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1.6%C-UHCS/40Cr电致超塑性焊接工艺及机理

孙敬  
【摘要】:超高碳钢(UHCS)经热-机械处理后可获得优异的力学性能,但其中大量碳化物的存在导致其焊接性差,严重制约了工程应用。本课题基于含大体积分数碳化物的钢具有超塑性和施加电场有利于材料超塑性及固态焊接的试验事实,开展了具有大体积分数碳化物UHCS的电致超塑性焊接研究,为此类难焊材料的高质量的焊接提供了新的加工技术。 本文以球化退火态1.6%C-UHCS和整体盐浴循环淬火态40Cr为研究对象,在主要研究电场对1.6%C-UHCS超塑性压缩力学特性和微观组织影响的基础上,设计了1.6%C-UHCS/40Cr电致超塑性焊接工艺,采用对比的研究方法,对电致超塑性焊接工艺、接头组织与性能等进行分析检测,并初步提出了电致超塑性焊接接头的形成机制模型。 实验结果表明:电致超塑性压缩时,1.6%C-UHCS稳态流变应力降低,应变速率敏感性指数m值升高,超塑变形激活能Q值减小;晶粒等轴性提高,碳化物大小不均性增强,晶内可动位错增加,晶界圆弧化,即电场可提高1.6%C-UHCS超塑性变形能力,加快超塑性压缩变形过程中的物质迁移。在电场强度(1~5)kV/cm,温度(760~780)℃,焊接时间(10-20)min,初始应变速率(7.5×10-5~3×10-4)s-1条件下可实现1.6%C-UHCS/40Cr的电致超塑性焊接,电场为主要影响因素。在电场强度3kV/cm,焊接温度780℃,初始应变速率1.5×10-4s-1,焊接时间20min时,1.6%C-UHCS/40Cr电致超塑性焊接接头抗拉强度最高可达到经相同热力循环40Cr母材的83%,焊合率显著提高。焊接试样变形较小,主要表现为接头区的径向胀大。在1.6%C-UHCS/40Cr电致超塑性焊接过程中1.6%C-UHCS的电致超塑性起主要作用。1.6%C-UHCS/40Cr电致超塑性焊接接头可划分为“界面区”、“过渡区”和“母材区”三个区域。1.6%C-UHCS/40Cr电致超塑性焊接接头原界面处形成了几十至300nm的界面区,其由不连续的、大小约为20nm-150nm的球状或短棒状M_7C_3相和分布在M_7C_3之间的、不连续的、纳米尺度的Fe-Crσ相,以及少量较大的M_7C_3相及部分动态再结晶微区组成;在颗粒相之间存在由铁素体连接(α/α)、铁素体与碳化物连接(α/K)和碳化物连接(K/K)三种连接形式组成且呈随机分布的区域。施加电场,使焊接接头界面区Fe-Crσ相增多。焊接接头过渡区的组织特征为:1.6%C-UHCS侧的球状碳化物向层片状和短棒状转变;40Cr侧近界面有一层均匀分布的小球状碳化物,远离界面的过渡区组织为片状珠光体,在小球状碳化物和片状珠光体之间观察到少量的下贝氏体。电场促进了元素扩散,增加了界面两侧扩散区的宽度。施加电场后,断口中冶金结合区面积增大,接头近界面处沿晶裂纹减少。与常规超塑性焊接相比,电场使待焊材料的超塑性变形能力增强,加快了界面的破膜和接触面的贴紧过程,尤其加快了置换式Al元素的扩散。


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