Fe-,3-Al熔焊接頭區(qū)組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布研究.pdf

1、Fe3Al金屬間化合物獨特的性能使其具有很好的應(yīng)用前景，但由于Fe3Al屬脆硬材料，其熔焊具有很大難度。本文采用填絲鎢極氬弧焊（TIG）和焊條電弧焊（SMAW）針對Fe3Al以及Fe3Al/18-8鋼和Fe3Al/Q235鋼的焊接性進行試驗研究。以掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、高溫差示掃描量熱儀（DSC）和ANSYS有限元分析軟件等為主要研究手段，以鎢極氬弧焊（TIG）接頭為研究重點，揭示Fe3Al焊接區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)與接頭性能

2、的內(nèi)在聯(lián)系。 系列工藝性試驗結(jié)果表明，鎢極氬弧焊（TIG）采用Cr23-Ni13填充材料，焊接熱輸入5.5-6.9 kJ/cm；焊條電弧焊（SMAW）采用E310-16型焊條，焊接熱輸入9.8-11.5kJ/cm，可獲得組織性能良好的Fe3Al焊接接頭。其中，F(xiàn)e3Al/Q235接頭的剪切強度最大（591.1MPa），F(xiàn)e3Al/18-8接頭次之，F(xiàn)eaAl/Fe3Al接頭最?。?27.3MPa）。 以接頭特征區(qū)域劃分為

3、主線，展開顯微組織、微觀結(jié)構(gòu)、裂紋和斷口的針對性研究。Fe3Al接頭特征區(qū)域包括均勻混合區(qū)（HMZ）、不均勻混合區(qū)（PMZ）、部分熔化區(qū)（PFZ）和熱影響區(qū)（HAZ）。Fe3Al/18-8和Fe3Al/Q235的HMZ以γ為基體，晶界上有片狀先共析鐵素體析出。Fe3Al/18-8接頭PMZ存在殘余δML和Fe3Al小島；寬約30μm的富奧氏體帶以50-70°的角度沿PFZ分布。Fe3Al/Fe3Al的HMZ由大塊α-Fe（Al）固溶體組

4、成，PMZ形成Fe3Al熔化滯留層。Fe3Al焊接裂紋起源于PFZ，并沿PFZ及HAZ擴展。Fe3Al/18-8和Fe3Al/Q235鋼接頭剪切斷口以穿晶解理斷裂為主，F(xiàn)e3Al/Fe3Al接頭斷口為沿晶斷裂。 Fe3Al/18-8接頭區(qū)的相結(jié)構(gòu)由Fe3Al、γ-（Fe，C）、FeAl、α-Fe（Al）、Ni3Al和（Cr，F(xiàn)e）7C3組成；Fe3Al/Q235接頭區(qū)的相結(jié)構(gòu)包括Fe3Al、FeAl、Fe4Al13、α-Fe（

5、Al）、NiAl和（Fe，Cr）；Fe3Al/Fe3Al接頭區(qū)相結(jié)構(gòu)相對簡單。Fe3Al/18-8接頭HMZ中上貝氏體α相內(nèi)部具有高密度位錯亞結(jié)構(gòu)，α板條寬度在0.3μm左右，α相和γ相之間存在（110）α∥（111）γ、[110]α∥[101]γ的位相關(guān)系。下貝氏體α相板條寬度在0.2-0.5μm之間。PMZ中的ML板條寬度約為40hm，殘余γ薄膜寬度為10-20nm。Fe3Al/Fe3Al接頭PMZ中α-Fe（Al）相和Fe3C相之

6、間存在（100）Fe3C∥（110）α-Fe（Al）；[100]Fe3c//[110]α-Fe（Al）的位相關(guān)系。 揭示焊接條件下Fe3Al B2與DO3有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的兩種模式：位錯密度較大處為間隔轉(zhuǎn)變模式；位錯密度較低處DO3結(jié)構(gòu)從B2結(jié)構(gòu)中呈球形析出轉(zhuǎn)變模式，并以間隔轉(zhuǎn)變模式為主。DO3-B2相變溫度和熱焓變化焊后出現(xiàn)不同程度的降低，且焊接熱輸入越小，降低幅度越大，DO3-B2轉(zhuǎn)變逐漸向低溫發(fā)展。在表征分析、熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)

7、上，建立DO3-B2轉(zhuǎn)變的數(shù)學(xué)模型，通過控制焊接熱輸入，可獲得DO3與B2結(jié)構(gòu)比例不同的Fe3Al接頭，適用不同的工作條件。 在組織結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對Fe3Al/18-8接頭的應(yīng)力分布進行研究。將Fe3Al/18-8接頭應(yīng)力區(qū)劃分為應(yīng)力突變區(qū)、應(yīng)力過渡區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，分析熔合區(qū)、焊縫及熱影響區(qū)不同截面的應(yīng)力分布。Fe3Al側(cè)熔合區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)域，在應(yīng)力突變區(qū)主要受σy拉應(yīng)力作用，σy峰值約為σx峰值的2倍；在應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)主要承受

8、σx拉應(yīng)力；焊縫應(yīng)力突變區(qū)主要承受σy壓應(yīng)力，應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)主要受σx拉應(yīng)力作用；Fe3Al熱影響區(qū)應(yīng)力突變區(qū)主要承受σy拉應(yīng)力，應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)則主要為σx壓應(yīng)力。 本文解決了Fe3Al脆性材料熔焊時的裂紋問題，特別是在不預(yù)熱條件下的焊接裂紋問題，為Fe3Al金屬間化合物的應(yīng)用打下良好試驗和理論基礎(chǔ)。本文提出焊接區(qū)組織結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析相結(jié)合，以特征區(qū)域為研究主線的研究思路，采用表征分析、熱力學(xué)分析與數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的研究手段，為高脆性材料的