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低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A与45钢惯性摩擦焊研究

徐轩曦  
【摘要】:低合金超高强度(HSLA)钢30CrMnSiNi2A由于具有超高的强度、优异的疲劳性能和良好的塑韧性,多用于航空航天和军工领域的高承载重要零部件。中碳钢有着优良的切削加工性能和相对便宜的价格被广泛应用在车轴零件和齿轮等生产元件。因此将低合金超高强度钢和中碳钢相结合,可以充分利用两种金属的优点,在焊接领域有广泛的应用前景。然而不同钢的导热系数和化学成分都不相同,因此获得良好的焊接接头成为了关键。低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A在实际工程应用中经常需要进行同种材料或与异种钢材(如45钢)焊接,而摩擦焊焊接技术有效抑制了熔焊过程中在焊缝界面碳钢侧的脱碳层和接头碳化物的形成,另外短的焊接时间和相对低的热输入有利于减少接头处软化区域的宽度。因此,惯性摩擦焊(IFW)作为典型的固态焊接技术,已经被成功运用到同种或异种钢的焊接。本文以30CrMnSiNi2A和45钢为母材,在30CrMnSiNi2A焊接性研究基础上,开展了30CrMnSiNi2A/45钢异种材料的惯性摩擦焊工艺研究,并研究了热处理工艺对接头组织与性能的影响,主要研究结果如下:(1)30CrMnSiNi2A具有良好的惯性摩擦焊适应性。随着焊接初始动能的变大,热输入增加,接头的冶金结合变得充分。焊接棒材由表及里的显微组织变化呈现细-粗-细的变化。外围区域是板条马氏体,1/2半径区域由于组织相变产生条块状马氏体,往中心区域移动时马氏体逐渐消失,铁素体增加,而在中心区域组织变为为铁素体和细粒渗碳体。焊后热处理使30CrMnSiNi2A IFW接头性能极大提高,初始动能15.30KJ的IFW接头热处理后的抗拉强度达1730MPa,伸长率12%,接头效率达到95%,断裂位置在母材处,断口以塑性断裂为主。相比焊后强度提升了近2.5倍,且依然保持好的塑性,接头综合力学性能良好。因此15.30KJ下30CrMnSiNi2A接头焊接性能优异,为30CrMnSiNi2A/45异种材料IFW提供了焊接性参考。(2)45钢和30CrMnSiNi2A可以用惯性摩擦焊技术成功结合在一起。研究了焊接转速对显微组织和力学性能的影响,随着转速的增加,抗拉强度先增加后减小。2200 rpm下接头的综合力学性最佳,抗拉强度达713 MPa,伸长率15.3%,冲击韧性28.8 J/cm~2,拉伸试样断裂在45钢母材,此时接头效率最高为97%。转速的提高(2800rpm)增加了45钢中焊接热影响区的宽度,使断裂位置出现在45钢热影响区。硬度测试表明,焊缝处的硬度值高于两侧母材值,接头最高硬度出现在30CrMnSiNi2A为581HV。接头高的强度与韧性结合是由于组织相变生成板条马氏体、贝氏体、珠光体、超细的铁素体与渗碳体。焊接缺陷出现在转速为1000rpm,接头效率仅为63%,这是由于接头表面的杂质和低的热输入造成了冶金结合不充分,导致接头断裂在焊缝。(3)试样整体炉内热处理使30CrMnSiNi2A/45 IFW接头组织变得相对均匀。30CrMnSiNi2A一侧组织全部转变为回火马氏体,45钢一侧组织为珠光体、铁素体和少量的回火马氏体。热处理后接头在2200rpm时依然有良好的综合力学性能,拉伸试样断裂在45钢母材。而在2800rpm时45钢中出现了粗大的魏氏组织,降低了接头的力学性能,导致断裂位置在45钢的热机械影响区。(4)形成好的IFW接头是由于接头处发生了热机械耦合、元素扩散和组织相变。塑性变形区的组织发生动态再结晶在摩擦压力下通过机械咬合结合在一起,实现了物理上的连接。接头处的元素扩散和组织的相变使接头结合的更紧密,实现了化学上的连接。


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