具有中间夹层的Cr与UHCS的超塑性固态连接焊接接头的组织与性能毕业论文

河南科技大学毕业设计(论文)具有中间夹层的40Cr/UHCS超塑性固态焊接接头组织及性能摘 要超塑性是指材料在一定的组织及变形条件下，呈现出异常高延伸率而不产生颈缩与断裂的现象。超塑性固态焊接是一种基于材料超塑性的固态焊接新技术，具有重要的使用价值和工业应用前景。本文以UHCS-1.6C和40Cr为研究对象，在研究UHCS-1.6C/40C恒温超塑性固态焊接实验的基础上，探讨了UHCS-1.6C/40Cr添加中间夹层的超塑性固态焊接可行性，即研究了基于中间夹层的UHCS-1.6C/40Cr超塑性焊接工艺，观察分析了超塑焊接头区显微组织、焊接缺陷，研究了中间夹层对超塑性固态焊接的作用，初步探讨了超塑焊接头形成机制。实验结果表明：采用Cu中间层进行超塑焊接时，焊接缺陷较多，接头强度较低；采用低碳钢中间层在焊接温度780、初始应变速率0.510-4s-1条件下焊接30min，可获得最高拉伸强度达398MPa的焊接接头；采用工业纯铁中间层在焊接温度780、初始应变速率0.510-4s-1条件下焊接15min，可使接头强度达到560MPa，是相同热力循环下40Cr母材强的85%，中间层与母材发生了良好的冶金结合；与不加中间夹层的超塑焊相比，具有中间夹层的超塑焊接头抗拉强度显著提高。关键词：超高碳钢，40Cr，超塑性焊接，中间夹层，接头质量The Microstructure and Properties of UHCS/40Cr Superplastic Solid-State Welding joint via interlayerABSTRACTSuperplasticity refers to the organization of a certain microstructure and deformation conditions, showed abnormally high elongation without necking and fracture phenomenon.Superplastic Solid-state Welding is a use superplastic of materials under certain conditions of welding technology.This paper studied the microstructure and properties of welded joints of Superplastic Solid-state Welding of UHCS-1.6C/40Cr with interlayer.In this paper, UHCS-1.6C and 40Cr as the research object,superplastic solid-state welding test by constant temperature,Electronic tensile test and observation,Etc.Discussed the feasibility of superplastic solid-state welding with intermediate sandwich and the influence of process parameters.Analyzed the interlayer on the role of superplastic solid-state welding.And carried out microstructure analysis of weided joints, analysis of the joint area defect , microstructure analysis of the connection zone, and the mechanism of superplastic welding by observation with joint of UHCS-1.6C/40Cr.The results show that: the middle layer used Cu superplastic welding, welding defects are more low joint strength; the middle layer of low carbon steel welding temperature 780 , initial strain rate of 0.5 10-4s-1 Welding conditions 30min, for maximum tensile strength of welded joints of 398MPa; the middle layer of pure iron used in the welding temperature of 780 , initial strain rate of 0.5 10-4s-1 under the conditions of welding 15min, make joint strength reached 560MPa, is 40Cr under the same thermodynamic cycle for 85% of the base metal strength. The middle layer and the base metal had a good metallurgical bond, the joint tensile strength directly compared with the same welding process parameters significantly improved.KEY WORDS:UHCS,40Cr,superplastic welding,interlayer,Welding quality目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 40Cr与UHCS的焊接性分析及应用11.3 超塑性固态焊接21.4中间夹层在固态焊接中的作用及选取41.5 本课题研究的主要内容和目的4第二章 实验方法62.1 实验设计路线62.2 实验材料72.3 实验设备92.4 实验参数的选取和实验步骤102.5 接头性能评价10第三章 实验结果的分析与讨论133.1 具有中间夹层与直接焊接的强度对比133.2 焊接时间对接头强度的影响143.3 中间夹层材料对接头强度的影响153.4 显微组织观察与分析163.4.1 40Cr与UHCS的组织分析163.4.2 接头的显微组织观察与分析173.4.3 显微硬度分析193.5 焊接机理初探21结 论22参考文献23致 谢2526河南科技大学毕业设计(论文)第一章 绪 论1.1 研究背景超高碳钢（UHCS）是指含碳量在1.0%2.1%的碳钢。采取一定的处理工艺使超高碳钢的组织得到充分细化之后，该钢除了具有高强度和一定的韧性之外，还具有良好的超塑性，有望代替部分中高碳钢和合金制作工模具、钢丝、结构件等，使超高碳钢成为开发廉价的新型高强度钢。大大拓宽了超高碳钢的应用前景1。40Cr有良好的力学性能，主要用于制造重要的调质零件，如齿轮、轴、套筒、连杆螺钉、螺栓、进气阀等可进行表面淬火和碳氮共渗2。40Cr与超高碳钢的焊接可以达到两者的优势互补。因此，如何实现40Cr与超高碳钢的优质焊接是国内外比较普遍关注而又亟待解决的问题。固态连接可以实现40Cr和超高碳钢的焊接，添加中间夹层是固态焊接中常用的工艺。1.2 40Cr与UHCS的焊接性分析及应用由于UHCS具有高的强度、硬度以及耐磨性，因此，UHCS不仅有望替代部分中高碳钢以及高合金钢制造工模具，钢丝，结构件，从而显著提高其使用寿命，而且利用其良好的固态连接特性，还可以与自身或其他金属基材料（如不锈钢，中碳钢，黄铜，铝青铜等）连接制备成新型高性能层状复合材料和复合结构3。通过对其表面进行激光淬火，细化表面组织，可以实现较好的连接。可是利用熔化焊很难形成质量良好的焊缝，并且利用钎焊连接强度低。因其具有超塑性，固态焊接是形成UHCS焊接接头的有效方法。UHCS的焊接有以下问题：1.UHCS的导热性差，焊接区和未加热部分之间产生显著的温差，当焊缝急剧冷却时，在焊缝中引起的内应力，很容易形成裂纹。2.UHCS对淬火更加敏感，近缝区极易形成马氏体组织。由于组织应力的作用，使近缝区产生冷裂纹。3.由于焊接高温的影响，晶粒长大快，碳化物容易在晶界上积聚、长大，使焊缝脆弱，焊接接头强度降低。4.UHCS焊接时容易产生热裂纹。5.UHCS的塑韧性差，是难焊材料，难以与其他金属进行良好焊接。UHCS和40Cr的超塑性固态扩散焊接头的力学性能较差，国内外的研究主要通过工艺和焊接参数来改善焊接接头质量。一般的方法有：1.对焊件表面进行淬火处理，细化表面组织；2.电致超塑性焊接；3.相变超塑性焊接；4.添加中间夹层。国内报道了对焊接面进行激光淬火，细化了表面组织，实现了1.4%C超高碳钢和40Cr的超塑性焊接。利用在焊接过程中加入一定的电场，可以大大提高焊接接头的强度。但是相关40Cr与UHCS添加中间夹层的超塑性固态焊接的研究尚未见文献报道。1.3 超塑性固态焊接超塑性是指材料在一定组织和变形条件下可呈现出异常好的塑性变形能力4。1920德国W.Rosenhain5等人发现Zn-4%Cu-7%Al共晶合金在特定条件下具有超塑性性能；后来英国C.P.Pearson对挤压态Pb-Sn、Bi-Sn共晶合金在缓慢的应力作用下拉伸，延伸率竟高达2000%；1945年，前苏联A.A.Bochvar等在Al-Zn系合金中也发现了塑性异常高的现象，并首次提出了“超塑性”的概念6。1964年，美国W.A.Backofen在对早期研究深入分析的基础上提出了超塑性基本方程(=km)7。目前己发现了一百多种金属材料的超塑性，并深入研究了超塑变形机理，掌握了不少使金属呈现超塑性的方法。特别是近些年来，超塑成形技术已经应用到工业实际中，如模具的超塑成型、仪器仪表及航空航天技术领域的复杂构件等。超塑性一般分为两大类：1.组织超塑性，又称细晶超塑性或恒温超塑性，它是在一定的组织和变形条件下实现的，组织条件是要求晶粒超细化(一般10m)、等轴化和稳定化，具备上述条件的材料在一定的变形温度(大于0.5Tm)和应变速率 (=10-4-10-1/s)下，以不同于常规的塑性变形机制在较小的应力作用下进行超塑流变，获得极高的延伸率，是目前研究和应用最多的超塑性8。2.相变超塑性或内应力超塑性，是指在很小应力作用下，通过循环加热冷却，使材料内部结构反复发生变化而产生的超塑性，凡是具有固态相变的金属和合金皆可以通过温度循环产生超塑性，而无需组织超细化。但由于需对温度循环进行控制，给工业应用带来一定的困难。在超塑性变形时，材料具有下列特征9：1.流变应力较常规塑性变形急剧减小，在低应力下塑性变形能力明显增大；2.拉伸时无颈缩现象；3.流变应力对应变速率非常敏感；4.不产生加工硬化，易于压力加工和精密成形；5.组织相对稳定，即晶粒长大很缓慢；6.塑性变形以晶界滑动为主，晶界扩散比较明显。基于此，超塑性可以应用于塑性加工、焊接、模具制造、热处理、机械加工、粉末冶金等领域。目前超塑成形技术在航空、航天、军工等行业的应用已带来了巨大的经济效益，超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术已成为航空制造工业中无可替代的关键技术10。固相连接的本质是接触面两侧很薄一层(几个晶粒厚) 材料形成的冶金结合。固态焊接是指材料在低于其熔化温度和一定的压力作用下，使相互接触的材料表面紧密接触，并通过原子扩散和键合形成冶金连接的过程11。它是通过各种物理方法克服两个连接面的不平度，除去氧化膜及其他污染物，使两个连接表面上的原子相互接近达到晶格距离以形成金属间原子结合，从而在固态条件下实现待焊件的连接。与熔化焊相比，固态焊接接头区不经过熔化和凝固过程，易获得高质量的接头，因而，对固态焊接的需求日趋增多。随着超塑性研究的深入，人们发现当材料处于超塑状态时，可在低应力下实现比较大的塑性流变，并具有强烈的激活状态，非常有利于实现待连接面的密合和破膜，扩散从而实现固态连接，这种基于材料超塑性的固态焊接技术即超塑性固态焊接，它兼有变形焊和扩散焊的机制和优点，且没有熔化焊的焊接缺陷，易满足精密焊接的要求，因而在现代制造业中有良好的应用前景12。超塑性固态焊接是利用材料在超塑变形时的塑性流变与扩散而实现的固态焊接13。该焊接方法所需的压力小(与扩散焊相当)；加热温度不高(介于冷压焊与热压焊、扩散焊之间)；无需真空或保护气氛；无需复杂设备工装；工艺简单、适用范围广；能实现性能迥异材料的固态连接，焊后几乎无需加工等特点, 具有广阔的工业应用前景和明显的技术经济效益，已成为近年来固态焊接非常活跃的研究领域。1.4中间夹层在固态焊接中的作用及选取对异种材料进行固态焊接时，多数情况需要在被焊材料的接触面之间填加在成分和性能上不同于基材的中间过渡层。过渡层材料通常具备的较好的塑变能力，可以改善固态焊接的工艺条件及被焊接界面的接触条件，降低焊接温度、压力，缩短焊接时间，减少焊件受压后的变形，减少甚至省去焊后的精加工工序，降低对待焊表面的机加工精度要求，可降低生产成本。过渡层可以增大缺陷区，从而减小缺陷密度，提高焊接区的强度。过渡层成分决定了过渡层材料的物理，化学性能，因而选择合适的过渡层的合金成分是非常重要的14。选择固态焊中间层材料的原则是：1.容易塑性变形，硬度较低；2.含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅等；3.物理化学性能与母材差异较被焊材料之间的差异小；4.不与母材产生不良的冶金反应，如产生脆性相或不希望有的共晶相；5.不会在接头上引起电化学腐蚀问题。通常，中间层是熔点较低（但不低于焊接温度）、塑性好的纯金属，如铜、镍、铝、银等，或与母材成分接近的含有少量易扩散的低熔点元素的合金。中间层厚度一般为几十微米，以利于缩短均匀化扩散时间。厚度在30100m，可以以箔片形式夹在两待焊表面之间。不能轧成箔的中间层材料，可用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂方法直接将中间层材料涂覆在待焊表面，镀层厚度可仅数微米。中间层厚度可根据最终成分来计算、初选、通过试验修正确定。1.5 本课题研究的主要内容和目的UHCS和40Cr组成的连接件能充分发挥两类钢种在性能与经济上的优势互补，从而在航空航天、石油、化工等行业具有广泛的应用前景15。目前UHCS的理论研究和应用研究需要深入，如：UHCS的超塑机制及高温塑性变形机理还不成熟；开发新的合金成分系列，提高UHCS的抗氧化、耐腐蚀性能，满足不同用途的需要。我国对含碳量较高的模具钢、轴承钢和高速钢亦进行了超塑处理和研究,但是对UHCS及其超塑性的研究还较少见。文献14报道了结构钢和工具钢经整体循环淬火预处理后的恒温超塑性固态焊接。文献16进一步指出,晶粒越细越有利于实现基于待焊面组织超细化的超塑固态连接,这种仅对焊件待焊面表层进行超细化预处理的焊接,对大尺寸工件焊接实施及减少变形更为有利,但此类研究国内外报道不多,特别是有关UHCS的固态焊接的研究更为少见。本文以UHCS与结构钢为研究对象，探讨其超塑性固态压接的可行性，最佳工艺参数以及连接接头性能，为工业应用提供实验依据。本文主要研究的内容有以下几方面：1调研及资料收集，原材料组织性能检测；2. 制作中间夹层；3进行UHCS-1.6C/40Cr超塑性固态焊接实验，并对接头抗拉强度及组织进行测试和分析；4初步分析具有中间夹层的UHCS-1.6C/40Cr超塑固态焊接接头形成机制。第二章 实验方法2.1实验设计路线本实验采用超塑性固态连接技术，利用中间夹层工艺，实现40Cr与超高碳钢的焊接。超塑性固态焊接是利用材料在超塑变形时的塑性流变与扩散而实现的固态焊接。在固态焊接中添加中间夹层，可以改善固态焊接的工艺条件及被焊接界面的接触条件，减小缺陷密度，提高焊接区的强度。2.1 实验流程图2.2实验材料UHCS-1.6C的主要化学成分见表2-117。UHCS-1.6C的制备工艺：采用中频真空感应炉熔炼、铸锭，对铸锭进行热轧，始轧温度1050，经过多道次轧制，终轧温度控制在850附近。表2-1 UHCS-1.6C的化学成分化学元素CMnSiCrAlPNbVTiS含量wt%1.60.440.491.541.660.0120.020.0430.0820.0075 图2-2 UHCS-1.6C球化退火工艺 图2-3 UHCS-1.6C球化退火态组织本文研究的UHCS-1.6C，Ac1的温度在790-800在高于Ac1温度加热奥氏体化，然后以给定冷却速率冷至Ac1温度以下出炉空冷，出炉温度设定750。离异共析转变球化处理实验工艺如图2-2所示。经球化热处理后组织为渗碳体()+铁素体()，其中Fe3C球化良好，少量聚集或呈棒状18，如图2-3所示，可满足超塑变形的组织要求。40Cr为退火供货态，并进行循环淬火处理，其化学成分如表2-4所示，原始组织为细晶马氏体。表2-4 40Cr的化学成分19化学元素CSiCrPNiSMn含量wt%0.3-0.450.40.8-1.10.030.20.030.35图2-5为40Cr钢的循环淬火工艺曲线。由图2-5可见，首先把加工好的40Cr钢试样加热到200保温一定时间，然后将其放入盐浴炉快速加热到820获得细小均匀的奥氏体组织，接着油淬冷却得到细晶粒马氏体；然后以同样工艺重复淬火以使40Cr钢试样的马氏体组织更细小。图2-5 40Cr 钢循环淬火工艺本实验采用铜，低碳钢，工业纯铁作为中间夹层，通过实验结果分析中间夹层在超塑性固态焊接的作用及不同中间夹层对焊接接头性能的影响。为获得较好的实验结果要尽量使中间层表面平整、光滑，厚度尽可能的薄（50m左右）。试样形状、尺寸如图2-6所示，直径为D=15mm，高为H=25mm。若试样径高比D/H过大，则压缩变形时“端面效应”的影响严重，D/H过小时则压缩过程中易失稳。文中取D/H=3/5，并且在端面上涂装润滑剂以减少“端面效应”的影响。为了降低实验与压头接触面上不可避免的摩擦对超塑变形的不良影响，并考虑到高温下润滑剂的润滑效果，本实验采用耐高温性好的石墨润滑20。图2-6试样的形状、尺寸中间夹层为圆形薄片，直径略大于试样的直径，厚度为50m左右。2.3实验设备焊接实验是在经改装的WJ-10A型机械式万能材料实验机（如图2-7）上进行，用管式电阻炉加热，DWJ-702型温控仪控温，误差为2。实验机压头移动速度在0.0530mm/min范围内可连续可调。实验所用的电源为多功能高压焊接实验电源FIT-7087。接头抗拉强度实验在日本SHIMAZU AG-I型万能电子拉伸实验机上进行。显微组织分析分别采用普通光学显微镜和日本OLYMPUS PMG-3型金相显微镜以及JSM-5610LV型扫描电镜。能谱分析用EDAX能谱分析仪。图2-7超塑固态焊接设备示意图2.4 实验参数的选取和实验步骤钢的超塑性温度一般是在接近AC1及其以上温度，已有数据显示UHCS-1.6C的超塑性变形温度为780，超塑性初始应变速率1.510-4s-1，拥有最佳的压缩超塑性21。实验时间分别为10min，15min，20min。1.对预处理后的试样的待焊接面用水砂纸和金相砂纸进行打磨，并对中间夹层用金相砂纸金相打磨，再用酒精和丙酮溶液对其进行清洗；2.测量试样焊前尺寸（高度和直径）；3.将中间夹层放入处理好的UHCS-1.6C与40Cr试样中间，压紧，尽量防止对接面夹有杂质，并用牛皮纸和胶布进行密封，端面涂上石墨；4.检查电源是否接通，底线是否接地，炉子是否合严，以确保实验过程安全进行；5.将准备好的试样置于试验机中，施加一定的预压力；6.打开冷却水管，然后给温控系统供电，供电后按下温控控制柜启动键，设定好实验温度，开始升温；7.到温后开始计时保温，保温一段时间，保温时间设定为15min，20min，30min；8.保温时间到后，根据工艺要求调节初始应变速率，开始焊接，并通过传感器与计算机实时记录实验数据；9.焊接实验停止，无压应力后，打开炉门，取出试样空冷；10.实验结束，关闭电源和冷却水；11.试样冷却后测量焊后的尺寸（高度和直径）；2.5 接头性能评价将焊后的试样加工成拉伸试样以便进行拉伸实验。强度是材料的力学性能中的一项重要指标。其指标数值的高低，可以表示出材料抵抗变形和断裂的能力的大小。大多数情况下，焊接接头要承受较大的拉伸应力，因此拉伸实验是评价焊件力学性能的最重要的实验。通过电子拉伸实验可以调查出不同焊接工艺条件下材料的抗拉强度，进而对焊接接头的力学性能进行评测。因此，本实验对超塑性固态连接接头实验片进行拉伸强度测试，采用SHIMADZU（岛津）AG-I205KN精密万能试验机。接头的抗拉强度由下式计算得出：=P0/A0式中：为接头抗拉强度，P0为接头的破坏载荷，A0为破坏前接头的面积22。实验要点：1. 拉伸试验片的截面规格为5mm10mm左右，每个工艺参数下制备三片，分别测出焊接接头截面尺寸，并对应编号。2. 实验片厚度较小，在装卡过程中应保证与机器卡具垂直，装卡位置在钛合金和不锈钢母材的二分之一处，使得受力均匀，避免产生附加扭矩，影响实验结果。3. 实验片接头截面积实际测量值计为A，由于测量误差的存在，和材料焊接接头本身的截面收缩，特引入及作为修正系数。=0.85 =0.90，修正后面积计为A04. 拉伸参数设置为：载荷为500KN，速率为为12mm/m。本实验采用MH-3型显微硬度计，该硬度计有10x，40x，两个物镜和一个HV压头，同时装在一个同轴旋转塔台上。在对压痕进行测量后，能自动显示试样的维氏硬度值。是科研机构、企业及质检部门进行研究和检测的理想硬度测试仪器。通过对被焊试样焊缝区域的微观硬度测试，了解加入中间层的扩散焊接头两侧硬度变化规律，和不同工艺参数对接头质量的影响。实验要点：1. 显微硬度实验选取工艺参数为T=780，t=15min接头试样为研究对象。2. 沿垂直焊缝方向分别向40Cr和UHCS的母材两侧，进行打点测试硬度。第一点选取距焊缝中心处，然后每隔10m打点，分上下位置两行，每行21个点，一个试样共计42个点。3. 实验参数为加载载荷200g，保载时间15秒。4. 实验操作中，特别注意压头保载时间充分后，压头完全上升，指示灯亮起才能转动目镜旋转塔台，防止损害压头。为了调查出各条件下铜中间层的扩散程度，对扩散接头的断面进行SEM组织观察。扫描电镜景深大，不同原子序数的元素在电镜相片上的衬度是不一样的，同时结合配置能谱分析，可以直观的，定量的分析元素的区域偏析和显微偏析。用扫描电镜实验方法可以调查中间层对焊接接头的组织性能的影响。本次实验设备为JSM-5610扫描电子显微镜，配有美国EDAX公司的能谱仪。它可用于各种材料的组织形貌观察、金属材料断口分析和失效分析，以及对样品进行定性定量微区成分分析。在开始对试样进行观察之前，应该将待观察面打磨、抛光，然后用超声波清洗。之后才能放入电镜内观察，否则如果试样上带有杂质不但观察不清楚组织，还有可能落入电镜中，破坏实验仪器造成不必要的损失。第三章 实验结果的分析与讨论3.1 具有中间夹层与直接焊接的强度对比本实验中间层材料为Cu、低碳钢和工业纯铁，其实验结果对比如表3-1所示，在上述三种中间层材料中，Cu作为中间层时接头强度最低无法做成拉伸试样，未测出其强度，低碳钢作为中间夹层时焊接30min时候强度较高，工业纯铁作为中间层时接头的强度最高，平均值为549MPa。下表中1#为靠近试样芯部的拉伸试样。表3-1 实验参数与接头拉伸强度中间加层厚度/m实验条件1# 强度/MPa2# 强度/MPa温度/应变速率/S-1时间/minCu507800.510-430低碳钢1007800.510-430398379工业纯铁507801.510-410275.493325.35工业纯铁507801.510-415560.061538.651工业纯铁507801.510-420541.392382.826参照实验条件为780，应变速率为1.510-4S-1，焊接时间为20min的直接焊接的实验数据，对比两组实验数据，得出如图3-2所示的添加工业纯铁为中间层与直接扩散连接的强度特征。具有中间夹层的焊接接头质量好于直接焊接的接头质量。这是由于：中间夹层材料通常具备的较好的塑变能力，可以改善固态焊接的工艺条件及被焊接界面的接触条件，降低焊接温度、压力，缩短焊接时间，减少焊件受压后的变形，减少甚至省去焊后的精加工工序，降低对待焊表面的机加工精度要求，可降低生产成本。过渡层可以增大缺陷区，从而减小缺陷密度，提高焊接区的强度。图3-2 中间层与接头强度的关系3.2 焊接时间对接头强度的影响恒温超塑性焊接是兼具有扩散焊和压力焊的特点，而扩散需要一个时间过程，因此时间也是影响焊接接头的一个重要因素。焊接时间是待焊材料发生塑性流变与扩散的持续时间，考察焊接不同焊接时间焊接接头的拉伸强度，有助于揭示其接头形成过程在中间夹层为工业纯铁，焊接温度780的情况下，不同的焊接时间对其焊接接头的强度的影响如图3-3所示： 由图可知：t=10min时，接头强度为275.493MPa，当焊接时间为15min左右时强度最高，其值为560.061MPa，随着焊接时间的继续增加接头强度开始降低，当焊接时间为20min时接头强度为541.392MPa。焊接接头强度随焊接时间的增加而增加，在一定的焊接时间，焊接接头的强度达到最大，而后随焊接时间的增加，焊接强度减小。 图3-3焊接时间与接头强度的关系如果保温时间短，中间夹层的扩散不充分，超高碳钢的塑性变形量小，相应的连接面就会很薄而且不连续，均匀性不好，因此降低了接头的力学性能。随着焊接时间的增加，中间夹层的扩散充分，超高碳钢的塑性变形量增大，接头的强度提高。但是，过分延长焊接时间连接强度反而有所下降。这是因为焊接时间过长，材料晶粒粗大，接头区组织性能下降，进而接头力学性能下降，因此接头强度随着焊接时间的延长而降低23。3.3 中间夹层材料对接头强度的影响实验分别用Cu、低碳钢、工业纯铁作中间夹层。用Cu做中间夹层，焊接接头强度低，焊接实验失败。Cu不适合做40Cr与UHCS的超塑性固态焊接的中间夹层材料。低碳钢、工业纯铁做中间夹层，其强度变化如图3-4所示：实验温度为780，采用工业纯铁为中间夹层，最佳接头强度为560.06MPa、538.65MPa；采用低碳钢为中间夹层，最佳接头强度为389MPa、379MPa。工业纯铁做中间夹层要比低碳钢做中间夹层焊接接头强度高。工业纯铁比低碳钢的S低，焊接时变形量大，两试样与中间夹层的接触面增大，焊接接头强度高。图3-4 低碳钢、工业纯铁做中间夹层与接头强度的关系3.4 显微组织观察与分析3.4.1 40Cr与UHCS的组织分析40Cr的含碳量为0.4%，经过循环淬火，室温下得到铁素体和回火马氏体。40Cr在焊接过程中先升温到780，然后保温，最后在炉中缓慢冷去，生成大量珠光体。升温过程中，产生单相奥氏体以及残留铁素体、渗碳体。在炉中缓慢冷却属于退火过程，退火得到珠光体和铁素体。退火的主要目的是均匀钢中的化学成分及组织，消除成分偏析，细化晶粒；消除应力，稳定工件尺寸，减小变形，防止开裂；降低硬度，提高切削加工性能；提高塑性，变以冷却加工等。实验所选UHCS的碳含量为1.6%，属于过共析钢，过共析钢的室温组织成分为珠光体和二次渗碳体，UHCS是球化退火的过共析钢，它的渗碳体已经球化。变为球状珠光体，焊接过程相当于又一次的球化退火，提高了球化的质量。3.4.2 接头的显微组织观察与分析添加不同的中间夹层与直接焊接的焊接接头组织形态如图3-5所示：a为直接焊接的接头组织形貌，b、c、d分别为工业纯铁、Cu、低碳钢为中间层的接头组织形貌特征：由图中得出：Cu与40Cr连接致密，有部分铜被压入40Cr中，但是两者没有明显的过渡区，没有发生冶金结合。Cu与UHCS的连接有大量的孔洞等焊接缺陷，并且也无过渡区，可能是Cu发生了高温氧化现象。在焊接变形时，形成致密的氧化膜，阻碍了中间层与母材间的扩散，降低了接头的力学性能。Cu不适合做40Cr与UHCS的超塑性固态焊接的中间夹层材料。球化退火态UHCS-1.6C与循环淬火态40Cr在T=780，=1.510-4s-1，t=15min，采用工业纯铁为中间层的条件下超塑焊接，接头区界面结合良好，界面两侧显微组织连续，原始界面基本消失，两侧金属已实现冶金结合。40Cr与工业纯铁的连接致密；但是碳的扩散很少，这是由于在焊接过程中40Cr里奥氏体可以大量的溶解碳，不会有碳向中间夹层去扩散。工业纯铁靠近40Cr的30m范围内，有大量的粗大的铁素体晶粒，晶粒不等轴，尺寸为15m40m，对焊接接头的力学性能有很大影响。UHCS与工业纯铁中间有孔洞，连接不紧密；但是，碳的扩散比较明显，有大量的碳由UHCS向工业纯铁方向扩散，扩散区10m左右，在焊接过程中，UHCS里的碳有高浓度向低浓度（工业纯铁）方向扩散。由于有一部分碳扩散到工业纯铁中，使得工业纯铁含碳量增加，其力学性能增强。由图a与b、d两图比较，直接焊接的接头的界面有大量未连接区域，其焊合情况不如添加中间夹层。 a.直接焊接的街头组织形貌 b.工业纯铁为中间夹层的接头组织形貌 c.铜为中间层的接头组织形貌 d.低碳钢为中间层的接头组织形貌图3-5 焊接接头组织形貌为进一步了解中间层在UHCS-1.6C/40Cr超塑性焊接接头形成过程中间夹层起到的作用，本实验对焊后拉伸断口进行了观察和分析，发现：拉伸断裂均发生在接头区域。本实验进行显微组织观察和分析。图3-6a、b分别为温度780，焊接时间15min，应变速率为1.510-4S-1，采用中间焊接时，UHCS-1.6C侧与40Cr侧断口显微组织图，图c、d分别为相同工艺参数下未采用中间层焊接时，UHCS-1.6C侧与40Cr侧断口显微组织图，比较断口显微组织图可知：在不采用中间层的时候，焊接断面的显微组织比较平整，凸点和凹坑不均匀且数量较少。而使用工业纯铁为中间层之后，接头的显微组织相对粗糙，凸起和凹坑均匀且数量较多。表明：在未加中间层的接头连接中，界面区相互变形接触不充分，焊接接头发生冶金结合的总面积较小。而在使用中间层的接头区域，界面区相互变形接触充分，焊接接头发生冶金结合的总面积较大。这是由于工业纯铁在实验条件下的屈服强度小于40Cr和UHCS-1.6C的屈服强度，在施压一定的预压力时，能够使工业纯铁/40Cr，UHCS-1.6C/工业纯铁充分接触，并且工业纯铁在实验条件下流变应力较小，从而促进碳原子在界面间的充分扩散，有利于形成冶金结合，从而提高接头的强度。图3-7为 UHCS-1.6C/40Cr超塑性固态焊接40Cr侧A处的能谱分析，由图中可以看出，表面凸起部分含Fe量高，属于工业纯铁组织，是拉伸过程中40Cr“拽”过来的。40Cr与工业纯铁发生了原子间的扩散。 a.UHCS侧断口显微组织（采用中间层） b.40Cr侧断口显微组织（采用中间层） c. UHCS侧断口显微组织（直接焊接） d.40Cr侧断口显微组织（直接焊接）图3-6 接头断口显微组织 工业纯铁中间层 40Cr显微组织 工业纯铁中间层40Cr侧 图3-7 UHCS/40Cr超塑性固态焊接能谱分析3.4.3 显微硬度分析为了进一步考察中间层在超塑性固态焊接中的作用，通过对焊接接头部位的显微硬度测试，评价接合界面附近的力学性能，验证通过观察推测的理论。图3-8为在T=780，=1.510-4S-1，t=15min，中间层为工业纯铁的条件下焊后试样接头区显微硬度分布曲线：图3-8 显微硬度分布竖坐标左边为UHCS-1.6C，右边为40Cr，原点左右50m区域为接头区。由图可以看出：1. UHCS-1.6C母材的硬度高于40Cr。2. 焊接接头区域的硬度最低，距离焊接接头区越远，硬度越高，最后达到母材硬度。3. UHCS-1.6C与焊接面之间过渡区的硬度相应高于40Cr与焊接面之间过渡区的硬度。这种情况的原因是：UHCS-1.6C组织为球状珠光体，强度和硬度高于40Cr；焊接温度为780，为UHCS-1.6C的超塑性温度，UHCS-1.6C发生超塑性变形；焊接过程中，大量的碳由UHCS-1.6C扩散到中间夹层（工业纯铁），提高了焊接区的硬度，而40Cr侧的中间夹层出现了铁素体粗化现象，如图3-5b所示，UHCS-1.6C与焊接面之间过渡区的硬度相应高于40Cr与焊接面之间过渡区的硬度。这与微观显微组织情况相互印证。3.5 焊接机理初探现有研究认为超塑性固态焊接的一般焊接过程为：焊接面紧密接触超塑性变形破膜界面两侧原子扩散界面冶金区形成。在此基础上本文对具有中间夹层的UHCS-1.6C和40Cr的超塑性固态焊接的焊接机理进行初步分析。40Cr和UHCS-1.6C分别与中间夹层的表面贴紧形成物理的接触：每两个接触表面凸起处首先接触产生塑性及超塑性流变，使氧化膜和吸附层破碎，接触面积增大，随后在更大面积上发生上述变化，超塑变形使新表面增加，使物理接触面积增大并贴紧。紧密接触处界面两侧原子相互扩散：焊接面逐渐扩大，在随后的焊接过程中，随着塑性变形量的增大，晶界滑动和晶粒转动使已经接触的界面逐渐推移，氧化膜逐渐破碎，新表面不断出现，使更大面积的接合面之间形成冶金结合。40Cr钢侧在空位与位错运动调节的晶界滑动和晶粒转动的塑性变形机制下，晶界及其附近位错密度增大，为原子扩散提供了便利。UHCS-1.6C侧由于经过预先组织细化，晶界增多，也有利于UHCS-1.6C碳原子向中间层进行扩散，最终实现了界面两侧金属的高质量固态连接。界面冶金结合区的形成：随着界面处超塑变形和扩散的不断进行，界面区空隙、氧化膜进一步破碎并最终消失，接合界面区域在短时间内形成了由等轴、细小的动态再结晶晶粒构成的界面冶金结合区。扩散继续进行，进一步加强已形成的连接，直至原始界面最终完全消失。轧制状态的工业纯铁晶粒粗大而且横向等轴性差，是影响焊接接头质量的一个重要因素。在制作中间夹层的过程中，对轧制状体的工业纯铁进行退火处理，能提高接头的焊接质量。采用中间夹层的40Cr与UHCS的恒温超塑性固态焊接与扩散焊接相比，是在非真空和无保护气氛下短时间内完成的，在整个焊接过程中中间层两侧材料因满足了超塑变形的组织条件和变形条件，而能在较低应力作用下、较短时间内形成冶金结合，实现二者的固态连接。结 论通过对焊接接头的组织和性能的研究，可以得出以下结论：1. 具有中间夹层的UHCS-1.6C/40Cr的超塑性固态连接，通过各种实验参数的对比，最佳的工艺参数温度为780，焊接时间为15min，应变速率1.510-4，中间层材料为厚度为50m的工业纯铁。接头性能良好，抗拉强度达到549MPa，达到40Cr母材强度。2. UHCS-1.6C/40Cr超塑性固态焊接采用Cu做中间夹层，由于Cu在焊接过程中出现了高温氧化现象，形成了致密的氧化膜，阻碍了中间层与母材的扩散，得到的焊接接头强度低。3. 采用工业纯铁做中间夹层，能增大待焊接面的接触面积，促进碳原子在界面间的充分扩散，有利于形成冶金结合，从而提高接头的强度，接头强度明显高于直接焊接。4. UHCS-1.6C/40Cr超塑性固态焊接采用工业纯铁做中间夹层，焊接断裂发生在工业纯铁与40Cr之间形成的过渡区，过渡区组织中粗大的非等轴的晶粒，是焊接接头的薄弱环节。参考文献1 罗光敏,吴建生,史海生,等.国外UHCS-1.6C的研究进展J.材料热处理学报,2003,24(1):14-15.2 杨蕴林等.40cr钢的恒温超塑性焊接J.钢铁.1995,7.3 张占领,杨永宁,朱杰武,等.超细晶1.73CUHCS-1.6C的组织与性能J.材料研究学报,2006,20(4):407-409.4 OA卡依勃舍夫,王燕文.金属的塑性和超塑性M.北京:机械工业出社,1982:1-75.5 W.A.Backofen,IR.Turnrand D. H. Avery. Trans.ASM.1964(57):9806 Wakai F,Sakaguchi S,Kanayama K, etc. Ceramic Materials and Components for Engines, BadHonnef, Deutsche Keramische Gesellschaft, 1986:315.7 Musin F,Kaibyshev R,Motohashi Y,et al. 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