孪晶诱发塑性（TWIP）钢激光焊接接头的组织与性能研究

发布时间：2019-03-15 19:44

【摘要】：孪晶诱发塑性(TWIP)钢因具有极好的强塑性组合性能而得到材料研究学界的普遍关注。近十几年的研究表明,TWIP钢尤其在汽车行业作为结构材料具有广泛的应用前景,但其广泛的应用离不开先进的焊接技术。激光焊接因其能量密度高、变形小、绿色加工等优势成为21世纪先进的焊接技术之一。因而研究TWIP钢焊接接头的微观组织及力学行为具有重要的应用价值。迄今为止,关于TWIP钢焊接接头的研究相对于材料本身还很鲜见。本文对比TWIP钢激光焊接和TIG焊接接头的组织和力学性能,研究了TWIP钢激光焊接接头在拉伸载荷、疲劳载荷、冲击载荷以及应力腐蚀环境下的组织演变和性能变化。主要研究内容及结论如下:对TWIP钢分别采用TIG焊和激光焊接方法,分析接头的组织和力学性能,结果表明:TWIP钢激光焊缝的晶粒细小,未形成焊接粗晶区,TIG焊焊缝区由粗大柱状晶组成,形成了明显的焊接热影响区。由于激光焊接过程的气化导致焊缝中Mn含量有所下降,但两焊缝经XRD检测,均为单一奥氏体相。拉伸试验表明激光焊件的断裂发生在母材,TIG焊焊件沿熔合线开裂;和母材相比,两种焊件的抗拉强度和伸长率均降低,但激光焊件的强度和韧性均明显优于TIG焊件;母材和接头的断裂均为微孔联合型韧性断裂。研究了应变速率对TWIP钢激光焊接接头的力学性能以及变形和断裂行为的影响。结果表明TWIP钢母材及激光焊接试件都具有较低的屈服强度、较高的抗拉强度和较好的伸长率;随着应变速率的提高,母材及激光焊件的屈服强度显著提高,抗拉强度变化不明显,伸长率则呈下降趋势;在所有的应变速率下,母材和焊缝中均观察到形变孪晶;焊缝中形变孪晶的数量少于母材,横向焊件中形变孪晶在焊缝凝固晶界附近区域的密度最大;纵向焊件最后断裂发生在焊缝处,断裂时焊缝同时承受正应力和剪切应力作用。测试了twip钢母材和激光焊件在-196℃到室温下的冲击性能,分析了在冲击载荷下,母材和接头的变形和断裂行为。结果表明在所有测试温度下,母材冲击变形时均发生twip效应,表现出良好的冲击韧性;冲击断口由火山口状大韧窝及分布在大韧窝撕裂棱上的小韧窝组成;母材的冲击吸收功、变形过程中的形变孪晶数量和断口形貌随冲击温度变化均不明显。激光接头的冲击裂纹由焊缝扩展至母材,焊缝区冲击断口形貌为尺寸较小的细密韧窝,随着冲击温度的下降,韧窝深度变浅;twip钢激光焊件在-117℃到室温下的冲击韧性良好;在-196℃冲击温度下,焊缝区断口出现由(fe,mn)3c脆性相引起的沿晶断裂形貌,导致该温度下接头的冲击韧性远低于母材和其他温度的接头。对twip钢母材和激光焊件的疲劳性能以及疲劳裂纹的萌生和扩展特征进行了试验研究。结果表明twip钢母材的疲劳强度为252mpa,激光焊件的疲劳强度为211mpa,是母材的83.7%;疲劳裂纹扩展速率试验中,twip钢和焊件的da/dn-Δk曲线均有良好的线性关系,焊件的疲劳裂纹扩展速率低于母材。twip钢母材和接头的疲劳裂纹分别起裂于试件近表面的面状缺陷和焊趾位置的点状缺陷。母材及其接头变形过程中并未观察到形变孪晶,疲劳裂纹穿晶扩展;由于过渡区较小的弹性模量和硬度,接头裂纹由焊缝区开始向过渡区偏折扩展,沿过渡区扩展断裂。TWIP钢及其激光焊件在3.5 wt.%NaCl和pH=5.5 H2SO4溶液中的应力腐蚀结果表明,母材和焊件对NaCl溶液的应力腐蚀敏感性大于H2SO4溶液。TWIP钢在两种腐蚀液中均为阳极溶解型腐蚀,但腐蚀过程不同:TWIP钢NaCl溶液中表面首先发生严重的点蚀继而发生阳极溶解;在H2SO4溶液中材料表面首先发生全面腐蚀,应力导致材料表面的微孔连接成裂纹,促进了阳极溶解的发生。两种腐蚀介质中,焊缝的腐蚀程度都比母材严重,由于焊接残余应力的存在,应力腐蚀裂纹首先在接头处形成和扩展;激光焊接过程造成Mn、C元素在焊缝树枝晶界处发生微观偏析加重了接头的腐蚀程度。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG456.7

【参考文献】