焊接熱循環(huán)下Q690CF鋼的貝氏體相變特征與斷裂微觀機(jī)制.pdf

1、自從焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵材料結(jié)構(gòu)件的制造以來，焊接接頭的組織演變以及相關(guān)性能的變化一直是焊接冶金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于焊接熱循環(huán)（主要指熔化焊）具有加熱速度快、峰值溫度高和不均勻冷卻等特征，導(dǎo)致焊接接頭容易產(chǎn)生一些缺陷，在服役過程中更容易引發(fā)災(zāi)難性的事故。尤其對(duì)于高強(qiáng)鋼來說，焊接組織沖擊韌性、抗氫致裂紋等性能的惡化嚴(yán)重制約了鋼種的實(shí)際應(yīng)用。從相變基礎(chǔ)理論研究入手系統(tǒng)地剖析焊接熱循環(huán)過程中的相變行為和熱影響區(qū)(HAZ: heat aff

2、ectedzone)的斷裂微觀特征對(duì)鋼種焊接體系設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義?；诖耍疚膰@一類低碳多元微合金化的高強(qiáng)度貝氏體鋼(CF鋼:crack free steel)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　首先研究了等溫貝氏體不完全相變現(xiàn)象。在貝氏體相變溫度區(qū)間，出現(xiàn)兩種不同相變行為的動(dòng)力學(xué)曲線。基于Johnson-Mehl-Avrami總體相變動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象模型以及相變體激活能的計(jì)算等詮釋了貝氏體相變機(jī)制:隨著相變的進(jìn)行，相變動(dòng)力學(xué)主要由界面遷移控

3、制機(jī)制向碳元素?cái)U(kuò)散控制機(jī)制轉(zhuǎn)變。貝氏體不完全相變現(xiàn)象可以出現(xiàn)在兩種不同情形下：一種是相變驅(qū)動(dòng)力較小時(shí)（即等溫溫度接近于貝氏體相變上平臺(tái)溫度Th時(shí)），碳與固溶元素的耦合固溶拖拽效應(yīng)短暫抑制了相變的進(jìn)行;另一種是碳在剩余奧氏體中的富集降低了其化學(xué)Gibbs自由能，當(dāng)剩余奧氏體與產(chǎn)物相的Gibbs自由能相等時(shí)，貝氏體相變停止。
　　定量分析了奧氏體晶粒尺寸對(duì)連續(xù)冷卻相變規(guī)律的影響。在相同冷卻制度下，細(xì)小原始奧氏體晶?？梢越档拖嘧兣R界溫度

4、，提高平均相變速度，獲得了HAZ中亞區(qū)之間的相變順序。采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)分析了焊接熱循環(huán)下部分貝氏體相變組織的晶體學(xué)取向特征:初生貝氏體板條與母相以及相鄰?qiáng)W氏體的取向關(guān)系均接近經(jīng)典的Kurdjumov-Sachs(K-S)取向關(guān)系，這種變體選擇降低了貝氏體的形核阻力。冷卻制度可以影響貝氏體相變時(shí)的變體選擇行為。當(dāng)焊接冷卻時(shí)間(t8/5)較長時(shí)，貝氏體板條以同一Bain區(qū)的小取向差角的變體配對(duì)為主，擴(kuò)大了產(chǎn)物相的有效晶粒尺

5、寸。這是形成粗大貝氏體組織的重要晶體學(xué)機(jī)制。根據(jù)不同冷卻制度下初生貝氏體的取向特征，提出一種形核貝氏體慣習(xí)面與晶界面呈較小二面角的微區(qū)變體選擇機(jī)制。
　　針對(duì)HAZ組織的斷裂微觀特征進(jìn)行研究。根據(jù)Griffith斷裂理論結(jié)合動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)力結(jié)果，建立了微裂紋的計(jì)算尺寸與硬脆相M/A(Martensite/austenite)組元寬度尺寸之間的關(guān)系，表明M/A組元寬度隨焊接工藝的變化反映了微裂紋尺寸的變化。在解理裂紋的形核位置可以觀察到

6、塊狀M/A組元的界面分離機(jī)制促進(jìn)解理開裂行為。有效晶界可以阻礙或抑制解理裂紋的擴(kuò)展。但在粗大貝氏體組織中，一個(gè)Bain區(qū)內(nèi)同時(shí)形成了多條微裂紋，通過微裂紋之間的合并導(dǎo)致快速完全解理斷裂?；陔p阻力(double barriers)模型，提出了兩種不同基體組織的解理斷裂模式。
　　焊接冷裂紋實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)焊接熱輸入量為0.92kJ/mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的HAZ出現(xiàn)焊接冷裂紋（斜Y型坡口實(shí)驗(yàn)的橫截面宏觀裂紋率高達(dá)98.5％）。焊接冷裂紋主要

7、分布在具有隨機(jī)大角取向差(20～40°)的原始奧氏體晶界上，而小角晶界或CSL晶界（如低∑值的孿晶界）均相對(duì)難以形成冷裂紋。同時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)晶區(qū)的開裂率遠(yuǎn)高于粗晶區(qū)，結(jié)合氫的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和HAZ的相變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)亞區(qū)的相變順序可能是影響相變過程中擴(kuò)散氫分布的一個(gè)內(nèi)在本質(zhì)因素。
　　埋弧焊接實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)鋼的焊接熱輸入量范圍應(yīng)控制在1.4～2.5kJ/mm之間，焊接HAZ能夠獲得較好的沖擊韌性。基于電化學(xué)氫滲透實(shí)驗(yàn)，獲得不同工藝下焊接接頭的氫滲