核电52M镍基合金异种金属焊接接头的局部断裂行为

王海涛 王国珍 轩福贞 涂善东 刘长军

（华东理工大学机械与动力工程学院 承压系统与安全教育部重点实验室 上海 200237）

核电52M镍基合金异种金属焊接接头的局部断裂行为

王海涛 王国珍 轩福贞 涂善东 刘长军

（华东理工大学机械与动力工程学院 承压系统与安全教育部重点实验室 上海 200237）

异种金属焊接接头是核电系统内部易损部件，为保证其安全使用，需要对其进行准确的完整性分析。为了理解含缺陷异种金属焊接接头的断裂表现，确定现有程序对异种金属接头评定的适用性。本文对镍基合金52M异种金属接头不同位置裂纹的三点弯曲试样进行了断裂试验。发现试样的裂纹扩展阻力及路径不同，且裂纹路径总是向低屈服强度材料侧偏转。得出裂纹路径的偏转主要由裂尖材料强度失配控制，而非韧性失配控制。对于扩展路径有偏斜的裂纹，其J-R阻力曲线反映的是沿裂纹扩展区材料的表观断裂阻力，而非初始裂纹尖端区材料的本质断裂阻力。在不考虑焊接热影响区、界面区及内部影响区断裂阻力的情况下，采用现有程序去评定含缺陷异种金属接头，将产生非保守或过于保守的评定结果，且在多数情况下，得到非保守的评价结果。

异种金属焊接接头，J-R阻力曲线，裂纹扩展路径，完整性评定

异种金属焊接接头是压水堆核电站一回路系统中容易产生应力腐蚀裂纹(SCC)的易损部件，保证该接头的完整性对于保证一回路系统压力边界的完整性具有重要意义。研究和理解异种金属接头中裂纹的起裂及扩展行为，对于进行准确的接头完整性评定及安全设计是至关重要的[1]。对此，国内外已进行了一些研究。然而，这些研究主要是针对实验室模拟焊接的异种金属接头试板[2]，且主要的焊接材料是传统的抗腐蚀性能较差的Alloy 82/182镍基合金，并仅对接头中有限的几个裂纹位置进行了实验和分析研究。对新建核电厂中使用的更抗腐蚀的Alloy 52M镍基合金异种金属接头的局部断裂行为还缺乏系统的研究和理解。

此外，在现有的焊接接头结构完整性评定的标准中，将焊接接头一般简化为由母材和焊缝两种材料组成，并通过等效材料的概念将均质材料的缺陷评定路线用于焊接接头[3]。这种简化未考虑熔合区、焊接热影响区及不同材料界面区组织与力学性能的强烈不均匀性对接头局部损伤和断裂行为的影响，由此对评定结果带来的影响也还未得到深入的研究和认识。

本文对建造AP1000核设备的新型52M镍基合金异种金属焊接接头的局部断裂行为进行了系统的实验研究。测得了包括熔合区、焊接热影响区及不同材料界面区13个位置处的J-R裂纹扩展阻力曲线及裂纹扩展路径，分析了接头中裂纹位置和局部强度失配对J-R阻力曲线、裂纹扩展路径及完整性评定的影响。

1 断裂实验

本文研究的焊接接头取自新型52M镍基合金安全端异种金属焊接接头，其结构及材料如图1所示。管嘴(Nozzle)和安全端管(safe end pipe)分别由铁素体低合金钢(A508)及奥氏体材料(316L)制造。焊接接头的制造采用在管嘴上堆焊52M镍基合金，然后再用52M镍基合金焊材与安全端管连接起来。在此，分别将堆焊层材料和焊缝金属材料记为52Mb和52Mw。异种金属焊接接头的四种材料的化学成分在表1中给出。图1(b)中的不锈钢堆焊层(cladding)是保护管嘴内表面及局部焊接接头的耐蚀堆焊层。

断裂试验采用三点弯曲试样，取样方式、裂纹位置及试样尺寸如图2所示。其中crack 1和crack 13分别位于A508及316L均质材料中，其他裂纹则位于焊接接头的堆焊层/焊缝中心(crack 5,9)、热影响区(crack 2,6,12)、熔合线(crack 3,7,11)及内部影响区(crack 4,8,10)。断裂试验在Instron试验机上进行，采用ASTM E1820-08a[4]标准A.15中的归一法程序进行测试，且每个裂纹位置测试一个三点弯曲试样。试验过程中，通过试验机辅助测量装置测试得到试样的单调加载载荷–线位移曲线。试验完成后，将试样从中间切开，切割图如图3所示。一半试样用于测量初始裂纹长度及最终扩展长度。另一半试样经抛光腐蚀后用于裂纹扩展路径的扫描电镜观察。根据加载试样的载荷–线位移曲线，断裂试样的初始裂纹长度0a和最终裂纹长度fa，采用归一法即可得到裂纹试样的扩展阻力曲线(J-R阻力曲线)。归一法首先根据一定量的标称载荷和标称塑性位移数对按照公式(1)拟合出载荷与塑性位移函数：

之后在初始裂纹长度a0和最终裂纹长度af之间补充一些裂纹长度ai，根据得到的塑性位移函数(1)递推得到对应裂纹长度ai的载荷位移数对(Pi， vi)。然后根据ASTM E1820-08a阻力曲线法公式(A1.7)和(A1.8)得到与裂纹长度ai相对应的裂纹尖端Ji积分。最后将裂纹长度ai与初始裂纹长度a0做差得到裂纹扩展长度Δai，联立裂纹尖端驱动力Ji即得到裂纹试样的J-R阻力曲线。

图1 异种金属焊接接头结构(a)和材料(b)Fig.1 The structure of dissimilar metal welded joint(a) and material(b).

图2 三点弯曲试样取样及裂纹位置(a)和试样尺寸(b)Fig.2 Extraction of three-point bend specimen and crack positions(a) and specimen size(b).

图3 断裂试验后试样切割图Fig.3 Schematic diagram for sectioning the tested specimen.

2 实验结果

2.1异种金属焊接接头的J-R阻力曲线

为便于分析，本文按照焊接接头材料来分区表征J-R阻力曲线。对于界面裂纹，将其J-R阻力曲线分别归于相邻材料区域。接头不同位置裂纹的J-R阻力曲线在图4给出。对于A508区域裂纹(Fig.4(a))，crack 1和crack 2的J-R阻力曲线大致相当，crack 3的J-R阻力曲线则小于crack 1。对于52Mb区域(Fig.4(b))，crack 3的J-R阻力曲线在此区依然最低，而52Mb中心区域crack 5则具有最高的J-R阻力曲线。其他裂纹试样的J-R阻力曲线介于crack 3和crack 5的J-R阻力曲线之间。对于52Mw区域(Fig.4(c))，52Mw中心区域crack 9试样的J-R阻力曲线最低，而crack 7试样的J-R阻力曲线则最高。其他裂纹试样的J-R阻力曲线介于二者之间。对于316L区域(Fig.4(d))，crack 13具有高的J-R阻力曲线，crack 11则具有最低的J-R阻力曲线，316L热影响区crack 11的J-R阻力曲线则介于crack 13和crack 11的J-R阻力曲线之间。由此可见，不同位置裂纹的试样具有显著不同的局部断裂阻力。

图4 异种金属焊接接头的J-R阻力曲线 (a) A508区域；(b) 52Mb区域；(c) 52Mw区域；(d) 316L区域Fig.4 J-resistance curves for the dissimilar metal welded joint for A508 region(a), 52Mb region(b), 52Mw region(c) and 316L region(d).

2.2异种金属焊接接头的局部裂纹扩展路径

图5给出了典型位置裂纹的扩展路径。由于crack 1、5、6、7、9及13的裂纹扩展路径基本沿着初始裂纹面向前发展，仅在图5(a)和(e)中分别给出了crack 1和5的典型扩展路径。对于crack 2、3、4、8、10、11及12，裂纹在扩展中都偏离了初始裂纹面，分别向不同方向倾斜扩展，详细裂纹扩展情况见图5所示。

3 讨论

3.1裂纹位置对J-R阻力曲线及裂纹扩展路径的影响

由图4及5可以看出，不同位置的裂纹具有不同的J-R阻力曲线及裂纹扩展路径。本文作者曾通过数值模拟研究发现，接头局部区强度失配影响裂纹尖端前的三轴应力及塑性应变分布，高三轴应力及高塑性应变分布于裂纹尖端低强度的材料一侧，使裂纹在强度低的材料一侧先行起裂，并进一步扩展[5]。为了详细表征核电异种金属焊接接头的力学性能，作者曾通过拉伸小试样测定了焊接接头的强度及硬化指数分布[6]，如图6所示。由于试样拉伸力学性能拟合为Ramberg-Osgood关系，因此，图6(b)中低的硬化指数表示高的加工硬化能力。由图6可知，该异种金属焊接接头存在强烈的力学性能不均匀，这对裂纹J-R阻力曲线及裂纹扩展路径产生影响。

图5 裂纹扩展路径(a) crack 1；(b) crack 2；(c) crack 3；(d) crack 4；(e) crack 5；(f) crack 8；(g) crack 10；(h) crack 11；(i) crack 12Fig.5 The crack growth paths. (a) crack 1; (b) crack 2; (c) crack 3; (d) crack 4; (e) crack 5; (f) crack 8; (g) crack 10; (h) crack 11; (i) crack 12

对于crack 1，由于裂纹尖端两侧材料强度相同，因此伴随着试样加载，裂纹尖端高三轴应力及塑性应变对称分布，这使得裂纹沿着初始裂纹面向前扩展。此时试样的J-R阻力曲线反应的是裂纹尖端材料本质的裂纹扩展阻力。对于crack 3，如图6(a)示，裂纹两侧呈现强度失配状态。由于低强度的52Mb侧对裂纹尖端塑性变形的拘束小于A508侧，因此，在加载过程中，裂纹尖端前的高三轴应力及塑性应变主要发生在52Mb一侧，结果使得裂纹向52Mb一侧扩展。由于裂纹倾斜扩展，试样的J-R阻力曲线表征的是沿裂纹扩展路径区域材料的断裂阻力。由于强度失配引起的局部材料拘束促使了crack 3向低强度，但是高韧性的52Mb一侧扩展，相应的J-R阻力曲线低。对于crack 2(图6(a))，裂纹两侧材料一边为低强度，一边是高强度，这使得裂纹也向低强度方向扩展，当裂纹扩展到低强区域的低点后，裂纹尖端相对两侧材料又呈低配状态，此时裂纹扩展又基本沿着低点裂纹面向前扩展，综合得到图4(a)的J-R阻力曲线和图5(b)的裂纹扩展路径。crack 2和crack 3的这些扩展行为说明，裂纹扩展路径和局部断裂阻力主要由强度失配而不是韧性失配所控制。

对于crack 5，如图6(a)示，由于其距两侧界面区域较远，界面材料拘束对裂纹尖端应力/应变场的影响不大，这使得裂纹基本沿着初始裂纹面向前扩展。此时测得的J-R阻力曲线反映了裂纹尖端区域材料的本质断裂阻力，主要由52Mb的材料组织决定。对于crack 9，裂纹两侧材料强度相对较高(图6(a))，在加载过程中，裂纹尖端塑性区被两侧材料拘束，这使得裂尖区易于形成高的应力/应变水平，从而促进裂纹起裂，并近似沿着裂纹面向前扩展，测得的J-R阻力曲线较低。对于其他位置裂纹的J-R阻力曲线及裂纹扩展路径，用上述强度失配分析，可得出类似的结果。

图6 安全端焊接接头的强度分布图(a)和硬化指数分布图(b)Fig.6 The distributions of strength and crack positions across the dissimilar metal welded joint(a) and the distribution of hardening exponent across the dissimilar metal welded joint(b).

综合图4、图5和图6及上述分析，可以发现裂纹一般向低强度材料一侧扩展、而并不总是向低韧性材料一侧扩展。说明裂纹扩展路径和局部断裂阻力主要由强度失配而不是韧性失配所控制。材料的本质断裂阻力主要由其微观组织和拉伸力学性能决定，只有在裂纹扩展路径基本不受强度失配的影响，裂纹沿初始裂纹面扩展时才可以测到。

3.2异种金属焊接接头结构完整性评定分析

在目前的结构完整性评定标准中，将异种金属焊接接头通常简化为由4种材料连接而成(A508+Alloy 52Mb+Alloy 52Mw+316L)，未考虑熔合区、焊接热影响区及不同材料界面区组织与力学性能的强烈不均匀性对接头局部损伤和断裂行为的影响。对于熔合区、热影响区及材料界面区的裂纹通常用母材(A508，316L)或焊缝(Alloy 52Mb，Alloy 52Mw)的材料性能和阻力曲线评定。如对于A508区域的裂纹，如用均质母材A508的J-R阻力曲线(crack 1)去评定热影响区裂纹(crack 2)及界面裂纹(crack 3)时，将会得到非保守的评定结果。这是由于crack 1的J-R阻力曲线略高于crack 2，并显著高于crack 3。采用crack 1的J-R阻力曲线去评定crack 3的安全性时，结果的非保守性(危险)更大。对于52Mb区域的裂纹，由于52Mb中心裂纹(crack 5)试样的J-R阻力曲线高于本区域局部的4条裂纹对应的J-R阻力曲线。因此，用crack 5的J-R阻力曲线评价本区域局部熔合区或热影响区裂纹时，将会得到非保守的结果。对于52Mw区域的裂纹，由于52Mw中心裂纹(crack 9)的裂纹扩展阻力曲线低于该区域4条熔合区、热影响区内裂纹的J-R阻力曲线，因此，用crack 9评价此区域熔合区或热影响区内裂纹的安全性时，将得到保守的结果。由于crack 10 和crack 9的J-R阻力曲线大体相当，因此，用crack 9的J-R阻力曲线去评价crack 10时，基本是合理的。对于此区域内的其他裂纹，用crack 9的J-R阻力曲线去评价，保守程度将较大。对于316L区域内的裂纹，316L均质试样的J-R阻力曲线高于该区域内熔合区、热影响区的J-R阻力曲线。因此，在该区域，用316L均质材料的J-R阻力曲线去评定熔合区、热影响区裂纹时，会产生非保守的结果。

综上可知，不考虑熔合区、热影响区及材料界面区影响的简化的焊接接头结构完整性评价方法，并不适合于评定复杂的核电异种金属焊接接头不同位置裂纹的安全性。这是因为接头中局部力学性能的不均匀及其引起的强度失配，影响裂纹的扩展阻力和路径，基于宏观断裂力学的简化方法无法准确获得裂尖断裂力学参数及局部材料和裂纹扩展阻力性能。因此，对于复杂的核电异种金属焊接接头结构的完整性评定，需要测得并考虑接头局部各区域的局部力学和断裂性能，发展基于局部损伤断裂模型的新的评定方法。

4 结论

(1) 异种金属焊接接头存在较大的力学性能不均匀，接头不同位置的裂纹附近存在不同的材料性能失配，使得裂纹扩展路径产生偏移。裂纹总是向局部低强度材料区扩展，裂纹路径的偏移主要是由强度失配控制，而非韧性失配控制。强度失配程度越大，裂纹路径偏移程度越大。

(2) 局部强度失配影响裂纹的扩展阻力。无强度失配试样得到的J-R阻力曲线反映裂纹尖端材料的真实扩展阻力。局部强度失配试样测得的J-R阻力曲线反映的是沿裂纹扩展路径区材料的表观断裂阻力，而非原始裂纹尖端局部材料的本质断裂阻力。

(3) 按目前现有的简化的焊接接头结构完整性评定方法，在不考虑熔合区、热影响区及材料界面区的局部力学与断裂性能时，多数情况下的评定，将得到非保守(不安全)的评价结果。因此，对于复杂的核电异种金属焊接接头的完整性评定，需要测得并考虑接头局部各区域的局部力学和断裂性能，发展基于局部损伤断裂模型的新的评定方法。

1 Kocak M. 63rdAnnual Assembly & International Conference of the International Institute of Welding, Structural Integrity of welded structures: Process-Property-Performance (3P) Relationship[C], Istanbul, Turkey, 2010

2 Schwalbe K H, Cornec A, Lidbury D. Fracture mechanics analysis of the BIMET welded pipe tests[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2004, 81: 251-277

3 R6, Assessment of the integrity of structures containing defects, Procedure R6-Revision 4[S]. Gloucester, Nuclear Electric Ltd, 2007

4 ASTM E1820-08a. Standard test method for measurement of fracture toughness[S]. Philadelphia, American Society for Testing and Materials, 2008

5 Wang H T, Wang G Z, Xuan F Z, et al. Numerical investigation of ductile crack growth behavior in a dissimilar metal welded joint[J]. Nuclear Engineering and Design, 2011, 241: 3234-3243

6 Wang H T, Wang G Z, Xuan F Z, et al. Local mechanical properties and microstructure of Alloy 52M dissimilar metal welded joint between A508 ferritic steel and 316L stainless Steel[J]. Advance Matererial Research, 2012, 509: 103-110

Local fracture behavior in an Alloy 52M dissimilar metal welded joint in nuclear power plants

WANG Haitao WANG Guozhen XUAN Fuzhen TU Shandong LIU Changjun
(MOE key laboratory of Pressurized System and Safety, School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Background: Dissimilar metal welded joints (DMWJs) were indicated to be vulnerable components in the primary systems, an accurate structural integrity assessment for such DMWJ is needed. Purpose: Understand the fracture performance of the welded joint containing defects, determine if appropriate to assess the defects in the weld joint with the present codes. Methods: The fracture tests of the initial crack located in the different positions of Alloy 52M DMWJ specimens were carried out by using single-edge notched bend (SENB) method. Results: Different crack resistance and crack propagation path were obtained for the SENB specimens, and the cracks always deviate to the materials with lower strength. Conclusions: The crack path deviation is mainly controlled by strength mismatch, rather than toughness mismatch. The J-resistance curves with larger crack path deviation only reflect the apparent fracture resistance along the crack growth region, rather than the intrinsic fracture resistance of the initial crack-tip region material. Without considering the local fracture resistance properties of heat affected zone (HAZ), interface region and internal affected region (IAZ), following present assessment codes will unavoidably produce non-conservative or excessive conservative assessment results. In most cases, the assessment results will be potentially non-conservative.

Dissimilar metal welded joint, J-resistance curve, Crack growth path, Integrity assessment

TL48

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040628

国家自然科学基金项目(51075149)、国家863项目(2009AA04Z409，2012AA040103)及中央高校基本科研业务费专项资金资助

王海涛, 男，1981年出生，现为华东理工大学机械与动力工程学院在读博士研究生，主要从事几何与材料复合拘束下的核电焊接接头

的结构完整性研究

王国珍，gzwang@ecust.edu.cn

2012-09-24，

2012-12-09

CLC TL48