2022年2022年金属热处理脆化机理研究 .pdf

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1、钢的热处理（原理与工艺）金属热处理脆化机理研究名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -800MPa 级别钢熔敷金属热处理脆化机理研究10Ni5CrMoV 钢是一种屈服强度大于800MPa 级别的低合金高强度高韧性结构钢。主要用于船舶、压力容器等重要产品,在我国船舶工业中占重要地位。为了防止发生脆性破坏,在使用情况下该钢应处于完全韧性状态。为了提高焊接结构稳定性,特别是压力容器的使用安全性,在其制造过程中常常需要采取焊后热处理,以减轻或消除焊接过程给焊件带来的不利影响。由于10Ni5CrMoV 钢的高强度高韧性,与其配套的焊接材料成了制约其广泛推广的瓶颈。在开发研

2、究该钢的新型焊接材料过程中,发现其熔敷金属在焊后消应力热处理后的冲击韧性大幅度下降,严重影响焊接接头的质量。一些研究者在焊后热处理方面也做了研究,但主要集中在热处理工艺和性能研究方面。本工作研究了10Ni5CrMoV钢熔敷金属在制定的热处理工艺处理前后的显微组织和冲击断口形态的变化,找出其冲击韧性大幅下降的原因。1试 验 材料、工 艺 及 方 法 试 验 母 材 的 供 货状 态 为 调 质 态 的10Ni5CrMoV钢,规格为 500mm300mm16mm,其化学成分和力学性能如表 1 和表 2 所示。焊接方法采用富氩气体保护焊,焊接设备为roniusTranspuls Synergic 4

3、000气保焊机。焊接材料为 Mn-Ni-Cr-Mo 系实心焊丝,12mm。保护气体为纯Ar,气体流量为 20L/min。焊接工艺参数为:电流 220240A,电压 2426V,焊接热输入 1518kJ/cm,层间温度为 120130。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -熔敷金属焊后热处理的工艺参数选择如下:300以下不做控制,从300开始以 60/h 升温,升到 550后保温 6h,随炉冷却到 300后取出空冷至室温。冲击试验按照 GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法标准进行,缺口开在焊缝中心。试验在JBN-300B 型冲击试验机上进行,为减少

4、误差,同一条件下的冲击试验重复3 次。利用 OLYMPUS GX71 光学显微镜和 Quanta600扫描电镜对焊态和热处理态的熔敷金属组织进行观察和分析,浸蚀剂为 4%的硝酸酒精。并对冲击断口形貌在扫描电镜上进行观察和分析。把热处理态的熔敷金属加工成如图1 所示尺寸的试样,在 PHI595 SAM 俄歇能谱仪上敲断并对断口晶界进行能谱成分分析名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -。用线切割截取热处理前后熔敷金属0.4mm 薄片,研磨到 120m,冲出3mm 圆片,精磨到 50m。以 5%高氯酸酒精为电解液,在-20条件下双喷电解得到穿孔薄膜试样,电解电压为

5、75V。用 Philip CM200 透射电镜对试样进行微观组织形貌及析出物特征观察。2试验结果试验条件下的10Ni5CrMoV 钢熔敷金属焊态和热处理态的冲击吸收功列于表3中,焊态的熔敷金属冲击功均可达到100J以上,但是消应力热处理后的试样冲击功大幅下降,仅有 25J左右。2.1断口形貌选择 H2 和 R1 试样的-50冲击断口进行SEM 观察。观察其宏观断口发现,R1 试样的断口较平齐,呈现大面积的放射区,纤维区和剪切唇较少,并且有白亮的断裂带,表现为脆性断裂特征。而H2 试样的断口呈现灰暗色,有小面积的放射区,有明显的纤维区和剪切唇,表现为韧性断裂特征。H2 试样的冲击断口的韧窝特征明

6、显,放射区有少量的准名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -解理或解理河流花样。经焊后热处理断口呈脆性的准解理或解理河流花样,有大量的准解理和少量的韧性撕裂棱,并存在部分的沿晶二次裂纹。如图 2 所示,其中 a)为焊态试样冲击断口的韧窝特征;b)为热处理状态冲击断口的准解理和解理特征;c)为热处理状态冲击断口的沿晶断裂的特征,呈冰糖状并有二次裂纹。2.2俄歇能谱在 R1试样冲击断口的SEM 观察中发现有沿晶断裂特征,其对冲击韧性是极为有害的,为了分析出现沿晶断裂的原因,拟做俄歇能谱分析,在真空状态下将其试样冲断,对断口晶界进行俄歇能谱分析,通过分析发现在热处理状

7、态的试样晶界有磷元素偏聚。R1 晶界能谱如图 3 所示在试样的晶界上磷的偏聚量达到1.8%20%。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -2.3显微组织熔敷金属焊态组织为针状铁素体+贝氏体+粒状贝氏体,热处理态下的组织为针状铁素体+回火索氏体。图4 所示的是熔敷金属焊态和热处理态试样的SEM 显微组织形态。经过焊后热处理,由于热处理温度没有达到相变的温度,故热处理后的组织种类并没有发生变化,只是组织形态发生了变化。图 5 为热处理前后的组织TEM 显微形态。可以观察到,焊态下的组织比较细密,为板条状组织,晶内和晶界上弥散有碳化物,如图 5a)所示;热处理后条状组

8、织变粗大或消失,如图 5b)、c)所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -另外,热处理试样中碳化物在晶界连续分布或聚集成块状,而焊态下试样中的碳化物较少且分布在晶内,如图 6 所示。碳化物经电子衍射花样标定为渗碳体。3分析与讨论熔敷金属的化学成分为0.024%C,0.373%S,i 1.80%Mn,其余为 Fe、Ni、Cr、Mo 等。由于熔敷金属的碳含量低于0.05%,根据文献 4,5,在经过高温奥氏体化后的冷却过程中,不再发生奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分解,过冷奥氏体将直接转变成各种形态名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9

9、页 -的铁素体并留下少量富碳的残余奥氏体。也就是说,由于碳含量很低,所得到的贝氏体组织不同于一般的上、下贝氏体,而是一种以无碳或少碳贝氏体为主的组织。试验中的熔敷金属组织由板条状贝氏体和部分粒状贝氏体组成。P是容易在奥氏体晶界偏聚的元素,P在晶界的偏聚对晶界有 3 方面的直接作用:晶界能、晶界扩散和晶界结合力6。由于 P在钢中的溶解度低,其降低晶界能的作用很强烈;对于 P这样强偏析的元素,晶界偏析系数 gb 的值较大,从而使晶界扩散系数降低;P元素也会降低 Fe的晶界结合力。总之,P削弱晶界结合力,减小晶界能,并使晶界扩散系数降低,P的偏聚恶化焊缝的韧性。其它合金元素与 P之间的交互作用、冷却

10、速度和热处理温度也会影响P的偏聚。熔敷金属中 P 的偏聚造成冲击断口的沿晶断裂,消耗很少的冲击功就能扩展很大的面积,导致冲击功很低。在焊后热处理的过程中,发生回复作用,使得亚晶界随着时间的延长而逐渐地消失,条状组织变大或消失。亚晶结构的消失使得晶界面积变大,晶内的 P 在热处理过程中向晶界进行运动,最后造成 P在晶界上偏聚。碳化物在晶界上的连续分布对韧性造成的伤害要比分布于晶内大得多,由于其对位错的阻碍作用,容易在该处产生应力集中而沿晶断裂。另外,在热处理回复过程中使位错密度下降较多,碳化物与位错缠结机会更大,使可动位错密度进一步降低,裂纹尖端塑性区中的应力集中作用减弱,这使冲击过程中裂纹过早

11、地从韧性扩展过渡到脆性扩展,并使裂纹易于扩展,消耗很少的能量就能扩展很大的面积,造成热处理态试样冲击功低。在此研究的基础上,通过优化焊丝合金成分使名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -得熔敷金属获得弥散的残余奥氏体,降低热处理过程中P 在晶界的偏聚量,减轻其对热处理后熔敷金属韧性的危害程度。4结论(1)10Ni5CrMoV钢熔敷金属焊态组织为针状铁素体+贝氏体+粒状贝氏体,热处理态下的组织为针状铁素体+回火索氏体。热处理后组织中的亚晶结构几乎消失,在晶界有大量的渗碳体析出。(2)焊态冲击断口为典型的韧窝断口;热处理断口为准解理或解理+少量韧性撕裂棱,并有冰糖状的沿晶断裂和二次裂纹特征。(3)经俄歇能谱分析,热处理的熔敷金属晶界上有P的偏聚,使得晶界结合力削弱,晶界能减小,并使晶界扩散系数降低,导致冲击断口沿晶断裂。(4)沿 晶 析 出的 连 续、粗大 的 渗 碳体 和P 在晶 界 的 偏 聚是 使10Ni5CrMoV钢熔敷金属在热处理后低温冲击功大幅下降的根本原因所在。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -