷裂模式由韌性轉變?yōu)榇嘈? 這導致了蠕變強度的突然損失 Z相的形成消耗MX相，降低MX相的釘扎效應，降低蠕變強度其他特點 粗NbX相具有更高的熱穩(wěn)定性，正火處理后仍不溶解，其它MX相在正火處理過程中部分溶解. 未溶解的析出物限制了正火過程中奧氏體晶粒的生長 隨著蠕變時間的延長，粗的M ?23 C ?6 析出相沿板條邊界形成，并降低蠕變強度 在短期蠕變下較小的Laves相通過釘扎效應提高蠕變強度. 在長期蠕變下，Laves相由于粗化導致釘扎效應消失，并且促進了蠕變速率的加速 在Z相組成中，Cr和V含量隨蠕變時間的延長而增加，Nb含量則隨蠕變時間的延長而減少 ???對于工程應用而言，脆性蠕變斷裂意味著構件的突發(fā)失效、進而引發(fā)災難性后果. 因此，有必要對耐熱鋼結構焊接件的斷裂壽命開展評估和預測. 眾所周知，實際工程構件的蠕變斷裂失效由多種蠕變損傷導致，是多種損傷機制共同作用的結果，從理論上推導這種復雜條件下的材料斷裂壽命非常困難，人們通常采用經驗方法進行預測. Larson等 ?［23］ 提出的Larson-Miller參數(shù)法（LMP法）被公認為是評價溫度和時間對蠕變壽命影響的常用且有效的手段，如下式所示.

P=T（C+ lg t ?r） （1）

式中， ?P 為Larson-Miller參數(shù); ?T 為實驗溫度（絕對溫度）; ?C 為材料常數(shù)，其值主要取決于碳含量; ?t ??r 為斷裂時間. 根據(jù)Yang等人 ?［34］ 的研究，本文采用線性回歸和插值方法確定了F92/Co3W2和Co3W2/Co3W2焊件的 C 值，分別為2062和2058. 兩種焊接接頭蠕變斷裂應力與LMP關系如圖7a所示，臨界應力 σ ??c 和臨界 P 值用于評價發(fā)生Ⅳ型轉變，兩者均與溫度無關. F92/Co3W2焊件的 σ ??c ∈（120， 140） MPa， P ∈（21140， 21700）；Co3W2/Co3W2焊件的 σ ??c ∈（195， 250） MPa， P ∈（20360， 21360）. 根據(jù)LMP對蠕變壽命預測（圖7b），外推出兩種焊件在不同溫度（F92/Co3W2：873和893 K，Co3W2/Co3W2：898、923和948 K）下服役100 000 h的許用應力（ σ T ?t ?r ??），并列于表4. 根據(jù)Wilshire等人 ?［35］ 和Srinivasan等人 ?［36］ 對類似耐熱鋼的研究，發(fā)現(xiàn)316L鋼在873 K下蠕變壽命100 000 h的許用應力范圍為59～113 MPa. 本研究中，F(xiàn)92/Co3W2焊件服役溫度873和893 K對應的許用應力為93.5和73.4 MPa，Co3W2/Co3W2焊件溫度898和923 K對應的許用應力為82.8和42.5 MPa，滿足工程需求. 而948 K溫度的Co3W2/Co3W2焊件許用應力急劇下降至2.26 MPa，說明Co3W2/Co3W2焊件不宜在948 K溫度下服役. 此外，若在同一蠕變溫度下， σ T ?t ?r ??（Co3W2/Co3W2）> σ T ?t ?r ??（F92/Co3W2），說明與F92/Co3W2焊件相比Co3W2/Co3W2焊件具有更好的抗蠕變性能，可以在更高應力下服役. 這與3.1節(jié)中觀察的F92母材及其細晶熱影響區(qū)是F92/Co3W2異材質焊件的薄弱區(qū)域相一致.

3.3 蠕變空洞分析

在高溫蠕變中，當應力很高時，塑性變形速度快，耐熱鋼蠕變斷裂形式類似于常溫拉伸下的韌性斷裂，空洞損傷主要表現(xiàn)為在晶粒內部夾雜物或第二相顆粒處形成空洞，空洞長大合并而斷裂 ?［8］ . 隨著應力持續(xù)降低，更多空洞損傷將在晶界上發(fā)生，包括較低應力下晶界滑動引起的楔形裂紋和更低應力下晶界上析出相處應力集中引起的晶界空洞的形核、長大和合并 ?［9］ . 根據(jù)前文分析可知，外截面損失（頸縮）和內截面損失（蠕變空洞）是本文高溫蠕變斷裂的重要蠕變損傷機制. 因此，需要對蠕變斷裂焊接件斷口截面附近蠕變空洞分布情況進行觀察統(tǒng)計，對兩種斷裂模式的空洞損傷機制演變作進一步分析. 圖8 ?［33］ 展示了6 ?# （塑形斷裂）和8 ?# （脆性斷裂）試樣的空洞分布統(tǒng)計結果. 越偏離試樣中心（或越靠近試樣表面），兩個樣的蠕變空洞越小越少，其面積分數(shù)越小. 整體而言，脆性斷裂試樣蠕變空洞的面積分數(shù)曲線更為平緩，說明其內部空洞分布更均勻. 高應力蠕變斷裂件塑性變形大，中心部位由于應力集存在少量大尺寸空洞，其最大尺寸（等效圓直徑）約為78 μm. 而在較小應力作用下經歷長時高溫蠕變后，脆性斷裂試樣斷口附近的蠕變空洞尺寸更小數(shù)量更多.

由圖9可知，當斷裂位置和斷裂形式不變時，斷口處空洞損傷隨應力改變不斷發(fā)生規(guī)律演化. 而當斷裂位置和斷裂形式變化時，對應的蠕變損傷機制發(fā)生變化（圖6），斷口處空洞大小、數(shù)量和分布均會發(fā)生突變（例如6 ?# 和8 ?# 、9 ?# 和10 ?# ）. 因此，本文進一步對所有焊接接頭斷口中心區(qū)域（約3 mm ?2 ）蠕變空洞的數(shù)量密度與面積分數(shù)開展統(tǒng)計，結果如表5所示.以F92/Co3W2接頭為例，在塑性斷裂中的873 K下，隨著蠕變應力減小，試樣的空洞數(shù)量密度從1 ?# 的136.6個/mm ?2 增加到5 ?# 的148.3個/mm ?2 ，面積分數(shù)從2.5%增加到43%；當溫度升高到893 K后，試樣的空洞數(shù)量繼續(xù)增加到6 ?# 的158.7個/mm ?2 ，面積分數(shù)也增加到5.5%.這是由于同一斷裂模式下，蠕變應力減少焊件壽命提高，蠕變空洞的整體尺寸、數(shù)量密度和面積分數(shù)均會隨著蠕變時長的增加而增大. 當試樣由塑性斷裂（1 ?# ～6 ?# ）轉變?yōu)榇嘈詳嗔眩? ?# ， 8 ?# ）時，蠕變空洞發(fā)生大量合并鏈接，合并方向垂直于應力方向，空洞數(shù)量密度則急劇增加到7 ?# 的4721個/mm ?2 ，而面積分數(shù)則減小到3.5%. 隨著蠕變應力的降低，與7 ?# 相比，8 ?# 蠕變空洞密度和面積分數(shù)均有所提高；類似地，當施加在Co3W2/Co3W2接頭應力從180 MPa（10 ?# ）降低到105 MPa（14 ?# ）時，空洞密度216.3個/mm ?2 增加到723.8個/mm ?2 ，面積分數(shù)從1.8%增長至4.1%. 該蠕變空洞生長規(guī)律與Wu等人 ?［37］ 的研究結果吻合，他們定量測量了12Cr-Mo-V馬氏體鋼沿晶脆性斷裂蠕變試件的空洞尺寸、空洞面積分數(shù)和單位面積空洞數(shù)量，這些數(shù)值均隨應變和時間的增加而不斷增大.

4 結 論

（1） 兩種焊接接頭由高應力的短時蠕變轉變?yōu)榈蛻Φ拈L時蠕變后，位錯發(fā)生回復，晶界上的析出相數(shù)量增多且發(fā)生粗化，空洞數(shù)量密度增多，斷裂形式由母材的穿晶韌性斷裂轉變?yōu)榧毦嵊绊憛^(qū)的沿晶脆性Ⅳ型斷裂，損傷機制由外截面混合內截面的損失過渡成內截面的損失混合材料組織的劣化. 發(fā)生這一轉變的臨界應 力 σ ??c ?（F92/Co3W2）∈（120， 140） MPa， ?σ ??c ?（Co3W2/Co3W2） ∈ ??（195， 250） MPa. 基于LMP法預測的服役壽命100 000 h的焊件許用應力均滿足工程需求.

（2） 高應力塑性斷裂時，蠕變空洞主要起源于晶粒內部夾雜物或第二相顆粒處和晶界滑動引起的楔形裂紋，空洞呈現(xiàn)“個頭大數(shù)量少”的特征. 同一斷裂模式下，隨著應力減少空洞變大變多，F(xiàn)92/Co3W2接頭的空洞數(shù)量密度由873 K時1 ?# （200 MPa）的136.6個/mm ?2 增加到6 ?# （140 MPa）的158.7個/mm ?2 ，面積分數(shù)由2.5%增加到5.5%.

（3） 低應力脆性斷裂時，蠕變壽命長，晶界或晶內上Laves等相析出長大，局部應力集中引發(fā)空洞的形核、長大和合并，空洞合并鏈接的方向垂直于應力方向，脆性斷口空洞“個頭小數(shù)量多”. 同一斷裂模式下，空洞隨應力減少變大變多，Co3W2/Co3W2接頭的空洞數(shù)量密度由10 ?# （195 MPa）的216.3個/mm ?2 增加到14 ?# （105 MPa）的723.8 個/mm ?2 ?，面積分數(shù)也由2.3%增加到4.1%.

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收稿日期： ?2023-05-19

基金項目： ??國家自然科學基金（52205182）；四川省科技計劃資助（2023NSFSC0916）； 中國石油西南油氣田作業(yè)分公司技術開發(fā)項目（20220303-16）;災變力學與工程防災四川省重點實驗室2023年開放課題（FMEDP202303）

作者簡介： ??魏俊朋（1998-）， 男， 河南鶴壁人， 碩士研究生， 從事高溫合金成型與服役性能研究.

通訊作者： ?黃彥彥. E-mail： yyashleyhuang@foxmail.com; 熊建坤. E-mail： Xjk13@mails.tsinghua.edu.cn