CN110702511A - 一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，包括步骤：采用纳米压痕仪对焊接接头所需表征的微区以不同的加载速度进行加载使其发生塑性变形，然后在一定的载荷作用下保压一定时间使其发生塑性流变，测得最大载荷对应的压痕深度位移和保压结束时的位移；计算不同加载速度下的塑性流变硬度和塑性流变速率，通过拟合不同加载速度下塑性流变速率和塑性流变硬度间的线性本构关系获得塑性流变应力指数，表征焊接接头微区的塑性流变行为。本发明能够有效解决非均质焊接接头微尺寸性能表征的条件限制，表征该微区在所受外力超过屈服极限后的塑性流变行为。

Description

一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法
技术领域
本发明属于焊接结构力学性能表征技术领域，具体涉及一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法。
背景技术
目前在液化天然气装备制造中，盛装液化天然气的容器需服役于-196℃的低温介质，普遍采用9Ni低温钢，以耐蚀性能极为优良的镍基焊接材料进行焊接加工，即形成9Ni钢镍基焊缝异质型非均质焊接接头。焊接接头本质上是由焊缝区、熔合区、过热区等化学成分及组织性能极不均匀的各微区构成的，而9Ni低温钢与镍基填充金属又是完全异同的金属，因此焊接接头各微区的力学性能更具有非均质性。由于这些微区具有小尺寸特征，常规的力学性能测试方法仅能对宏观焊接接头的力学性能进行测定，但不能准确地测量及表征其焊接焊接接头在受力超过屈服极限后各微区的塑性流变行为。现有的测量塑性流变方法如单轴拉伸、单轴压缩及扭转等，由于小尺寸微区不具备取样加工试样条件，因此尚无法测量及表征微区的塑性流变行为。
近年来发展的微拉伸、微剪切试验方法虽然可以测量其有限的力学性能，但符合标准的试样同样受到微区尺寸的限制，导致其测量结果存在很大的误差。现有发明专利申请：基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法(申请号为201811241182.6)，公开了一种基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法，该方法利用纳米压痕技术计算硬化指数、弹性模量等力学性能参数，并建立了焊接接头的本构模型，但是并未对焊接接头塑形流变进行相关的表征。文献：基于纳米压痕法分析无铅焊点内Cu6Sn5金属化合物的力学性能(稀有金属材料与工程，2013，42(5)：316-319)，提出了一种利用纳米压痕表征无铅焊点中化合物力学性能的方法，但其仅局限于表征钎焊焊点中的化合物相高温蠕变，与电弧熔焊得到的焊接接头的塑性流变无论在应用范围还是变形性质方面均有很大的差别。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，解决现有表征技术无法表征焊接接头微区塑性流变行为的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，包括以下步骤：
采用纳米压痕仪对焊接接头所需表征的微区以不同的加载速度进行加载使其发生塑性变形，然后在一定的载荷作用下保压一定时间使其发生塑性流变，测得最大载荷对应的压痕深度位移和保压结束时的位移；
计算不同加载速度下的塑性流变硬度和塑性流变速率，通过拟合不同加载速度下塑性流变速率和塑性流变硬度间的线性本构关系获得塑性流变应力指数，表征焊接接头微区的塑性流变行为。
进一步的，所述塑性流变应力指数n的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000031
公式(1)中εpr表示塑性流变速率，Hpr表示塑性流变硬度。
进一步的，不同加载速度下的塑性流变硬度Hpr的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000032
公式(2)中Wpr表示塑性流变做功值，ΔVpr表示塑性流变变形体积。
进一步的，所述塑性流变做功值Wpr的计算公式为：
Wpr＝Pmax(hmu-hml) (3)
公式(3)中Pmax表示最大载荷，hmu表示最大载荷对应的保压结束时的位移，hml表示最大载荷对应的压痕深度位移。
进一步的，所述塑性流变变形体积ΔVpr的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000033
公式(4)中g表示压头的形状因子。
进一步的，不同加载速度下的塑性流变速率εpr的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000034
公式(5)中Vp表示塑性变形体积，t表示最大载荷下的保压时间。
进一步的，不同加载速率下的所述塑性变形体积Vp的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000035
公式(6)中r表示所需表征微区发生的塑性变形区域的半径。
进一步的，所需表征微区发生塑性变形区域的半径r的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000041
公式(7)中Rel表示单轴屈服强度，Rel＝H/C，其中H为所需表征微区加载后的硬度，C为常数3。
进一步的，所需表征微区加载后的硬度H的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000042
公式(8)中hc表示载荷卸载后的残余深度，由所述纳米压痕仪测得。
进一步的，焊接接头所需表征的微区的前处理方法包括：
沿垂直焊缝长度的方向截取焊接接头横断面试样，经打磨抛光后在金相显微镜下标识出所需表征的微区；
用镶嵌法从所述焊接接头横断面试样中获得所需表征的微区样品，然后用超声波清洗微区样品表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明突破了传统测试方法在微尺寸性能测试中的限制，通过采用纳米压痕仪对焊接接头所需表征的微区进行加载、保压并测试相关参数，计算塑性流变硬度和塑性流变速率，进而计算获得塑性流变应力指数，用于表征微米尺寸范围内试样在所受外力超过屈服极限后的塑性流变行为，因此适用于物理化学性能不均匀的焊接接头不同微区的性能差异的表征，从而方便地确定出塑性变形性能最为薄弱的微区，可以为工程设计提供参考；此外，表征方法中以不同加载速度进行多次测量，能够降低实验误差，提高计算和表征的准确性。
附图说明
图1是实施例1中焊缝区lnεpr和lnHpr的线性关系拟合图；
图2是实施例2中熔合区lnεpr和lnHpr的线性关系拟合图；
图3是实施例3中热影响过热区lnεpr和lnHpr的线性关系拟合图；
图4是实施例1-3中三个微区在最大载荷作用下，塑性流变深度随保压时间延长的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以镍基合金异质焊接9Ni钢焊接接头各微区塑性流变性能表征为例。沿垂直焊缝长度的方向截取焊接接头横断面试样，经打磨抛光后在金相显微镜下标识出所需表征的微区，即焊缝区、熔合区和过热区；用镶嵌法从所述焊接接头横断面试样中获得所需表征的三个微区样品，然后用超声波清洗微区样品表面。
实施例1-焊缝区塑性流变表征
步骤一、采用Nano Indenter G200N纳米力学显微探针系统，设定最大载荷Pmax为100MPa，最大载荷下的保压时间t为20s，选择1mN/s、2mN/s、5mN/s、10mN/s、20mN/s五个不同的加载速率，对焊缝区样品进行加载使其发生塑性变形和塑性流变，测得不同加载速度下最大载荷对应的压痕深度位移hml、保压结束时的位移hmu和载荷卸载后的残余深度hc。
步骤二、建立塑性流变硬度Hpr的表达函数；
S1、塑性流变做功值Wpr的计算：
Wpr＝Pmax(hmu-hml) (3)；
S2、塑性流变变形体积ΔVpr的计算：
公式(4)中g表示压头的形状因子，对Berkovich压头，其形状因子g取24.56；
S3、五组不同加载速度下塑性流变硬度Hpr的计算：
Figure BDA0002228086600000062
步骤三、建立塑性流变应力指数εpr的表达函数；
D1、所需表征微区加载后的硬度H的计算：
D2、假设存在一个包围压头压痕的半球形的塑性变形区域，其半径r的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000064
公式(7)中Rel表示单轴屈服强度，Rel＝H/C，其中C为常数3；
D3、不同加载速率下塑性变形体积Vp的计算：
D4、五组不同加载速度下塑性流变速率εpr的计算：
步骤四、计算lnεpr和lnHpr，通过拟合不同加载速度下的lnεpr和lnHpr，确定两者间呈线性关系，如图1所示。
步骤五、计算塑性流变应力指数n，即lnεpr和lnHpr所拟合直线的斜率值：
Figure BDA0002228086600000073
下表1为焊缝区不同加载速度下的测试结果和计算结果，根据表1以及公式(1)-(4)、(6)-(9)计算，获得焊缝区的塑性流变应力指数n＝6.01。
表1焊缝区不同加载速率下的测试计算结果
1mN/s 2mN/s 5mN/s 10mN/s 20mN/s
H/GPA 2.501 2.63 2.615 2.63 2.648
h<sub>ml</sub>/nm 1225.743117 1195.578994 1193.282854 1178.713401 1159.944922
h<sub>mu</sub>/nm 1238.805068 1210.941542 1211.817103 1198.928089 1182.014661
lnH<sub>pr</sub> 0.98659 1.03524 1.05851 1.08844 1.03417
lnε<sub>pr</sub> -9.75365 -9.36019 -9.27981 -9.15791 -9.55774
实施例2-熔合区塑性流变表征
步骤一、采用Nano Indenter G200N纳米力学显微探针系统，设定最大载荷Pmax为100MPa，最大载荷下的保压时间t为20s，选择1mN/s、2mN/s、5mN/s、10mN/s、20mN/s五个不同的加载速率，对熔合区样品进行加载使其发生塑性变形和塑性流变，测得不同加载速度下最大载荷对应的压痕深度位移hml、保压结束时的位移hmu和载荷卸载后的残余深度hc。
步骤二、建立塑性流变硬度Hpr的表达函数；
S1、塑性流变做功值Wpr的计算：
Wpr＝Pmax(hmu-hml) (3)；
S2、塑性流变变形体积ΔVpr的计算：
公式(4)中g表示压头的形状因子，对Berkovich压头，其形状因子g取24.56；
S3、五组不同加载速度下塑性流变硬度Hpr的计算：
Figure BDA0002228086600000082
步骤三、建立塑性流变应力指数εpr的表达函数；
D1、所需表征微区加载后的硬度H的计算：
Figure BDA0002228086600000083
D2、假设存在一个包围压头压痕的半球形的塑性变形区域，其半径r的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000091
公式(7)中Rel表示单轴屈服强度，Rel＝H/C，其中C为常数3；
D3、不同加载速率下塑性变形体积Vp的计算：
Figure BDA0002228086600000092
D4、五组不同加载速度下塑性流变速率εpr的计算：
Figure BDA0002228086600000093
步骤四、计算lnεpr和lnHpr，通过拟合不同加载速度下的lnεpr和lnHpr，确定两者间呈线性关系，如图2所示。
步骤五、计算塑性流变应力指数n，即lnεpr和lnHpr所拟合直线的斜率值：
Figure BDA0002228086600000094
下表2为熔合区不同加载速度下的测试结果和计算结果，根据表1以及公式(1)-(4)、(6)-(9)计算，获得熔合区的塑性流变应力指数n＝6.69。
表2熔合区不同加载速率下的测试计算结果
Figure BDA0002228086600000095
实施例3-热影响过热区塑性流变表征
步骤一、采用Nano Indenter G200N纳米力学显微探针系统，设定最大载荷Pmax为100MPa，最大载荷下的保压时间t为20s，选择1mN/s、2mN/s、5mN/s、10mN/s、20mN/s五个不同的加载速率，对热影响过热区样品进行加载使其发生塑性变形和塑性流变，测得不同加载速度下最大载荷对应的压痕深度位移hml、保压结束时的位移hmu和载荷卸载后的残余深度hc。
步骤二、建立塑性流变硬度Hpr的表达函数；
S1、塑性流变做功值Wpr的计算：
Wpr＝Pmax(hmu-hml) (3)；
S2、塑性流变变形体积ΔVpr的计算：
Figure BDA0002228086600000102
公式(4)中g表示压头的形状因子，对Berkovich压头，其形状因子g取24.56；
S3、五组不同加载速度下塑性流变硬度Hpr的计算：
Figure BDA0002228086600000103
步骤三、建立塑性流变应力指数εpr的表达函数；
D1、所需表征微区加载后的硬度H的计算：
Figure BDA0002228086600000111
D2、假设存在一个包围压头压痕的半球形的塑性变形区域，其半径r的计算公式为：
Figure BDA0002228086600000112
公式(7)中Rel表示单轴屈服强度，Rel＝H/C，其中C为常数3；
D3、不同加载速率下塑性变形体积Vp的计算：
Figure BDA0002228086600000113
D4、五组不同加载速度下塑性流变速率εpr的计算：
Figure BDA0002228086600000114
步骤四、计算lnεpr和lnHpr，通过拟合不同加载速度下的lnεpr和lnHpr，确定两者间呈线性关系，如图3所示。
步骤五、计算塑性流变应力指数n，即lnεpr和lnHpr所拟合直线的斜率值：
Figure BDA0002228086600000115
下表3为热影响过热区不同加载速度下的测试结果和计算结果，根据表1以及公式(1)-(4)、(6)-(9)计算，获得热影响过热区的塑性流变应力指数n＝8.28。
表3热影响过热区不同加载速率下的测试计算结果
1mN/s 2mN/s 5mN/s 10mN/s 20mN/s
H/GPA 3.485 4.108 3.39 3.43 2.95
h<sub>ml</sub>/nm 1046.3885 977.2046 1054.4686 1042.4012 1101.8014
h<sub>mu</sub>/nm 1059.5806 990.25141 1073.0295 1062.5212 1126.8085
lnH<sub>pr</sub> 1.3007 1.2803 1.3018 1.2576 1.3468
lnε<sub>pr</sub> -9.3569 -9.22771 -9.14306 -9.60828 -8.80404
由实施例1-3可知，焊缝区的塑性流变应力指数n＝6.01，熔合区的塑性流变应力指数n＝6.69，热影响过热区的塑性流变应力指数n＝8.28；如图4为在最大载荷作用下，塑性流变深度随保压时间延长的变化；结合各区塑性流变应力指数的值可知，塑性流变应力指数n越小，则塑性流变深度越大。
本发明提供的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，突破了传统测试方法在微尺寸性能测试中的限制，通过采用纳米压痕仪对焊接接头所需表征的微区进行加载、保压并测试相关参数，计算塑性流变硬度和塑性流变速率，进而计算获得塑性流变应力指数，用于表征微米尺寸范围内试样在所受外力超过屈服极限后的塑性流变行为，因此适用于物理化学性能不均匀的焊接接头不同微区的性能差异的表征，从而方便地确定出塑性变形性能最为薄弱的微区，可以为工程设计提供参考；此外，表征方法中以不同加载速度进行多次测量，能够降低实验误差，提高计算和表征的准确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用纳米压痕仪对焊接接头所需表征的微区以不同的加载速度进行加载使其发生塑性变形，然后在一定的载荷作用下保压一定时间使其发生塑性流变，测得最大载荷对应的压痕深度位移和保压结束时的位移；
计算不同加载速度下的塑性流变硬度和塑性流变速率，通过拟合不同加载速度下塑性流变速率和塑性流变硬度间的线性本构关系获得塑性流变应力指数，表征焊接接头微区的塑性流变行为。
2.根据权利要求1所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，所述塑性流变应力指数n的计算公式为：
Figure FDA0002228086590000011
公式(1)中εpr表示塑性流变速率，Hpr表示塑性流变硬度。
3.根据权利要求1或2所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，不同加载速度下的塑性流变硬度Hpr的计算公式为：
Figure FDA0002228086590000012
公式(2)中Wpr表示塑性流变做功值，ΔVpr表示塑性流变变形体积。
4.根据权利要求3所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，所述塑性流变做功值Wpr的计算公式为：
Wpr＝Pmax(hmu-hml) (3)
公式(3)中Pmax表示最大载荷，hmu表示最大载荷对应的保压结束时的位移，hml表示最大载荷对应的压痕深度位移。
5.根据权利要求4所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，所述塑性流变变形体积ΔVpr的计算公式为：
Figure FDA0002228086590000021
公式(4)中g表示压头的形状因子。
6.根据权利要求5所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，不同加载速度下的塑性流变速率εpr的计算公式为：
Figure FDA0002228086590000022
公式(5)中Vp表示塑性变形体积，t表示最大载荷下的保压时间。
7.根据权利要求6所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，不同加载速率下的所述塑性变形体积Vp的计算公式为：
公式(6)中r表示所需表征微区发生的塑性变形区域的半径。
8.根据权利要求7所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，所需表征微区发生塑性变形区域的半径r的计算公式为：
Figure FDA0002228086590000024
公式(7)中Rel表示单轴屈服强度，Rel＝H/C，其中H为所需表征微区加载后的硬度，C为常数3。
9.根据权利要求8所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，所需表征微区加载后的硬度H的计算公式为：
Figure FDA0002228086590000031
公式(8)中hc表示载荷卸载后的残余深度，由所述纳米压痕仪测得。
10.根据权利要求1所述的非均质焊接接头微区塑性流变表征方法，其特征在于，焊接接头所需表征的微区的前处理方法包括：
沿垂直焊缝长度的方向截取焊接接头横断面试样，经打磨抛光后在金相显微镜下标识出所需表征的微区；
用镶嵌法从所述焊接接头横断面试样中获得所需表征的微区样品，然后用超声波清洗微区样品表面。
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