具有中間夾層的Cr與UHCS的超塑性固態(tài)連接焊接接頭的組織與性能畢業(yè)論文

PAGE17具有中間夾層的40Cr/ＵHCS超塑性固態(tài)焊接接頭組織及性能摘要超塑性是指材料在一定的組織及變形條件下,呈現(xiàn)出異常高延伸率而不產(chǎn)生頸縮與斷裂的現(xiàn)象。超塑性固態(tài)焊接是一種基于材料超塑性的固態(tài)焊接新技術(shù),具有重要的使用價值和工業(yè)應(yīng)用前景。本文以ＵHＣＳ-1.６C和40Cr為研究對象,在研究UHCＳ-1。６C/4０C恒溫超塑性固態(tài)焊接實驗的基礎(chǔ)上,探討了UHCS—１．6C／40Cr添加中間夾層的超塑性固態(tài)焊接可行性,即研究了基于中間夾層的UHＣS－1.６C／４0Cr超塑性焊接工藝，觀察分析了超塑焊接頭區(qū)顯微組織、焊接缺陷,研究了中間夾層對超塑性固態(tài)焊接的作用，初步探討了超塑焊接頭形成機制.實驗結(jié)果表明:采用Ｃu中間層進行超塑焊接時,焊接缺陷較多,接頭強度較低;采用低碳鋼中間層在焊接溫度７80℃、初始應(yīng)變速率0。5×10-4ｓ—1條件下焊接30ｍｉn，可獲得最高拉伸強度達398ＭPａ的焊接接頭；采用工業(yè)純鐵中間層在焊接溫度７80℃、初始應(yīng)變速率０.5×１0-４s-1條件下焊接１5ｍin,可使接頭強度達到5６0ＭPa，是相同熱力循環(huán)下40Cr母材強的85％,中間層與母材發(fā)生了良好的冶金結(jié)合;與不加中間夾層的超塑焊相比，具有中間夾層的超塑焊接頭抗拉強度顯著提高。關(guān)鍵詞:超高碳鋼,４0Cr，超塑性焊接,中間夾層，接頭質(zhì)量?ThｅMicｒoｓtruｃtuｒｅａndPropeｒtieｓoｆUHＣＳ/40CｒSupｅrpｌａｓtｉcＳｏliｄ-Sｔａt(yī)ｅWelｄingjoｉntviainterｌaｙerABSTRＡCTSuｐerplasticiｔyrｅfersｔotheorgａｎizationofacertaiｎmｉcｒosｔｒuctureaｎddefｏrmatiｏncondｉtｉons,sｈｏwedａbnoｒmaｌlyｈｉgheｌongationwithｏutnｅｃkｉｎgａndfrａｃturｅphｅｎomenon.SuperplasticSｏlid—sｔａt(yī)eＷeldｉngｉsａｕseｓuperpｌａstｉcofmateｒialsundeｒceｒtaiｎcｏｎditｉonｓofwｅldingteｃhnolｏgy.ThiｓpａｐerstuｄｉedｔhemicrｏstｒucｔｕreａndpropeｒtiesofwelｄedｊoｉntsofSupｅrplasticＳoliｄ－staｔeWeldingofUHCS—１．6Ｃ/40Cｒｗitｈinterlayｅr．Intｈisｐaper，UHCＳ－1.６Canｄ４0Crａsthｅresearcｈoｂjecｔ,superｐlasｔiｃsoｌiｄ—stateweldingteｓtｂyｃoｎstaｎttemｐeｒatｕrｅ，Eｌeｃｔｒonictensiletestａnｄobｓeｒvａt(yī)ｉon,Etc．Dｉscｕssedｔｈefeaｓibiｌityofsuｐerpｌａsticsoｌiｄ-stａt(yī)ｅweｌdinｇwiｔhintermediａt(yī)esａｎdwｉcｈanｄｔhｅiｎｆlｕeｎcｅｏfpｒoｃeｓｓparameｔers。Analyzedｔheinterlayeroｎｔherｏleofsupｅrplastｉcsolid—sｔａt(yī)ewｅｌｄｉｎg.Ａnｄcarrｉeｄｏuｔmｉｃｒosｔrucｔureanaｌｙｓisofweidedjoints，aｎalysｉｓｏftｈejoiｎｔaｒｅａdefｅcｔ,micｒoｓtructｕreａnａlysiｓofthecｏｎnectionzｏne，ａndthemechanismofｓuperpｌａsticwｅｌdingbyobｓｅrvａt(yī)ｉｏnwｉｔhｊｏｉntofUHCS-1.6C/４0Cr。Ｔherｅsuｌtsshowtｈａt(yī)：tｈｅmiｄdlelayerｕｓedCusupｅrplaｓtiｃwｅldinｇ,ｗeｌdiｎgｄｅfｅｃtsaｒemｏrelｏｗjｏiｎtstreｎgtｈ；theｍiddleｌayｅroｆｌｏｗcarｂonｓteｅｌwelｄingｔeｍpeｒａt(yī)ure78０℃，initｉalstｒａinrateof０．5×１0-4s-１Ｗｅldingｃｏｎｄitionｓ3０mｉn,formaximumtensilestｒengｔhｏfwｅlｄeｄjｏｉnｔsof３98ＭPa；ｔhｅmidｄlelayeroｆｐｕreｉronuｓeｄintheweldingteｍperaｔｕreoｆ780℃,ｉnitｉａｌstrainrateｏf0．5×1０—4s－1uｎdｅrｔｈecoｎdｉtionｓofｗeldｉng15min,ｍakeｊoinｔstrengtｈreaｃhed5６０MPa，is40Crunｄerthesaｍetｈerｍoｄｙnamicｃｙclｅfor８5％ofthｅbasemｅtalstrength．Thｅmｉｄdlelaｙｅrａｎdthｅbａsｅmｅtalｈadａgooｄｍetaｌlurgｉcａlbｏnd，thejoｉnttｅnｓiｌestrｅngｔhdiｒectlyｃompareｄwithｔhesameｗeldinｇprocessparameterssignｉfiｃａｎtlyｉmｐroved。KEYWＯＲDＳ:UHＣＳ，40Cｒ,supｅrpｌastｉcweｌｄing,intｅrlayer,Wｅlｄｉngｑualiｔy

目錄TOC＼ｏ”1—3"\h＼uHＹＰERLIＮK\l_Toc2５790第一章緒論 PAＧEREF_Tｏc25790１HYPERＬINK\l＿Toc２４071§１.１研究背景 ＰAＧＥREF＿Toｃ240711ＨYＰEＲLINＫ\l_Ｔoc272４３§1.240Ｃｒ與UHＣS的焊接性分析及應(yīng)用?ＰAＧEREF_Toｃ27２431HＹPERLINK\l_Toc７605§1。3超塑性固態(tài)焊接?PＡＧERＥF_Toｃ760５2HYPＥＲＬＩNＫ\l_Toc３0442§１。４中間夾層在固態(tài)焊接中的作用及選取 PAGＥREF＿Ｔoc３04４2４HYPERLIＮＫ\l＿Toc２37４６§１.5本課題研究的主要內(nèi)容和目的?PAＧEREF_Toc237４64ＨYPERLINK\l_Toｃ14020第二章實驗方法?PAＧＥREF＿Ｔoｃ140２０6HＹPERLIＮK\l_Toc9８０6§２。1實驗設(shè)計路線?PＡＧERＥF_Toc98066HYPEＲＬINK\l_Tｏc１5982§2.２實驗材料 PAＧEＲEF_Ｔoc15９827HYＰERLIＮK\ｌ_Toc25478§2.3實驗設(shè)備 PAGEREＦ＿Toc25４789HYPERＬIＮＫ\l_Toc1729§2.4實驗參數(shù)的選取和實驗步驟?PAＧＥREＦ_Toc1729１0HYPERLINK\ｌ_Toc530６§２。5接頭性能評價?３０610HYＰEＲＬINK\l_Ｔoc１38８8第三章實驗結(jié)果的分析與討論?PAGＥRＥF_Toc１38８81３HYＰＥRＬＩNK\l_Toc6１５1§3．1具有中間夾層與直接焊接的強度對比 PAGEＲEＦ_Ｔoc615113HYPERLＩNＫ\ｌ_Ｔｏc2６008§3.2焊接時間對接頭強度的影響 ＰAGＥＲEＦ_Ｔoc２60０814HYPERLINＫ\ｌ_Toc４709§3。3中間夾層材料對接頭強度的影響?PAGEＲEF_Toc4７0915HYPERＬＩＮK\l＿Ｔｏｃ16６2７§３．4顯微組織觀察與分析?ＰAGEＲEF_Toc１662716ＨYPEＲLINＫ\l_Toc302３４§３。4.140Ｃｒ與UHCS的組織分析?PＡGEREF_Toc3０2３4１6ＨYＰERLIＮK\ｌ_Tｏｃ１35９5§3.4。2接頭的顯微組織觀察與分析 ＰAGＥＲＥF_Toc1３59５17HYPERLINK\ｌ＿Toc1４826§3。4。３顯微硬度分析 PAＧEREＦ_Ｔｏc１482６19HYPERLINK\l_Ｔoc3７１0§3。５焊接機理初探 PAGEREＦ_Tｏc3７1021ＨＹPEＲLＩNK\l_Toc11883結(jié)論?PAGＥREF_Ｔｏc1１8８３２２HYＰEＲLＩNK\l＿Toｃ24982參考文獻?PＡＧＥRＥF_Toc2４982２3HYＰERＬINＫ\l＿Ｔoc292８致謝 ＰAGＥＲEF_Toc2９28２５TOC\o＂1—3＂＼ｈ\u河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)第一章緒論§１。1研究背景超高碳鋼(UHCＳ)是指含碳量在1．0％～２.１％的碳鋼.采取一定的處理工藝使超高碳鋼的組織得到充分細化之后,該鋼除了具有高強度和一定的韌性之外，還具有良好的超塑性,有望代替部分中高碳鋼和合金制作工模具、鋼絲、結(jié)構(gòu)件等，使超高碳鋼成為開發(fā)廉價的新型高強度鋼.大大拓寬了超高碳鋼的應(yīng)用前景［１］。40Cｒ有良好的力學(xué)性能,主要用于制造重要的調(diào)質(zhì)零件，如齒輪、軸、套筒、連桿螺釘、螺栓、進氣閥等可進行表面淬火和碳氮共滲［2]。４０Cr與超高碳鋼的焊接可以達到兩者的優(yōu)勢互補.因此，如何實現(xiàn)40Cr與超高碳鋼的優(yōu)質(zhì)焊接是國內(nèi)外比較普遍關(guān)注而又亟待解決的問題。固態(tài)連接可以實現(xiàn)40Cr和超高碳鋼的焊接，添加中間夾層是固態(tài)焊接中常用的工藝?！欤?240Cr與ＵHCS的焊接性分析及應(yīng)用由于UHＣＳ具有高的強度、硬度以及耐磨性,因此,UHCS不僅有望替代部分中高碳鋼以及高合金鋼制造工模具,鋼絲，結(jié)構(gòu)件，從而顯著提高其使用壽命，而且利用其良好的固態(tài)連接特性，還可以與自身或其他金屬基材料（如不銹鋼,中碳鋼，黃銅，鋁青銅等）連接制備成新型高性能層狀復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)[3].通過對其表面進行激光淬火，細化表面組織,可以實現(xiàn)較好的連接?？墒抢萌刍负茈y形成質(zhì)量良好的焊縫,并且利用釬焊連接強度低。因其具有超塑性,固態(tài)焊接是形成ＵHCS焊接接頭的有效方法。UＨCS的焊接有以下問題：1.UHCＳ的導(dǎo)熱性差,焊接區(qū)和未加熱部分之間產(chǎn)生顯著的溫差,當(dāng)焊縫急劇冷卻時,在焊縫中引起的內(nèi)應(yīng)力，很容易形成裂紋.２．ＵHＣS對淬火更加敏感，近縫區(qū)極易形成馬氏體組織.由于組織應(yīng)力的作用,使近縫區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。3。由于焊接高溫的影響，晶粒長大快，碳化物容易在晶界上積聚、長大,使焊縫脆弱,焊接接頭強度降低。４。UHCS焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋.５。ＵHCS的塑韌性差,是難焊材料，難以與其他金屬進行良好焊接.UHCＳ和４0Cr的超塑性固態(tài)擴散焊接頭的力學(xué)性能較差，國內(nèi)外的研究主要通過工藝和焊接參數(shù)來改善焊接接頭質(zhì)量。一般的方法有：1.對焊件表面進行淬火處理,細化表面組織；2。電致超塑性焊接；3。相變超塑性焊接；4.添加中間夾層。國內(nèi)報道了對焊接面進行激光淬火，細化了表面組織,實現(xiàn)了１．4%C超高碳鋼和40Cr的超塑性焊接。利用在焊接過程中加入一定的電場，可以大大提高焊接接頭的強度.但是相關(guān)４0Cｒ與UHCＳ添加中間夾層的超塑性固態(tài)焊接的研究尚未見文獻報道。§1。3超塑性固態(tài)焊接超塑性是指材料在一定組織和變形條件下可呈現(xiàn)出異常好的塑性變形能力[４］。192０德國W.Rｏｓｅnhain［５]等人發(fā)現(xiàn)Zｎ-４％Cu－7％Al共晶合金在特定條件下具有超塑性性能；后來英國Ｃ.P.Pｅarson對擠壓態(tài)Ｐｂ-Sn、Bi—Sｎ共晶合金在緩慢的應(yīng)力作用下拉伸，延伸率竟高達２000%;１９４5年，前蘇聯(lián)A。A．Bｏcｈvar等在Aｌ-Zn系合金中也發(fā)現(xiàn)了塑性異常高的現(xiàn)象,并首次提出了“超塑性"的概念[6］。1９64年，美國W。A。Bａckofｅn在對早期研究深入分析的基礎(chǔ)上提出了超塑性基本方程(σ＝kｍ）［7]。目前己發(fā)現(xiàn)了一百多種金屬材料的超塑性,并深入研究了超塑變形機理,掌握了不少使金屬呈現(xiàn)超塑性的方法.特別是近些年來，超塑成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)實際中，如模具的超塑成型、儀器儀表及航空航天技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜構(gòu)件等.超塑性一般分為兩大類：1。組織超塑性,又稱細晶超塑性或恒溫超塑性，它是在一定的組織和變形條件下實現(xiàn)的,組織條件是要求晶粒超細化（一般<１0μm）、等軸化和穩(wěn)定化，具備上述條件的材料在一定的變形溫度（大于0．5Tm）和應(yīng)變速率（=10-4-10－１/s)下，以不同于常規(guī)的塑性變形機制在較小的應(yīng)力作用下進行超塑流變，獲得極高的延伸率，是目前研究和應(yīng)用最多的超塑性［8]。2.相變超塑性或內(nèi)應(yīng)力超塑性,是指在很小應(yīng)力作用下，通過循環(huán)加熱冷卻，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)反復(fù)發(fā)生變化而產(chǎn)生的超塑性，凡是具有固態(tài)相變的金屬和合金皆可以通過溫度循環(huán)產(chǎn)生超塑性，而無需組織超細化.但由于需對溫度循環(huán)進行控制，給工業(yè)應(yīng)用帶來一定的困難。在超塑性變形時，材料具有下列特征［9］：1。流變應(yīng)力較常規(guī)塑性變形急劇減小，在低應(yīng)力下塑性變形能力明顯增大;2。拉伸時無頸縮現(xiàn)象；3.流變應(yīng)力對應(yīng)變速率非常敏感；4.不產(chǎn)生加工硬化,易于壓力加工和精密成形；5.組織相對穩(wěn)定，即晶粒長大很緩慢；６.塑性變形以晶界滑動為主，晶界擴散比較明顯.基于此,超塑性可以應(yīng)用于塑性加工、焊接、模具制造、熱處理、機械加工、粉末冶金等領(lǐng)域。目前超塑成形技術(shù)在航空、航天、軍工等行業(yè)的應(yīng)用已帶來了巨大的經(jīng)濟效益，超塑成形／擴散連接(SPF/DB）技術(shù)已成為航空制造工業(yè)中無可替代的關(guān)鍵技術(shù)[１0］。固相連接的本質(zhì)是接觸面兩側(cè)很薄一層（幾個晶粒厚)材料形成的冶金結(jié)合。固態(tài)焊接是指材料在低于其熔化溫度和一定的壓力作用下,使相互接觸的材料表面緊密接觸,并通過原子擴散和鍵合形成冶金連接的過程［11］。它是通過各種物理方法克服兩個連接面的不平度,除去氧化膜及其他污染物,使兩個連接表面上的原子相互接近達到晶格距離以形成金屬間原子結(jié)合,從而在固態(tài)條件下實現(xiàn)待焊件的連接。與熔化焊相比,固態(tài)焊接接頭區(qū)不經(jīng)過熔化和凝固過程，易獲得高質(zhì)量的接頭，因而，對固態(tài)焊接的需求日趨增多。隨著超塑性研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料處于超塑狀態(tài)時，可在低應(yīng)力下實現(xiàn)比較大的塑性流變，并具有強烈的激活狀態(tài)，非常有利于實現(xiàn)待連接面的密合和破膜，擴散從而實現(xiàn)固態(tài)連接,這種基于材料超塑性的固態(tài)焊接技術(shù)即超塑性固態(tài)焊接,它兼有變形焊和擴散焊的機制和優(yōu)點，且沒有熔化焊的焊接缺陷，易滿足精密焊接的要求，因而在現(xiàn)代制造業(yè)中有良好的應(yīng)用前景[12］。超塑性固態(tài)焊接是利用材料在超塑變形時的塑性流變與擴散而實現(xiàn)的固態(tài)焊接[13］。該焊接方法所需的壓力小（與擴散焊相當(dāng))；加熱溫度不高（介于冷壓焊與熱壓焊、擴散焊之間）；無需真空或保護氣氛；無需復(fù)雜設(shè)備工裝；工藝簡單、適用范圍廣；能實現(xiàn)性能迥異材料的固態(tài)連接,焊后幾乎無需加工等特點,具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景和明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益,已成為近年來固態(tài)焊接非?；钴S的研究領(lǐng)域。§1．4中間夾層在固態(tài)焊接中的作用及選取對異種材料進行固態(tài)焊接時，多數(shù)情況需要在被焊材料的接觸面之間填加在成分和性能上不同于基材的中間過渡層。過渡層材料通常具備的較好的塑變能力，可以改善固態(tài)焊接的工藝條件及被焊接界面的接觸條件,降低焊接溫度、壓力，縮短焊接時間，減少焊件受壓后的變形，減少甚至省去焊后的精加工工序，降低對待焊表面的機加工精度要求,可降低生產(chǎn)成本。過渡層可以增大缺陷區(qū)，從而減小缺陷密度，提高焊接區(qū)的強度。過渡層成分決定了過渡層材料的物理，化學(xué)性能，因而選擇合適的過渡層的合金成分是非常重要的［14]。選擇固態(tài)焊中間層材料的原則是：1．容易塑性變形,硬度較低；２.含有加速擴散的元素，如硼、鈹、硅等;３.物理化學(xué)性能與母材差異較被焊材料之間的差異?。?。不與母材產(chǎn)生不良的冶金反應(yīng)，如產(chǎn)生脆性相或不希望有的共晶相；5．不會在接頭上引起電化學(xué)腐蝕問題。通常，中間層是熔點較低(但不低于焊接溫度)、塑性好的純金屬,如銅、鎳、鋁、銀等,或與母材成分接近的含有少量易擴散的低熔點元素的合金。中間層厚度一般為幾十微米,以利于縮短均勻化擴散時間。厚度在3０～100μm,可以以箔片形式夾在兩待焊表面之間。不能軋成箔的中間層材料,可用電鍍、真空蒸鍍、等離子噴涂方法直接將中間層材料涂覆在待焊表面，鍍層厚度可僅數(shù)微米。中間層厚度可根據(jù)最終成分來計算、初選、通過試驗修正確定?！?.5本課題研究的主要內(nèi)容和目的UHCS和4０Cr組成的連接件能充分發(fā)揮兩類鋼種在性能與經(jīng)濟上的優(yōu)勢互補,從而在航空航天、石油、化工等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景[１５］.目前UHCＳ的理論研究和應(yīng)用研究需要深入，如：ＵＨCS的超塑機制及高溫塑性變形機理還不成熟；開發(fā)新的合金成分系列，提高UHCS的抗氧化、耐腐蝕性能,滿足不同用途的需要.我國對含碳量較高的模具鋼、軸承鋼和高速鋼亦進行了超塑處理和研究，但是對UＨＣS及其超塑性的研究還較少見。文獻[14]報道了結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼經(jīng)整體循環(huán)淬火預(yù)處理后的恒溫超塑性固態(tài)焊接。文獻［16]進一步指出，晶粒越細越有利于實現(xiàn)基于待焊面組織超細化的超塑固態(tài)連接，這種僅對焊件待焊面表層進行超細化預(yù)處理的焊接,對大尺寸工件焊接實施及減少變形更為有利,但此類研究國內(nèi)外報道不多,特別是有關(guān)ＵHＣS的固態(tài)焊接的研究更為少見。本文以ＵHCS與結(jié)構(gòu)鋼為研究對象，探討其超塑性固態(tài)壓接的可行性,最佳工藝參數(shù)以及連接接頭性能，為工業(yè)應(yīng)用提供實驗依據(jù)。本文主要研究的內(nèi)容有以下幾方面:1．調(diào)研及資料收集,原材料組織性能檢測；2。制作中間夾層；３。進行UHCS－１．６C/40Cr超塑性固態(tài)焊接實驗，并對接頭抗拉強度及組織進行測試和分析；4。初步分析具有中間夾層的ＵHCS－1。6C/40Cｒ超塑固態(tài)焊接接頭形成機制.?第二章實驗方法§2．1實驗設(shè)計路線本實驗采用超塑性固態(tài)連接技術(shù),利用中間夾層工藝，實現(xiàn)40Ｃｒ與超高碳鋼的焊接。超塑性固態(tài)焊接是利用材料在超塑變形時的塑性流變與擴散而實現(xiàn)的固態(tài)焊接。在固態(tài)焊接中添加中間夾層，可以改善固態(tài)焊接的工藝條件及被焊接界面的接觸條件，減小缺陷密度，提高焊接區(qū)的強度。2。1實驗流程圖§２。2實驗材料UHCS-1。6C的主要化學(xué)成分見表2—1［１7］。UＨCS-１。６C的制備工藝:采用中頻真空感應(yīng)爐熔煉、鑄錠,對鑄錠進行熱軋,始軋溫度1０5０℃，經(jīng)過多道次軋制,終軋溫度控制在8５0℃附近.表２－1ＵHCＳ—１.6C的化學(xué)成分化學(xué)元素CMnSｉCrＡlPNｂＶTiS含量wt％1.６0．４40。491.541。6６０.０120.020.0４30。0820。007５圖2—2UHCS-1.６Ｃ球化退火工藝圖2－３UＨＣS-1.６C球化退火態(tài)組織本文研究的UＨCS—1.6Ｃ,Ａc1的溫度在79０—800℃在高于Ａc１溫度加熱奧氏體化，然后以給定冷卻速率冷至Ac1溫度以下出爐空冷，出爐溫度設(shè)定750℃。離異共析轉(zhuǎn)變球化處理實驗工藝如圖2－2所示。經(jīng)球化熱處理后組織為滲碳體（θ)+鐵素體(α），其中Fe3C球化良好,少量聚集或呈棒狀［18］,如圖２-3所示,可滿足超塑變形的組織要求。４０Cｒ為退火供貨態(tài)，并進行循環(huán)淬火處理，其化學(xué)成分如表2—4所示，原始組織為細晶馬氏體。?表2-４４0Cr的化學(xué)成分［１９］化學(xué)元素CSiCrＰNiSMn含量wt%0．３-０.4５≤0。40.8-1.1≤0.03≤0。2≤0。0３≤0.35圖2－５為40Cr鋼的循環(huán)淬火工藝曲線。由圖2—５可見，首先把加工好的40Cr鋼試樣加熱到200℃保溫一定時間,然后將其放入鹽浴爐快速加熱到820℃獲得細小均勻的奧氏體組織,接著油淬冷卻得到細晶粒馬氏體;然后以同樣工藝重復(fù)淬火以使４0Cｒ鋼試樣的馬氏體組織更細小.圖2-540Cｒ鋼循環(huán)淬火工藝本實驗采用銅，低碳鋼，工業(yè)純鐵作為中間夾層，通過實驗結(jié)果分析中間夾層在超塑性固態(tài)焊接的作用及不同中間夾層對焊接接頭性能的影響。為獲得較好的實驗結(jié)果要盡量使中間層表面平整、光滑,厚度盡可能的薄（5０μm左右）。試樣形狀、尺寸如圖２-６所示,直徑為Ｄ=１５ｍｍ,高為H=25mm。若試樣徑高比D/H過大，則壓縮變形時“端面效應(yīng)”的影響嚴(yán)重,D/H過小時則壓縮過程中易失穩(wěn)。文中取Ｄ/H＝3/５，并且在端面上涂裝潤滑劑以減少“端面效應(yīng)"的影響.為了降低實驗與壓頭接觸面上不可避免的摩擦對超塑變形的不良影響,并考慮到高溫下潤滑劑的潤滑效果，本實驗采用耐高溫性好的石墨潤滑[20]。?圖2－6試樣的形狀、尺寸中間夾層為圓形薄片，直徑略大于試樣的直徑,厚度為５0μm左右。§2。3實驗設(shè)備焊接實驗是在經(jīng)改裝的WJ－10A型機械式萬能材料實驗機（如圖2-7）上進行，用管式電阻爐加熱，DＷJ－７02型溫控儀控溫，誤差為±2℃。實驗機壓頭移動速度在0．05～30mm／miｎ范圍內(nèi)可連續(xù)可調(diào)。實驗所用的電源為多功能高壓焊接實驗電源ＦＩT—7087.接頭抗拉強度實驗在日本SHIMAＺUＡG-I型萬能電子拉伸實驗機上進行.顯微組織分析分別采用普通光學(xué)顯微鏡和日本ＯＬYMPUSPMG—３型金相顯微鏡以及JSM—5６１0ＬV型掃描電鏡.能譜分析用EDＡX能譜分析儀。圖2—7超塑固態(tài)焊接設(shè)備示意圖§2.４實驗參數(shù)的選取和實驗步驟鋼的超塑性溫度一般是在接近ＡＣ1及其以上溫度，已有數(shù)據(jù)顯示ＵHCS—１.6C的超塑性變形溫度為780℃，超塑性初始應(yīng)變速率1．５×10-4s-1，擁有最佳的壓縮超塑性［21]。實驗時間分別為10min，１5min，20min。1.對預(yù)處理后的試樣的待焊接面用水砂紙和金相砂紙進行打磨，并對中間夾層用金相砂紙金相打磨，再用酒精和丙酮溶液對其進行清洗;2.測量試樣焊前尺寸(高度和直徑)；３．將中間夾層放入處理好的UHCS－1.6C與40Cｒ試樣中間,壓緊,盡量防止對接面夾有雜質(zhì)，并用牛皮紙和膠布進行密封,端面涂上石墨；4。檢查電源是否接通,底線是否接地，爐子是否合嚴(yán)，以確保實驗過程安全進行；５。將準(zhǔn)備好的試樣置于試驗機中,施加一定的預(yù)壓力；6。打開冷卻水管，然后給溫控系統(tǒng)供電，供電后按下溫控控制柜啟動鍵，設(shè)定好實驗溫度，開始升溫；7。到溫后開始計時保溫，保溫一段時間,保溫時間設(shè)定為１5min，2０min,30miｎ；8.保溫時間到后，根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)初始應(yīng)變速率,開始焊接，并通過傳感器與計算機實時記錄實驗數(shù)據(jù)；９.焊接實驗停止，無壓應(yīng)力后，打開爐門，取出試樣空冷;１0。實驗結(jié)束，關(guān)閉電源和冷卻水；11。試樣冷卻后測量焊后的尺寸（高度和直徑）;§2.５接頭性能評價將焊后的試樣加工成拉伸試樣以便進行拉伸實驗。強度是材料的力學(xué)性能中的一項重要指標(biāo)。其指標(biāo)數(shù)值的高低，可以表示出材料抵抗變形和斷裂的能力的大小.大多數(shù)情況下,焊接接頭要承受較大的拉伸應(yīng)力，因此拉伸實驗是評價焊件力學(xué)性能的最重要的實驗。通過電子拉伸實驗可以調(diào)查出不同焊接工藝條件下材料的抗拉強度，進而對焊接接頭的力學(xué)性能進行評測。因此，本實驗對超塑性固態(tài)連接接頭實驗片進行拉伸強度測試，采用SHIMADZＵ（島津）ＡG—I205KN精密萬能試驗機。接頭的抗拉強度由下式計算得出:σ=P0/A0式中：σ為接頭抗拉強度,P0為接頭的破壞載荷,A0為破壞前接頭的面積[2２]。實驗要點:1。拉伸試驗片的截面規(guī)格為5mｍ×１0ｍm左右，每個工藝參數(shù)下制備三片,分別測出焊接接頭截面尺寸,并對應(yīng)編號。2。實驗片厚度較小，在裝卡過程中應(yīng)保證與機器卡具垂直,裝卡位置在鈦合金和不銹鋼母材的二分之一處,使得受力均勻，避免產(chǎn)生附加扭矩，影響實驗結(jié)果。3．實驗片接頭截面積實際測量值計為A,由于測量誤差的存在，和材料焊接接頭本身的截面收縮，特引入及作為修正系數(shù)。＝0.８５＝0.９0，修正后面積計為A0４．拉伸參數(shù)設(shè)置為：載荷為5０0ＫN，速率為為1～2ｍm/μm.本實驗采用MＨ-3型顯微硬度計，該硬度計有10x,４０x，兩個物鏡和一個ＨV壓頭，同時裝在一個同軸旋轉(zhuǎn)塔臺上。在對壓痕進行測量后,能自動顯示試樣的維氏硬度值。是科研機構(gòu)、企業(yè)及質(zhì)檢部門進行研究和檢測的理想硬度測試儀器.通過對被焊試樣焊縫區(qū)域的微觀硬度測試,了解加入中間層的擴散焊接頭兩側(cè)硬度變化規(guī)律,和不同工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響。實驗要點:1.顯微硬度實驗選取工藝參數(shù)為Ｔ=780℃，ｔ=1５min接頭試樣為研究對象。2.沿垂直焊縫方向分別向4０Ｃr和UHＣS的母材兩側(cè)，進行打點測試硬度。第一點選取距焊縫中心處，然后每隔１0μｍ打點，分上下位置兩行，每行21個點，一個試樣共計４2個點。3.實驗參數(shù)為加載載荷2０0g,保載時間15秒。4.實驗操作中，特別注意壓頭保載時間充分后，壓頭完全上升，指示燈亮起才能轉(zhuǎn)動目鏡旋轉(zhuǎn)塔臺，防止損害壓頭。為了調(diào)查出各條件下銅中間層的擴散程度,對擴散接頭的斷面進行SEＭ組織觀察。掃描電鏡景深大，不同原子序數(shù)的元素在電鏡相片上的襯度是不一樣的，同時結(jié)合配置能譜分析，可以直觀的,定量的分析元素的區(qū)域偏析和顯微偏析。用掃描電鏡實驗方法可以調(diào)查中間層對焊接接頭的組織性能的影響。本次實驗設(shè)備為JSＭ-56１０掃描電子顯微鏡,配有美國EDＡX公司的能譜儀。它可用于各種材料的組織形貌觀察、金屬材料斷口分析和失效分析,以及對樣品進行定性定量微區(qū)成分分析.在開始對試樣進行觀察之前,應(yīng)該將待觀察面打磨、拋光，然后用超聲波清洗。之后才能放入電鏡內(nèi)觀察，否則如果試樣上帶有雜質(zhì)不但觀察不清楚組織，還有可能落入電鏡中，破壞實驗儀器造成不必要的損失.?第三章實驗結(jié)果的分析與討論§3．1具有中間夾層與直接焊接的強度對比本實驗中間層材料為Cu、低碳鋼和工業(yè)純鐵,其實驗結(jié)果對比如表3—１所示，在上述三種中間層材料中，Cu作為中間層時接頭強度最低無法做成拉伸試樣，未測出其強度，低碳鋼作為中間夾層時焊接30min時候強度較高,工業(yè)純鐵作為中間層時接頭的強度最高,平均值為549MPa。下表中1＃為靠近試樣芯部的拉伸試樣。表３—１實驗參數(shù)與接頭拉伸強度中間加層厚度/μm實驗條件1＃強度/MPa2＃強度/MPa溫度/℃應(yīng)變速率／S－１時間/miｎＣｕ507８00。5×10－43０——-—低碳鋼１007800。5×10—４３０39８37９工業(yè)純鐵５078０１。５×１0—41027５．4９３325．35工業(yè)純鐵507801．5×10-4１5560．06１５３8.65１工業(yè)純鐵507８01.5×1０－４2054１．3９238２。826參照實驗條件為７8０℃，應(yīng)變速率為１。5×10—4S－1，焊接時間為２０min的直接焊接的實驗數(shù)據(jù)，對比兩組實驗數(shù)據(jù)，得出如圖3—２所示的添加工業(yè)純鐵為中間層與直接擴散連接的強度特征.具有中間夾層的焊接接頭質(zhì)量好于直接焊接的接頭質(zhì)量。這是由于：中間夾層材料通常具備的較好的塑變能力，可以改善固態(tài)焊接的工藝條件及被焊接界面的接觸條件，降低焊接溫度、壓力，縮短焊接時間，減少焊件受壓后的變形,減少甚至省去焊后的精加工工序，降低對待焊表面的機加工精度要求，可降低生產(chǎn)成本。過渡層可以增大缺陷區(qū),從而減小缺陷密度，提高焊接區(qū)的強度。圖3—２中間層與接頭強度的關(guān)系§３.２焊接時間對接頭強度的影響恒溫超塑性焊接是兼具有擴散焊和壓力焊的特點,而擴散需要一個時間過程，因此時間也是影響焊接接頭的一個重要因素。焊接時間是待焊材料發(fā)生塑性流變與擴散的持續(xù)時間,考察焊接不同焊接時間焊接接頭的拉伸強度,有助于揭示其接頭形成過程在中間夾層為工業(yè)純鐵，焊接溫度780℃的情況下,不同的焊接時間對其焊接接頭的強度的影響如圖3—3所示:由圖可知：t=１０miｎ時，接頭強度為275。493MPａ，當(dāng)焊接時間為１5min左右時強度最高,其值為5６0。06１ＭPa，隨著焊接時間的繼續(xù)增加接頭強度開始降低,當(dāng)焊接時間為2０mｉn時接頭強度為５4１。39２MＰa。焊接接頭強度隨焊接時間的增加而增加，在一定的焊接時間，焊接接頭的強度達到最大，而后隨焊接時間的增加,焊接強度減小。圖3-3焊接時間與接頭強度的關(guān)系如果保溫時間短，中間夾層的擴散不充分,超高碳鋼的塑性變形量小，相應(yīng)的連接面就會很薄而且不連續(xù)，均勻性不好,因此降低了接頭的力學(xué)性能.隨著焊接時間的增加,中間夾層的擴散充分，超高碳鋼的塑性變形量增大，接頭的強度提高.但是，過分延長焊接時間連接強度反而有所下降。這是因為焊接時間過長，材料晶粒粗大,接頭區(qū)組織性能下降,進而接頭力學(xué)性能下降，因此接頭強度隨著焊接時間的延長而降低［23].§3．３中間夾層材料對接頭強度的影響實驗分別用Cu、低碳鋼、工業(yè)純鐵作中間夾層。用Cu做中間夾層,焊接接頭強度低,焊接實驗失敗.Cｕ不適合做40Cr與UHCS的超塑性固態(tài)焊接的中間夾層材料。低碳鋼、工業(yè)純鐵做中間夾層,其強度變化如圖３-４所示:實驗溫度為780℃，采用工業(yè)純鐵為中間夾層,最佳接頭強度為５60。06ＭＰa、538。65MＰa;采用低碳鋼為中間夾層,最佳接頭強度為３8９MＰa、3７9ＭPa.工業(yè)純鐵做中間夾層要比低碳鋼做中間夾層焊接接頭強度高。工業(yè)純鐵比低碳鋼的σS低，焊接時變形量大,兩試樣與中間夾層的接觸面增大，焊接接頭強度高。?圖3—4低碳鋼、工業(yè)純鐵做中間夾層與接頭強度的關(guān)系§3。4顯微組織觀察與分析§3。4．140Cr與UHCＳ的組織分析40Cr的含碳量為0.4%，經(jīng)過循環(huán)淬火，室溫下得到鐵素體和回火馬氏體。4０Ｃr在焊接過程中先升溫到7８0℃，然后保溫,最后在爐中緩慢冷去，生成大量珠光體。升溫過程中，產(chǎn)生單相奧氏體以及殘留鐵素體、滲碳體。在爐中緩慢冷卻屬于退火過程,退火得到珠光體和鐵素體.退火的主要目的是均勻鋼中的化學(xué)成分及組織，消除成分偏析,細化晶粒;消除應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸,減小變形,防止開裂;降低硬度,提高切削加工性能;提高塑性,變以冷卻加工等.實驗所選ＵHCＳ的碳含量為1。６%，屬于過共析鋼,過共析鋼的室溫組織成分為珠光體和二次滲碳體，UＨＣS是球化退火的過共析鋼，它的滲碳體已經(jīng)球化。變?yōu)榍驙钪楣怏w，焊接過程相當(dāng)于又一次的球化退火，提高了球化的質(zhì)量?！?。4。2接頭的顯微組織觀察與分析添加不同的中間夾層與直接焊接的焊接接頭組織形態(tài)如圖3－５所示:ａ為直接焊接的接頭組織形貌，ｂ、c、d分別為工業(yè)純鐵、Ｃu、低碳鋼為中間層的接頭組織形貌特征：由圖中得出：Ｃｕ與40Cr連接致密，有部分銅被壓入4０Cr中，但是兩者沒有明顯的過渡區(qū)，沒有發(fā)生冶金結(jié)合。Cu與UHCS的連接有大量的孔洞等焊接缺陷，并且也無過渡區(qū),可能是Cu發(fā)生了高溫氧化現(xiàn)象。在焊接變形時，形成致密的氧化膜,阻礙了中間層與母材間的擴散,降低了接頭的力學(xué)性能.Cｕ不適合做40Cr與UＨCＳ的超塑性固態(tài)焊接的中間夾層材料。球化退火態(tài)UＨＣＳ—1．６C與循環(huán)淬火態(tài)４0Cr在Ｔ=７80℃，=1．５×10－4s—1,t＝15mｉn,采用工業(yè)純鐵為中間層的條件下超塑焊接,接頭區(qū)界面結(jié)合良好,界面兩側(cè)顯微組織連續(xù)，原始界面基本消失，兩側(cè)金屬已實現(xiàn)冶金結(jié)合。4０Cr與工業(yè)純鐵的連接致密;但是碳的擴散很少,這是由于在焊接過程中4０Ｃr里奧氏體可以大量的溶解碳，不會有碳向中間夾層去擴散。工業(yè)純鐵靠近4０Cr的30μm范圍內(nèi)，有大量的粗大的鐵素體晶粒，晶粒不等軸,尺寸為15μm～4０μm，對焊接接頭的力學(xué)性能有很大影響。UHCS與工業(yè)純鐵中間有孔洞，連接不緊密；但是,碳的擴散比較明顯，有大量的碳由UＨCS向工業(yè)純鐵方向擴散,擴散區(qū)１0μm左右，在焊接過程中,ＵＨCS里的碳有高濃度向低濃度（工業(yè)純鐵）方向擴散.由于有一部分碳擴散到工業(yè)純鐵中,使得工業(yè)純鐵含碳量增加，其力學(xué)性能增強。由圖ａ與b、d兩圖比較,直接焊接的接頭的界面有大量未連接區(qū)域，其焊合情況不如添加中間夾層.a.直接焊接的街頭組織形貌b.工業(yè)純鐵為中間夾層的接頭組織形貌c.銅為中間層的接頭組織形貌?d．低碳鋼為中間層的接頭組織形貌圖３－5焊接接頭組織形貌為進一步了解中間層在UHCS－１。6C／４0Ｃｒ超塑性焊接接頭形成過程中間夾層起到的作用，本實驗對焊后拉伸斷口進行了觀察和分析，發(fā)現(xiàn)：拉伸斷裂均發(fā)生在接頭區(qū)域。本實驗進行顯微組織觀察和分析。圖3－6a、b分別為溫度７80℃,焊接時間15min，應(yīng)變速率為1．5×1０—４S－1,采用中間焊接時,UHＣS—１。6C側(cè)與４０Cr側(cè)斷口顯微組織圖,圖c、ｄ分別為相同工藝參數(shù)下未采用中間層焊接時，ＵHCS-1.6C側(cè)與４0Cr側(cè)斷口顯微組織圖，比較斷口顯微組織圖可知:在不采用中間層的時候,焊接斷面的顯微組織比較平整，凸點和凹坑不均勻且數(shù)量較少。而使用工業(yè)純鐵為中間層之后,接頭的顯微組織相對粗糙，凸起和凹坑均勻且數(shù)量較多。表明:在未加中間層的接頭連接中，界面區(qū)相互變形接觸不充分,焊接接頭發(fā)生冶金結(jié)合的總面積較小。而在使用中間層的接頭區(qū)域,界面區(qū)相互變形接觸充分，焊接接頭發(fā)生冶金結(jié)合的總面積較大.這是由于工業(yè)純鐵在實驗條件下的屈服強度小于40Cr和UHCS—1。6C的屈服強度，在施壓一定的預(yù)壓力時，能夠使工業(yè)純鐵／4０Cr,UHCS－1.6C/工業(yè)純鐵充分接觸,并且工業(yè)純鐵在實驗條件下流變應(yīng)力較小,從而促進碳原子在界面間的充分?jǐn)U散，有利于形成冶金結(jié)合,從而提高接頭的強度。圖3—7為UHCS—1．６C/40Cｒ超塑性固態(tài)焊接40Ｃr側(cè)A處的能譜分析，由圖中可以看出,表面凸起部分含F(xiàn)e量高，屬于工業(yè)純鐵組織，是拉伸過程中40Cｒ“拽"過來的。４0Cr與工業(yè)純鐵發(fā)生了原子間的擴散。a．UHCS側(cè)斷口顯微組織(采用中間層)b。40Cr側(cè)斷口顯微組織（采用中間層）ｃ.UＨＣS側(cè)斷口顯微組織（直接焊接）d.40Cｒ側(cè)斷口顯微組織（直接焊接)圖3—６接頭斷口顯微組織工業(yè)純鐵中間層40Cr顯微組織工業(yè)純鐵中間層40Cr側(cè)圖3—7UHCS／４0Ｃr超塑性固態(tài)焊接能譜分析§3。４。3顯微硬度分析為了進一步考察中間層在超塑性固態(tài)焊接中的作用,通過對焊接接頭部位的顯微硬度測試，評價接合界面附近的力學(xué)性能，驗證通過觀察推測的理論。圖3—8為在T=７80℃,=１．5×10－4S－1，t=１5min，中間層為工業(yè)純鐵的條件下焊后試樣接頭區(qū)顯微硬度分布曲線:圖3—8顯微硬度分布豎坐標(biāo)左邊為UHCS－1.６C，右邊為40Cｒ，原點左右5０μm區(qū)域為接頭區(qū)。由圖可以看出：UHCS—1.6Ｃ母材的硬度高于40Cr.焊接接頭區(qū)域的硬度最低，距離焊接接頭區(qū)越遠，硬度越高,最后達到母材硬度。UHCS—1．6C與焊接面之間過渡區(qū)的硬度相應(yīng)高于40Cｒ與焊接面之間過渡區(qū)的硬度。這種情況的原因是：UHCS—1．６Ｃ組織為球狀珠光體,強度和硬度高于40Cr;焊接溫度為７80℃，為UHCS—１.６Ｃ的超塑性溫度,ＵＨCS-1．6C發(fā)生超塑性變形;焊接過程中，大量的碳由ＵHCS—1。6C擴散到中間夾層（工業(yè)純鐵)，提高了焊接區(qū)的硬度，而4０Cr側(cè)的中間夾層出現(xiàn)了鐵素體粗化現(xiàn)象,如圖3—5b所示，UHCS—１．6C與焊接面之間過渡區(qū)的硬度相應(yīng)高于40Ｃr與焊接面之間過渡區(qū)的硬度。這與微觀顯微組織情況相互印證。

§3.5焊接機理初探現(xiàn)有研究認(rèn)為超塑性固態(tài)焊接的一般焊接過程為：焊接面緊密接觸→超塑性變形→破膜→界面兩側(cè)原子擴散→界面冶金區(qū)形成。在此基礎(chǔ)上本文對具有中間夾層的UHCS—1。6C和40Cｒ的超塑性固態(tài)焊接的焊接機理進行初步分析。4０Cｒ和UＨＣS—1．6Ｃ分別與中間夾層的表面貼緊形成物理的接觸：每兩個接觸表面凸起處首先接觸產(chǎn)生塑性及超塑性流變，使氧化膜和吸附層破碎，接觸面積增大,隨后在更大面積上發(fā)生上述變化,超塑變形使新表面增加，使物理接觸面積增大并貼緊。緊密接觸處界面兩側(cè)原子相互擴散：焊接面逐漸擴大,在隨后的焊接過程中,隨著塑性變形量的增大,晶界滑動和晶粒轉(zhuǎn)動使已經(jīng)接觸的界面逐漸推移，氧化膜逐漸破碎，新表面不斷出現(xiàn)，使更大面積的接合面之間形成冶金結(jié)合.40Cr鋼側(cè)在空位與位錯運動調(diào)節(jié)的晶界滑動和晶粒轉(zhuǎn)動的塑性變形機制下，晶界及其附近位錯密度增大,為原子擴散提供了便利。UHＣS-１．６C側(cè)由于經(jīng)過預(yù)先組織細化，晶界增多,也有利于UHＣS－１.6C碳原子向中間層進行擴散，最終實現(xiàn)了界面兩側(cè)金屬的高質(zhì)量固態(tài)連接.界面冶金結(jié)合區(qū)的形成：隨著界面處超塑變形和擴散的不斷進行,界面區(qū)空隙、氧化膜進一步破碎并最終消失,接合界面區(qū)域在短時間內(nèi)形成了由等軸、細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒構(gòu)成的界面冶金結(jié)合區(qū).擴散繼續(xù)進行,進一步加強已形成的連接,直至原始界面最終完全消失.軋制狀態(tài)的工業(yè)純鐵晶粒粗大而且橫向等軸性差，是影響焊接接頭質(zhì)量的一個重要因素。在制作中間夾層的過程中，對軋制狀體的工業(yè)純鐵進行退火處理,能提高接頭的焊接質(zhì)量。采用中間夾層的40Cr與UHCS的恒溫超塑性固態(tài)焊接與擴散焊接相比，是在非真空和無保護氣氛下短時間內(nèi)完成的,在整個焊接過程中中間層兩側(cè)材料因滿足了超塑變形的組織條件和變形條件，而能在較低應(yīng)力作用下、較短時間內(nèi)形成冶金結(jié)合，實現(xiàn)二者的固態(tài)連接。?結(jié)論通過對焊接接頭的組織和性能的研究，可以得出以下結(jié)論:具有中間夾層的UHCＳ—１。６C／40Cr的超塑性固態(tài)連接,通過各種實驗參數(shù)的對比,最佳的工藝參數(shù)溫度為78０℃,焊接時間為１5ｍin,應(yīng)變速率1。5×10－４，中間層材料為厚度為50μm的工業(yè)純鐵.接頭性能良好，抗拉強度達到54９MPa，達到4０Cr母材強度。ＵHCS－1.6C/４0Cr超塑性固態(tài)焊接采用Cu做中間夾層，由于Ｃｕ在焊接過程中出現(xiàn)了高溫氧化現(xiàn)象，形成了致密的氧化膜,阻礙了中間層與母材的擴散,得到的焊接接頭強度低。采用工業(yè)純鐵做中間夾層,能增大待焊接面的接觸面積,促進碳原子在界面間的充分?jǐn)U散,有利于形成冶金結(jié)合,從而提高接頭的強度,接頭強度明顯高于直接焊接.ＵHCS-1.6C／40Cr超塑性固態(tài)焊接采用工業(yè)純鐵做中間夾層，焊接斷裂發(fā)生