工程机械用960MPa级高强钢焊接热影响区组织与性能研究

发布时间：2018-11-24 14:27

【摘要】：随着低合金钢强度级别的迅速提升,在焊接过程中局部脆化的问题日益突出。如何改善或提高热影响区及焊缝的韧性,进而提高其综合力学性能,已经成为其能否安全运行的核心科学问题。目前,通过改变焊接热循环参数来研究裂纹起裂及裂纹扩展的方法受到了越来越多研究者的关注。本文通过采用热模拟技术,确定了Q960高强钢粗晶热影响区连续冷却转变SH-CCT图；并研究了一次焊接热循环和再热粗晶区各个亚区的组织与性能的变化规律；通过气保焊进行实际焊接接头的对接实验,研究了不同热输入对接头组织与性能的影响。对热模拟粗晶区、临界粗晶区和焊缝金属的脆化机制进行了细致的分析和系统的讨论,以期为Q960高强钢的焊接工艺制定和工程应用提供焊接基础数据和理论支持。基于此,本文的研究结果如下：(1)通过对Q960高强钢的模拟焊接粗晶热影响区连续冷却转变(SH-CCT)组织与性能的研究表明,在冷却速度为50℃/s～0.5℃/s的范围内,随冷却速度降低,相转变开始温度Ts和相转变结束温度Tf均升高,热模拟粗晶区的微观组织呈现出从板条马氏体组织为主向板条马氏体和板条贝氏体混合组织转变再到板条贝氏体和粒状贝氏体组织的一个转变。热模拟粗晶区的硬度随冷却速度的降低而降低。Q960高强钢粗晶区转变量-温度关系曲线呈反“S”形,转变量-时间的关系曲线呈“S”形,转变率与时间呈“几”形。(2)通过热模拟技术对不同冷却时间(t8/5)下的Q960高强钢焊接热影响区粗晶区组织与性能的研究表明,在冷却时间t8/5为10 s-150 s的范围内,随着冷却时间的增加,焊接热影响区粗晶区的CVN值先增加后降低,主要原因是：当冷却时间为10s时,热模拟粗晶区的微观组织为板条马氏体+少量的板条贝氏体组织,能够阻碍裂纹扩展的大取向差的晶界含量比较低,裂纹沿取向一致的板条马氏体快速扩展,韧性较差；而冷却时间为20 s时,热模拟粗晶区的微观组织为呈现“交织状”的板条马氏体和板条贝氏体的混合组织,“交织状”组织结构可以细化板条束尺寸,使大取向差的晶界含量增加,进而使裂纹在扩展时受到的阻碍增多,CVN值有所提高。当冷却时间进一步增加为40s、60s和150s时,此时的微观组织由粗大的板条贝氏体和粒状贝氏体组成,使大取向差的晶界含量降低,冲击韧性严重恶化,对这3个冷却时间下热模拟粗晶区的M-A组元与CVN值的研究表明,CVN值与M-A组元(Martensite-Austenite constituent)面积百分数呈正比关系,且块状M-A组元(Lmax2, Aspect ratio4)对韧性的损害大于条状M-A (Aspectratio4)组元,随块状M-A组元(Lmax2, Aspect ratio4)出现几率的增加,韧性呈下降(3)通过热模拟技术对Q960钢再热粗晶区各个亚区组织与性能的研究表明,临界粗晶区(ICCGHAZ)块状M-A组元(Lmax2, Aspect ratio4)沿晶界呈链状分布是导致该区域CVN值降低的主要原因。并通过改变热循环工艺参数,探索改善临界粗晶区韧性的方法,研究表明,随着峰值温度的增加,M-A组元面积分数和块状M-A组元(Lmax2, Aspect ratio4)含量先增加后降低。峰值温度为800℃时,M-A组元面积分数最大,块状M-A组元(Lmax2, Aspect ratio4)含量最多,CVN值最低。随着冷却时间的升高,M-A组元面积分数和块状M-A(Lmax2, Aspect ratio4)组元含量逐渐增加,结果CVN值在中等冷却时间下取得最高值,这主要是由于中等冷却时间下的临界粗晶区晶粒内部由韧性较好的呈现交织状的板条马氏体和板条贝氏体组成,大取向差的晶界含量比较高,能够有效阻碍脆性裂纹的扩展,CVN值有所提高。(4)采用国产GHS100焊丝,对Q960高强钢进行焊接接头对接实验,分析不同焊接热输入下焊接接头的组织及性能变化,结果表明,热输入为13kJ·cm-1、15kJ·cm-1和18kJ·cm-1时,焊缝金属和热影响区粗晶区组织类型均为板条马氏体和板条贝氏体。随着热输入的增大,焊缝金属组织中马氏体含量降低、贝氏体板条含量增多、有效晶粒尺寸减少,且贝氏体板条及板条块分布形貌由平行状向交织状转变,交织状贝氏体板条分割细化原奥氏体晶粒,细化马氏体板条,贝氏体含量的增加和马氏体／贝氏体板条的分布形貌的变化是决定焊缝金属韧性的最终原因。热输入从13 kJ·cm-1增至18 kJ·cm-1,粗晶区原始奥氏体晶粒逐渐粗化,热输入增加至18 kJ·cm-1,粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸明显增大。热输入对抗拉强度影响不大；随着焊接热输入的增大,焊缝金属抗拉强度呈下降趋势而屈服强度呈现先下降后上升趋势；焊缝金属的CVN值随着热输入的增大而增加,而焊接热影响区CVN值呈先增加后降低的变化趋势；在三种热输入下,焊接热影响区淬硬程度和软化程度均不大。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG457.11

【参考文献】