Cr12MoV/40Cr电致超塑性焊接工艺优化及接头组织与性能研究

摘要

电致超塑性焊接是结合超塑性焊接与电塑性于一体的特种连接方法。本论文以提高超塑性焊接质量为目标，研究了具有大体积分数碳化物的钢的电致超塑性焊接，丰富和发展材料的固态焊接工艺理论，为此类具有大体积分数碳化物的钢等难焊材料高质量连接提供新的途径。
　　本文以具有大体积分数碳化物的钢 Cr12MoV和经盐浴循环淬火超细化处理的40Cr钢为对象，研究了二者电致超塑性焊接的可行性。即首先研究了热轧退火态 Cr12MoV钢在电致超塑性压缩力学特性，分析了该钢的电致超塑性压缩工艺参数对碳化物演变行为和精细组织的影响规律，基于Cr12MoV/40Cr钢电致超塑性焊接正交实验及工艺参数优化研究，探讨了电场强度及主要焊接工艺参数对Cr12MoV/40Cr超塑性焊接接头区组织与性能的影响，在此基础上提出了Cr12MoV/40Cr钢电致超塑性焊接接头形成机制模型。
　　实验结果表明：在800℃、初始应变速率1.5×10-4s-1、电场强度为-2kV/cm条件下压缩，Cr12MoV与40Cr钢应力应变曲线均呈现出典型的超塑性特征，稳态流变应力比常规超塑性压缩有不同程度降低；Cr12MoV钢电致超塑性压缩与常规超塑性压缩相比，施加-2kV/cm的电场可以使应变速率敏感性指数由0.21提高到0.24，应变激活能由241kJ/mol降低到224kJ/mol，即在压缩变形条件下电场可提高 Cr12MoV钢和经循环淬火处理40Cr钢的超塑性效应。Cr12MoV/40Cr电致超塑性焊接正交试验及优化试验结果表明，最优焊接工艺参数为：焊接温度为800℃、电场强度为+3kV/cm、焊接时间为10min、初始应变速率为1.5×10-4s-1，对应焊接接头强度（667MPa）达到40Cr母材相同热循环状态下强度的95％，比常规超塑性焊接提高了8%，此时接头两侧径向变形量均小于5%且 Cr12MoV侧变形量较小。Cr12MoV的电致超塑性效应在Cr12MoV/40Cr电致超塑性焊接接头形成过程中占重要作用。
　　Cr12MoV/40Cr电致超塑性焊接接头可分为界面区、过渡区和母材区。界面区由不连续分布、尺寸小于100nm的 Fe-Cr纳米颗粒相，局部动态再结晶，以及颗粒相间呈随机分布的铁素体与铁素体(α/α)、铁素体与碳化物(K/α)和碳化物(K/K)连接区域组成。过渡区Cr12MoV侧晶粒呈等轴状，晶内位错较少、位错多出现在晶界和碳化物周围，晶界呈宽化现象，表现出明显的超塑性变形特征；40Cr侧为粗大的铁素体晶粒，为不均匀分布的贫碳区。电场促进了位错运动，增强了界面区晶界滑移和晶粒转动的超塑性效应，有利于元素的扩散并促使40Cr侧贫碳区宽度增加。电致超塑性焊接拉伸断面形貌可分为：类原始界面区和冶金结合区。接头断裂方式以界面区的铁素体基体与碳化物(α/K)断裂为主。电致超塑性焊接接头区的焊接缺陷主要有：机械结合区、界面显微空隙及夹杂物。
　　电场作用增强了界面两侧以晶界滑移和晶粒转动为代表的超塑性效应，加快元素的扩散，促进了冶金结合区的形成，从而获得良好的焊接接头。

目录

第1章 绪 论

1.1超塑性

1.2超塑性固态焊接

1.3电场对材料塑性或超塑性的影响

1.4选题目的、研究主要内容及意义

第2章 试验条件与方法

2.1试验原理及技术路线

2.2试验材料及试样

2.3 Cr12MoV与40Cr电场作用下焊接性分析

2.4试验装置及电场强度计算

2.5电致超塑性压缩与焊接试验过程与方法

2.6试验检测与分析

第3章 电场作用下Cr12MoV与40Cr超塑性压缩

3.1电场作用下超塑性压缩后试样变形特征

3.2电场作用下超塑性压缩的力学特性

3.3电场作用下Cr12MoV钢超塑性压缩显微组织特征

3.4小结

第4章 Cr12MoV/40Cr电致超塑性焊接工艺及优化

4.1正交试验

4.2焊接工艺参数优化

4.3小结

第5章 Cr12MoV/40Cr电致超塑性焊接接头区组织性能及焊接机理初探

5.1接头区显微组织特征区域构成模型

5.2接头各区显微组织与性能

5.3接头断口形貌特征

5.4焊接缺陷

5.5分析与讨论

5.6小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果