近日，来自英国萨里大学与英国原子能管理局的科研人员完成了一项关于激光焊接P91钢残余应力及高温力学性能评估的研究，相关成果已发表在《Journal of Materials Research and Technology》，题目为《Assessing residual stress and high-temperature mechanical performance of laser-welded P91 steel for fusion power plant components》。
一、研究背景
在全球能源需求持续增长和碳排放压力加剧的背景下，核聚变作为清洁高效的能源解决方案备受关注。聚变堆内部构件，如换热器管道和冷却剂管路，需在高达650℃的高温环境下长期服役，其可靠性依赖于精密的远程激光焊接技术。然而，焊接过程中产生的狭窄热影响区（HAZ）会引发显著的微观组织变化和非均匀残余应力，导致材料力学性能退化，甚至诱发裂纹，严重威胁构件的使用寿命。
P91钢（ASTM A335）作为一种高铬铁素体/马氏体钢，凭借优异的高温抗蠕变抗力和焊接性能，成为核反应堆关键结构部件的首选材料。但激光焊接形成的熔合区（FZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）界面处，残余应力呈现复杂的梯度分布，传统的毫米级测量技术（如轮廓法、中子衍射）难以捕捉微米尺度的应力异质性，导致对焊接接头变形机制的理解存在关键缺失。因此，建立一种能够关联微观组织、残余应力与力学性能的跨尺度分析方法，成为优化激光焊接工艺、保障聚变堆构件结构完整性的迫切需求。
二、研究目的
本研究旨在开发一种多技术耦合的表征方法，定量分析激光焊接P91钢接头中残余应力的微尺度分布，揭示其对显微硬度和拉伸性能的影响规律，并阐明室温与高温（550℃）下的变形与断裂机制差异。具体目标包括：
- 利用等离子聚焦离子束—数字图像相关技术（PFIB-DIC）和纳米压痕技术，精确测量窄小焊接区域（FZ/HAZ/BM 界面）的残余应力分布；
- 通过电子背散射衍射（EBSD）分析显微组织演变，结合拉伸测试与数字图像相关（DIC）技术，关联残余应力、微观结构与局部应变演化；
- 评估高温环境对焊接接头力学性能的影响，通过断口形貌分析揭示不同温度下的断裂机制。
三、研究方法
1.材料制备与显微组织表征
实验采用6mm厚的P91钢板，经1050℃正火、水淬及760℃回火处理后，通过5kW光纤激光进行对接焊接（焊接速度1.2m/min），形成全熔透接头。利用场发射扫描电镜（SEM）结合EBSD技术，分析FZ、HAZ和BM区域的晶粒尺寸和取向分布，发现FZ区晶粒显著粗化，HAZ区晶粒细化，BM区为回火马氏体组织，无有害δ-铁素体相。
2.残余应力测量技术
- PFIB-DIC环芯法：通过等离子聚焦离子束在焊缝各区域加工环形凹槽，释放局部残余应力，利用数字图像相关技术测量应变松弛（Δεx, Δεy, Δεxy），结合晶体取向计算的各向异性弹性常数（Ex, Ey, νx, νy），推导面内残余应力分量（σx, σy）及主应力（σ1, σ2）。
- 纳米压痕技术：通过对比应力释放区（环芯）与原始区域的载荷 - 位移曲线，结合Lee模型和PFIB-DIC测得的应力比（k=σ1/σ2），评估不同深度（500nm和1000nm）的残余应力，同步测量微硬度分布。
3.力学性能测试
- 室温拉伸测试：采用狗骨状试样，通过DIC技术监测局部应变分布，在FZ、HAZ和BM区域布置虚拟引伸计，分析残余应力对低应力区（弹性阶段）和高应力区（塑性阶段）应变演化的影响。
- 高温拉伸测试：使用电热机械测试系统，将试样加热至550℃并保温2分钟，以0.02mm/s 速率拉伸至断裂，对比室温和高温下的屈服强度、延伸率及断口形貌差异。
四、研究结论
1.残余应力的微尺度分布特征
PFIB-DIC测量表明，焊缝区域存在显著的应力梯度：在FZ/HAZ界面处出现峰值拉应力（150MPa），而HAZ/BM界面处存在峰值压应力（550MPa），应力幅值随距焊缝中心距离增加而逐渐衰减。纳米压痕结果与PFIB-DIC高度吻合，证实了残余应力的非均匀性，且表层（500nm）应力幅值略高于深层（1000nm），归因于纳米尺度下的位错密度效应和接触面积测量误差。
2.残余应力对显微硬度的定量影响
显微硬度分析显示，HAZ区硬度最高（6.5GPa），BM区最低（3.1GPa）。通过对比应力释放前后的硬度差异，发现压应力使FZ区硬度提高16%，HAZ/BM 界面硬度提高25%，而FZ/HAZ界面的拉应力导致局部软化（硬度降低 10%）。这表明残余应力与微观组织（马氏体相变、碳化物溶解）共同决定了焊接接头的硬度分布。
3.拉伸变形机制与温度效应
室温拉伸行为：DIC监测显示，低应力区（弹性阶段）的应变演化受残余应力主导—HAZ/BM界面的压应力使应变降低6.5%，FZ/HAZ界面的拉应力使应变增加3.2%；高应力区（塑性阶段）则由微观组织强化主导，FZ区因马氏体组织和细晶强化表现出最高屈服强度（568MPa），BM区因延展性优异成为最终断裂位置。高温力学性能退化：当温度升至550℃时，接头屈服强度从532MPa降至345MPa，延伸率从12%降至8%，呈现显著软化。断口分析表明，室温下为韧性—脆性混合断裂（韧窝与准解理面共存），而高温下以韧性断裂为主，但脆性区的解理特征减少，反映出温度对裂纹扩展机制的显著影响。
五、未来展望
本研究建立的多技术耦合方法为激光焊接接头的残余应力评估提供了高精度工具，实验数据可直接用于验证有限元模拟，进而构建数据驱动的机器学习模型，实现焊接工艺参数的智能优化。未来研究可聚焦以下方向：
- 跨尺度应力—组织—性能关联模型：结合微纳尺度残余应力数据与宏观力学响应，建立多物理场耦合模型，预测长期高温服役下的疲劳与蠕变行为；
- 动态应力演化监测：开发原位测量技术，实时追踪焊接过程中残余应力的形成与释放，揭示冷却速率、相变动力学对最终应力分布的影响；
- 工程化应用验证：针对聚变堆典型服役环境（如高温、中子辐照耦合载荷），评估残余应力对裂纹萌生与扩展的加速效应，为构件寿命预测提供关键参数。
该研究成果不仅为P91钢激光焊接工艺优化提供了理论依据，更对高温结构材料在能源领域的可靠应用具有普适性指导意义，推动核聚变反应堆从实验室走向工程化的关键进程。
萨里大学工程材料中心研究员、同时也是该研究的主要作者Bin Zhu博士说：“我们的工作为评估聚变反应堆和各种极端环境中焊接接头的结构完整性提供了蓝图。我们开发的方法改变了我们评估残余应力的方式，可以应用于多种类型的金属接头。这是为核电部门设计更安全、更具弹性的组件方面迈出的重要一步。
参考资料：
- https://www.eurekalert.org/news-releases/1082107
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785425005071