搅拌摩擦焊接高氮奥氏体不锈钢的组织与性能研究

摘要

高氮奥氏体不锈钢具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，应用前景广阔。其能否在工程领域中得到更加广泛的应用很大程度上取决于其焊接性能，然而，其在传统熔焊过程中产生较多的焊接缺陷，严重影响焊接件的力学和腐蚀性能。因此，高氮不锈钢焊接技术仍是制约高氮不锈钢品种开发和工程化应用的瓶颈之一。搅拌摩擦焊接作为一种固相连接技术，在焊接过程中不经历从固相到液相的转变，对于高氮奥氏体不锈钢的焊接具有潜在的优势。因此，研究将搅拌摩擦焊应用于高氮奥氏体不锈钢的焊接，可以为高氮不锈钢焊接提供了一条极具发展潜力的途径，进而推动其更广泛的应用。 本论文对18Cr-18Mn-0.96N高氮奥氏体不锈钢进行搅拌摩擦焊接，参数选择为固定的焊接速度100mm·min-1和三种不同的搅拌头转速，即400rpm、500rpm和600rpm，并对焊接件进行宏观形貌观察和焊缝处的渗透探伤及氮含量的测定。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射(EBSD)结合Thermo-Calc热力学软件计算合金的相图，研究高氮奥氏体不锈钢的搅拌摩擦焊接的微观组织演变。利用硬度和拉伸试验评价焊接件的力学性能，利用阳极极化曲线和动电位再活化(EPR)方法研究高氮奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接件的耐点蚀和耐晶间腐蚀性能，分析微观组织演变对力学和耐腐蚀性能的影响规律，探索搅拌头转速对高氮奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接件力学和耐腐蚀性能的影响规律。得出的主要结论如下: 高氮奥氏体不锈钢的搅拌摩擦焊接试件变形量较小，各转速下焊缝均无明显的沟槽、孔洞等表面缺陷，渗透探伤进一步表明无微小裂纹等开口型缺陷;焊缝氮含量的测定表明，焊接过程中基本无氮的损失。搅拌头转速为400rpm下接头的横截面组织致密，无内部缺陷，转速为500rpm和600rpm时，热输入量过大在焊核区内分别形成了裂纹缺陷和内部孔洞缺陷。 各搅拌头转速下焊缝横截面可主要分为四个区域:母材区、焊核区、热影响区及热机影响区。焊核区的晶粒得到明显的细化，且位于上部的晶粒大于下部;热机影响区的晶粒未发生明显的长大;焊核区两侧的热机影响区具有不对称性，前进侧的晶粒被扭曲、拉长沿着搅拌针侧面方向呈流线型分布，返回侧的过渡则不明显。500rpm下返回侧的过渡线呈现出不规则;600rpm下返回侧形成了“界线”型缺陷。TEM观察表明，母材区的位错密度较低，不同转速下焊核区的位错密度均较高，焊接过程中动态再结晶进行的不完全。结合SEM观察表明，焊接过程中无二次相的析出。 焊核区的硬度明显高于母材，硬度值从母材区到热机影响区大幅增加，在焊核区达到最大值。拉伸试验表明，搅拌头速度为400rpm和500rpm时试件均在靠近热影响区位置发生韧性断裂，屈服强度和抗拉强度高于母材试件，延伸率低于母材试件。400rpm试件的强度最高，500rpm内部的微裂纹对其拉伸性能影响较小。600rpm的试件由于发生脆性断裂，拉伸强度和延伸率均较低。 阳极极化曲线和EPR方法表明焊核区的点蚀电位和Ir/Ia值均低于母材，说明其耐点蚀和晶间腐蚀性均低于母材，且随着搅拌头转速的增加焊核区的点蚀电位逐渐降低，晶间腐蚀敏感性Ir/Ia逐渐增大，耐腐蚀性能进一步降低。EBSD分析表明，焊核区的δ-铁素体相比于母材增多，焊接过程中发生了奥氏体向铁素铁的转变。SEM线扫描分析表明在δ-铁素体和奥氏体的边界上出现明显的贫Cr区，造成焊核区的耐蚀性能下降。随着搅拌头转速的增加，焊核区的δ-铁素体进一步增多，耐腐蚀性能进一步降低。

目录

声明

摘要

1．1研究背景

1．2研究目的及意义

1．3研究内容

第2章文献综述

2．1高氮奥氏体不锈钢概述

2．1．1高氮奥氏体不锈钢定义及分类

2．1．2高氮奥氏体不锈钢性能及应用领域

2．1．3高氮奥氏体不锈钢熔焊的研究现状

2．2搅拌摩擦焊接技术简介

2．2．1搅拌摩擦焊的原理及特点

2．2．2搅拌摩擦焊的工业应用

2．3搅拌摩擦焊接件常见缺陷概述

2．3．1表面缺陷

2．3．2内部缺陷

2．4不锈钢搅拌摩擦焊接研究进展

2．4．1焊接接头的微观组织研究

2．4．2焊接接头的力学性能研究

2．4．3焊接接头的腐蚀性能研究

2．5文献评述

第3章实验方案

3．1实验材料及焊接设备

3．1．1实验材料

3．1．2焊接设备

3．1．3焊接过程及工艺参数

3．2焊接件的分析方法

3．2．1焊缝宏观形貌及着色渗透探伤

3．2．2焊接件组织及性能的分析方法

第4章高氮奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接的组织研究

4．1焊接件成形性能的分析

4．1．1典型焊接件的宏观形貌观察

4．1．2转速对焊缝表面形貌的影响

4．1．3不同转速下焊接接头氮含量的测定

4．2搅拌摩擦焊接件接头微观组织分析

4．2．1典型焊接接头横截面及各区的金相组织

4．2．2转速对焊接头微观组织的影响

4．2．3焊核区微观组织的TEM分析

4．3本章小结

第5章高氮奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接的性能研究

5．1焊接件的力学性能研究

5．1．1焊接接头横截面的硬度测定

5．1．2焊接件的拉伸性能研究

5．2焊接接头的耐腐蚀性能研究

5．2．1耐点腐蚀性能研究

5．2．2耐晶间腐蚀性能研究

5．3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表论文

论文包含图、表、公式及文献