基于微拉伸测试的扩散连接316H不锈钢局部机械性能与微观结构演变评估

《Materials Science and Engineering: A》：Localized Evaluation of Mechanical Performance and Microstructural Evolution in Diffusion-Bonded 316H Stainless Steel using Microtensile Testing

　　**摘要**扩散连接广泛应用于奥氏体不锈钢在高温应用中的连接，然而粘接界面的力学行为仍未得到充分表征，特别是在高温条件下尤为不足。在本工作中，通过对一系列扩散连接参数制备的316H不锈钢扩散连接接头进行室温及760°C下的微型拉伸试验，评估了局部拉伸性能。系统地变化了连接温度、保温时间、界面压力和表面粗糙度等连接参数，并报告了这些变量下的力学性能。此外，还进行了显微组织表征，以建立界面显微组织与力学性能之间的关系。测得的拉伸响应显示出对面部晶粒生长的明显依赖性，其中较大的晶粒生长和界面处的连续性改善了对韧性，并提高了极限抗拉强度。结果表明，扩散连接316H的力学性能对面材的表面粗糙度也有明显依赖性。在所考察的条件中，1050°C保温1小时、8 MPa压力下、400目表面处理的连接条件产生了最优的高温延展性和强度组合。1150°C保温1小时、16 MPa压力下、400目表面处理的连接条件在高温下也表现出良好的力学性能。这些结果表明，微型拉伸试验可以作为一种实用且有效的方法，用于评估扩散连接质量并将界面显微组织与局部力学行为联系起来。**引言**下一代核能系统需要高效、可靠的部件来满足不断增长的电力需求，同时支持气候目标[1]。高温能系统中的一个关键部件是中间换热器（IHX），它在从一次冷却剂传递热能的同时，在一次回路和二次回路之间保持物理屏障以增强安全性[2]。壳管式换热器在极高温、高压工况下存在一些缺点，包括高压降以及微管与集箱连接时的问题[3]。在紧凑型换热器概念中，印刷电路换热器（PCHE）尤其适用于这些工况。PCHE通过将流道化学蚀刻在金属板上，然后将叠放的板件固结成含有密集微通道网络的整体块状体来制造[4]。扩散连接是一种在较高温度（通常为0.5T_m至0.8T_m，其中T_m为熔点）和适中压缩压力下进行的固态连接方法，可在不熔化基体材料的情况下实现冶金结合[5]、[6]。与其他焊接方法相比，扩散连接在高温服役方面具有明显优势，因此是此类应用中极具吸引力的连接方式[7]。扩散连接的关键变量包括连接温度、施加压力和保温时间，以及适当的配合面制备以促进紧密接触和界面扩散[8]。在理想情况下，扩散连接接头可达到较高的耐热性和强度，因为该工艺不使用填充材料且避免了基体材料熔化[9]。在实际操作中，板面通常先进行制备以达到可接受的表面光洁度或平整度，然后进行化学清洗以去除氧化物和污染物，使表面制备成为实现高质量连接的关键步骤[10]。316不锈钢的高碳等级（316H）旨在提供可靠的高温力学性能[11]。在英国，316H已被用于高温电力行业应用中的锅炉部件，其中蠕变损伤和部件寿命评估是关键问题[12]。它还被用于第四代核电技术，包括钠管道和快堆压力容器等部件[13]。尽管有这些优势，316H的高温性能仍强烈依赖于微观组织，因为σ相等相可能形成，δ铁素体可能根据加工历史而存在，晶界析出物可影响变形和损伤演化[14]。微型拉伸试验是评估奥氏体不锈钢和核结构材料力学性能的成熟方法。四种微型Type 316试样几何形状在高达600°C的测试中显示出总体上一致的拉伸性能[15]。在室温和700°C下，微型和常规奥氏体钢Sanicro 25试样的屈服强度和极限抗拉强度之间观察到良好的一致性[16]。SS-J2和SS-J3类型样品也被用于表征高达600°C的轧制和增材制造316L[17]、[18]。作为类似案例，微型拉伸试验被用于表征550°C和600°C下P22和P91钢焊接件局部性能[19]。还在多晶304不锈钢上进行了微型拉伸试验，并将结果直接对比以评估拉伸性能如何随试样尺寸变化[20]。近期工作强调了试样几何形状、制备、测量程序以及材料依赖的尺寸效应对次尺寸拉伸试样的重要性[21]。全场位移和应变分布可通过多种方法获得，包括数字图像相关（DIC）[22]、无网格随机网格（MRG）技术[23]和直接应变成像（DSI）[24]。拉伸试验结合DIC已被用于表征316L不锈钢中的局部变形，包括辐照和增材制造条件[25]、[26]、[27]。还在18MND5/316L异种金属焊缝界面进行了靶向界面的微型拉伸试验结合DIC的进一步工作[28]。对于扩散连接316L，使用微型拉伸试样观察到界面开裂和微孔演化[29]，同时使用DIC表征了局部应变分布[30]。扩散连接316H的拉伸行为与晶界迁移和富铬碳化物形成相关[31]。近期一项研究[32]，包含本工作的多位共同作者，开发了316H扩散连接过程中晶粒和孔隙演化的相场模型，结合EBSD分析和室温微型拉伸试验与DIC应变映射[32]。尽管有这些进展，但结合跨越连接界面的微型拉伸试验、全场DIC、EBSD和断口分析来表征高温下扩散连接316H局部变形的研究仍有限。本研究通过研究多种连接条件下760°C时连接线微观组织与局部力学性能（包括局部强度、延展性、应变局部化和断裂行为）之间的关系来填补这一空白。本工作旨在为扩散连接316H不锈钢建立一个类似的框架，系统地评估连接温度、界面压力和保温时间如何控制界面微观组织演化以及室温和高温下相应的力学响应。**材料和实验方法**固溶退火的奥氏体不锈钢316H在不同连接条件下进行了扩散连接。该合金通常含有约16-18 wt.% Cr、10-12 wt.% Ni和2-3 wt.% Mo，碳含量相对较高（0.04-0.08 wt.%）。与316L相比，较高的碳含量导致M??C?碳化物形成并提供高温晶界强化。316钢的典型化学成分见表1。在标准连接过程中，目标温度**原始轧制316H板（3/8英寸）EBSD**如图2所示，原始316H轧制材料表现出完全再结晶的等轴奥氏体晶粒结构，平均晶粒尺寸在数十微米范围内。反极图（IPF）映射确认缺乏显著宏观织构，其特点是晶粒取向随机分布且Σ3退火孪晶频率高。相应的核平均失配（KAM）分析表明状态相对均匀，处于低水平**讨论**微型拉伸试验可能具有代表性，尤其是与标准拉伸行为中的强度方面；而延伸率对增加离散性的小尺度效应更为敏感。强度指标（屈服强度和UTS）主要取决于塑性流动的开始和峰值，通常不受标距长度和位移变化的影响，这解释了微型拉伸UTS值（559-588 MPa）与标准尺寸拉伸结果（UTS值587-650 MPa）之间更强的一致性。**结论**在本研究中，使用微型拉伸试验分析了室温和760°C下扩散连接316H不锈钢的局部拉伸行为，旨在识别能产生类似基体强度和延展性的连接条件，同时最小化连接线断裂。主要结论如下：- **760°C下最佳性能条件：** 1050°C保温1小时、8 MPa压力下、约400目表面制备的连接产生了最优的高温强度和延展性组合。**作者贡献声明****Intisher Al-Tahmid Omi：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，方法学，调查，形式分析，数据整理。 **Mahmud Hasan Ovi：** 写作 – 审阅与编辑，可视化，方法学，调查，形式分析，数据整理。 **James F. Stubbins：** 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，方法学，调查，资金获取。 **Peng Wang：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法学，调查，形式**利益冲突声明**作者声明他们不知道可能影响本文所报告工作的竞争财务利益或个人关系。? 作者声明他们不知道任何可能影响本文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。**致谢**本研究由美国能源部核能办公室的核能大学项目（NEUP）资助，综合研究计划项目题为"推进紧凑换热器的扩散连接"，项目编号为IRP-22-27979。本研究部分在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校先进材料测试与评估实验室和材料研究实验室中央研究设施中完成。Intisher Al-Tahmid Omi | Mahmud Hasan Ovi | Tamim Hossain | Peng Wang | Todd Allen | James F. Stubbins伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校核、等离子体与辐射工程系，美国