F460钢焊接热模拟粗晶热影响区的组织与力学性能研究

摘要

F460钢是一种新型、高强韧性的大厚度船板钢，是未来船体与海洋平台关键构件的重要组成部分，其工作环境温度较低且受力复杂。此外在焊接时热影响区（HAZ）往往会发生晶粒粗化，严重影响船舶的行驶安全性。目前国内仅刘东升等人使用焊接热模拟技术，详细地讨论了不同焊接线能量（E）下粗晶热影响区（CGHAZ）的组织与低温冲击韧性的关系，但是不同焊接线能量下导致韧脆转变温度（T K）发生变化的根本原因还不清楚，因此本文将重点阐述不同线能量下F460钢粗晶热影响区韧脆转变温度（TK）发生变化的内在机理。
　　本次研究所用的材料为线能量（E）15KJ/cm、30KJ/cm、50KJ/cm、100KJ/cm下的焊接热模拟冲击试样与非标准圆棒拉伸试样，其中冲击试样的尺寸为10mm?10mm?55mm。为更好地解释不同线能量下F460钢粗晶热影响区韧脆转变温度（TK）变化的内在机理，本课题对以下四个方面进行了研究：（1）采用金相光镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及电子背散射衍射（EBSD）技术分析不同线能量下粗晶热影响区的组织，从而得出组织随线能量的变化规律；（2）将不同温度（0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-95℃、-105℃、-195℃）下的冲击断口至于SEM中，沿河流花样的反方向寻找起裂源，用Image软件测量冲击断口上的三个微观参数，从裂纹的扩展角度上分析冲击韧性变化的原因；（3）通过两种方法确认临界事件的大小，一是在 CGHAZ上用SEM观察距冲击缺口尖端250m范围内的残留裂纹，从残留裂纹的中断位置以及残留裂纹与原始奥氏体晶粒、贝氏体团在尺寸方面的相关性确认临界事件，二是比较原始奥氏体晶粒、贝氏体团大小与脆性断口中起裂源处解理面的半长轴，从尺寸的吻合程度确认临界事件；（4）使用有限元（FEM）计算出-195℃时冲击缺口前沿处的应力-应变分布，并结合起裂源至塑性裂纹扩展区尖端的垂直距离 Xf获得不同线能量下细观解理断裂的微观参数。
　　研究结果表明：随着线能量的增加，粗晶热影响区的主要显微组织依次为细密的板条马氏体，板条较多的板条/粒状贝氏体，颗粒较多的板条/粒状贝氏体以及粗大的粒状贝氏体，原始奥氏体晶粒与贝氏体团的最大尺寸逐渐增加，而单位面积内大角度晶界所占比例逐渐降低；SZW+SCL随试验温度的变化规律与冲击功随试验温度的变化规律一致，韧脆转变上平台的SZW+SCL几乎不变，下平台的SZW+SCL接近0，而SZW+SCL的长度决定了过渡区的韧性；此外随着线能量的提高，SZW+SCL会在更高的温度下趋近于0；不同线能量下的临界事件都是贝氏体团尺寸，且临界事件的大小随着线能量的提高而增加；结合Xf与有限元（FEM）计算出的冲击缺口前端的应力-应变，发现临界三向应力度TC、临界解理断裂应力σf、应力强化系数Q随线能量的提高呈现下降趋势，而比表面能γ几乎不变。
　　通过不同线能量下的微观组织形态、细观解理断裂参数以及本课题组的先前研究可得到以下结论：粗化的原始奥氏体晶粒与贝氏体团、减少的大角度晶界以及增加的粒状贝氏体含量，削弱了对裂纹扩展的阻碍作用。韧脆转变曲线上平台、过渡区、下平台的韧性分别由韧窝的大小、塑性裂纹 SZW+SCL的长度以及 Xf的长度所决定，其中在过渡区中扩展单位SZW+SCL所需的能量是一定的；在本课题组的先前研究中可知，塑性裂纹SZW+SCL的长度取决于解理断裂起裂的早晚，而起裂的早晚又取决于临界解理断裂应力σf。临界事件的尺寸随着线能量的增加而增大，即 a15KJ/cm＜a30KJ/cm＜a50KJ/cm＜a100KJ/cm，这一变化规律与临界解理断裂应力σf有着密切的关系。通过比较不同线能量下的解理断裂参数可知，σf是决定不同线能量下韧脆转变温度发生变化的唯一因素，且其随着线能量的增加而下降，这就意味着断裂所需的外加驱动力随着线能量的提高而下降。以上原因就是不同线能量下韧脆转变温度（TK）发生变化的内在机理。

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第1章 绪论

1.1 一种新型船板钢-F460钢

1.2 焊接热模拟技术与焊接热影响区

1.3 断裂力学

1.4 本课题研究现状与内容

1.5 本章小结

第2章 不同线能量下F460钢粗晶热影响区的组织

2.1 实验材料综述

2.2 实验步骤

2.3 不同线能量下粗晶热影响区的组织分析

2.4 本章小结

第3章 不同线能量下F460钢粗晶热影响的拉伸性能

3.1 拉伸实验综述

3.2 实验内容

3.3 不同线能量下F460钢粗晶热影响区的拉伸性能

3.3 本章小结

第4章 不同线能量下F460钢粗晶热影响区的冲击性能

4.1 冲击实验综述

4.2 实验内容

4.3 不同线能量下F460焊接粗晶热影响的冲击性能

4.4 本章小结

第5章 不同线能量下F460钢解理断裂的临界事件

5.1 临界事件综述

5.2 实验内容

5.3 结果与讨论

5.3本章小结

第6章 不同线能量下F460钢粗晶热影响区的有限元计算

6.1 有限元综述

6.2 实验内容

6.3 有限元计算结果

6.4 讨论不同线能量下韧脆转变的机理分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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