复合钢板压力容器焊缝高温变化理论探析

【摘 要】 国内外的一些专家和学者通过理论研究和具体实践发现，在蠕变的过程中，随着蠕变曲线不同阶段的变化，组织结构也是在不断的变化的。具体而言，在整个蠕变中，变化的主要现象就是，金属材料晶格的滑移，温度逐渐升高，应力逐渐减小，而晶粒的体积越小，滑移带间的距离越大。如果蠕变源自于精细滑移的情况下，滑移带也是看不见的，而扭折带还是比较容易出现的。本文就主要针对复合钢板压力容器焊缝高温变化理论的相关问题进行简单的探讨。

【关键词】 高温变形 蠕变 复合钢板 焊缝高温变化 理论基础

1 高温变形机理分析

对于复合钢板压力容器所使用的不锈钢复合钢板而言，其属于第二类固溶体，在蠕变的过程和位错的结构方面与纯金属是相一致的，对于蠕变变形而言，也主要是通过位错滑移、晶界滑移等方面的机理实施的，然而蠕变机理方面存在的差异，导致温度、应力和蠕变阶段方面的变化，对蠕变变形所起到的作用也是不同的。

1.1 位错滑移蠕变

在整个蠕变的过程中，其中非常重要的蠕变变形机理之一就是位错滑移。具体而言，首先在蠕变的初级阶段，一般在位错密度方面往往是非常低的，受到了溶质原子、第二相粒子等各种其它杂质的阻碍，进而出现了塞积的现象，导致位错运动仍然受到阻碍。在温度较高的情况下，随着蠕变变形量方面的增加，位错的密度也会提升，而亚结构也出现细化。在这种情况下，位错是十分容易借助外界所提供的热激活能和空位扩散，进而跨越杂质的障碍，继续滑移，如果温度升高，热激活过程就越活跃，冲破杂质产生的障碍所需要的外应力也越少，进而更容易出现位错滑移。

1.2 晶界滑动蠕变

在蠕变变形的过程中，晶界滑移实际上是一种重要的协调机制。一般在常温的情况下，对于晶界的滑动变形而言往往是非常不明显，是不易被发现的，甚至这种变化是可以忽略不计的。然而，在高温的情况下，因为晶界上的原子是十分容易扩散的，在受力以后是十分容易滑动的。实际上，在温度逐渐升高、应力逐渐降低，并且晶粒度逐渐减小的情况下，对于蠕变的整个过程而言，晶界滑动的作用和影响也是不断增大的，甚至是可以占据到总蠕变变形量的二分之一，以此同时，对于蠕变断裂而言，晶界的变形也是有着十分重大的作用的。对于晶界滑动的协调机制而言，蠕变的扩散需要通过晶界滑动进行具体的协调，或者说晶界滑动需要通过扩散蠕变进行具体的协调，进而保持材料的连续。相反在晶界上就可能会出现一定的空隙或者形成物质堆积。

2 高温断裂的影响因素

2.1 温度对蠕变断裂的影响

因为温度对于热激活能的影响是比较大的，温度越高，所形成的空洞的速度也就越快，空洞的密度也越大，缩短了空洞和空洞之间的交汇所需要的时间，使得发生蠕变的机率也有所提高。依据损伤力学的基本原理，对于金属的损伤而言，其主要是与晶格间微裂纹的萌生以及增长的过程相对应的，在不发生变化或者变化缓慢的载荷作用的情况下，对于损伤的具体演变而言可以呈现时间的函数，温度越高金属的损伤呈现的就越明显。

2.2 载荷对蠕变断裂的影响

对于试样的蠕变行为而言，载荷的增加是具有一定的影响力的。在应力不断提高的情况下，空洞的尺寸也是有所增大的，相应空洞的密度也有所增加。但是，应力的影响与温度相比，温度的影响是相对较大的。在理论方面看，在空位所形成的半径为 R 的球形空洞的过程中，如果想要使得系统能量保持稳定，其临界的半径实际上应与应力成反比，而与空洞单位面积的表面成正比。因此，临界半径是随着应力的不断增大而减小的，或者说，在改变应力，而其它的条件不变的情况下，在应力提高的情况下，空洞长大的时间也就更多。

3 复合钢板压力容器焊缝高温变化

在分析复合钢板压力容器的焊缝部位在高温的情况下，产生蠕变的具体机理中，要将复合钢板压力容器焊接的过程和具体材料在高温的情况下发生蠕变的具体机理结合起来。复合钢板压力容器在高温环境下作业时，焊缝的蠕变变形主要受位错滑移、原子扩散、晶界变形与滑移等方式影响着，致使出现焊接缺陷处，这种缺陷生长并交汇连接，最终形成蠕变微裂纹，直到断裂。

3.1 焊接缺陷处的高温蠕变的分析

在复合钢板压力容器焊接以后，在焊缝复层与过渡层的界面、过渡层与焊缝基层的焊接界面以及过渡层焊缝、焊缝各区域的热影响区会出现比较多的焊接缺陷。在这里，过渡层与复层焊缝的热影响区的缺陷是最严重的。其主要的原因在于，在长期的高温环境下，操作会有很大压力，这种压力会引发环向与轴向的应力作用，而热影响区是最薄弱的部位，蠕变的发展会相对迅速，使其最先产生高温蠕变，并逐渐扩展至整个焊缝热影响区。当然，在复合钢板压力容器的焊缝高温蠕变的过程中，无非刻意去把蠕变整个过程分成各个阶段，因为在实践中，有可能整个焊缝的各个部位会同时出现蠕变的情况，只是不同部位的蠕变的强度不同罢了。

3.2 焊缝晶界缺陷的高温蠕变的分析

在复合钢板压力容器的焊缝部位，会有两方面的情况出现。第一方面，在复合钢板焊缝的过渡层的晶界上有大量的碳滞留，与Cr、Mo等第二相粒子形成碳化共晶杂质；第二方面，在高温环境下，焊缝的复层与过渡层、过渡层与基层的晶界面上，会形成大量第二相粒子，在焊接热影响区则会有诸如MnS夹杂。在上述的碳化物和MnS等共晶杂质上，其空洞会优先形核。通过研究表明，奥氏体钢中的空洞会在晶界上、碳化物上形核。

4 结语

影响金属材料的高温蠕变的因素是多方面的，像温度、材料中含有的化学成分、冶金工艺、组织结构和热处理方式等都是影响的因素。然而，复合钢板压力容器的焊缝所产生的高温蠕变，除上述影响因素外，还和焊缝焊接的工艺、焊缝的结构和金相组织有密切的关系。复合钢板压力容器的焊接，不但增加了过渡层的焊接，还有其他金属的焊接，焊后会留下很多的焊接上的缺陷，过渡层焊缝的热影响区在这种情况下是最容易形成蠕变空洞的，导致蠕变裂纹的出现。

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