焊條電弧焊奧氏體不銹鋼焊縫微觀組織對疲勞壽命和沖擊韌性的影響

1、焊條電弧焊奧氏體不銹鋼焊縫微觀組織對疲勞壽命和沖擊韌性的影響奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼 , 由于其優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕性和 可加工性,幾乎覆蓋了不銹鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的 60-70%。焊條電弧焊(SMAW因其成 本低、適應(yīng)性強和便攜性好 , 是不同 AISI 等級不銹鋼系列最常用的焊接方法。巴基斯坦的主要工業(yè)中 (特別是 Heavy Mechanical Complex 和 HeavyIndustries Taxila),大部分的制造都依賴SMAW這種焊接方法在巴基斯坦的其 他行業(yè)(制糖廠、水泥廠等 )的維修部門中也很常用。因此，本文作者采用SMAV方法制備奧氏體不銹鋼接頭，并對其焊接接頭

2、進行研究。在循環(huán)和沖擊載荷的條件下 , 焊接接頭易產(chǎn)生疲勞和韌性失效。不同焊接條件下的焊縫組織演變對于焊接接頭的最終壽命產(chǎn)生很大的影響。本研究對于揭示顯微組織演變對奧氏體不銹鋼SMAW接頭疲勞壽命和沖擊韌性的影響機理有著重要的意義。多層多道焊縫中不同焊接區(qū)域的凝固和再凝固以及隨后的相變對于焊接接頭的力學性能起著至關(guān)重要的作用。 本研究目的之一是研究多層多道焊對焊縫顯 微組織和接頭力學性能的影響。使用金相顯微鏡測定了奧氏體中的 S鐵素體相。不同于傳統(tǒng)的依賴于一般鐵 素體數(shù)(F.N.)的方法,本文開發(fā)了一種用于圖像處理的 MATLAB?序來估計奧氏 體相中S鐵素體局部百分比的方法。并且，為了揭示S

3、鐵素體的影響，結(jié)合不同的性能討論了其局部百分比。借助 這種技術(shù),還可以很好地估計出局部S鐵素體的形貌。以鐵素體-奧氏體模式(FA模式)凝固的熔化區(qū)(FZ)包括兩種基本的S鐵素體形態(tài)：花邊狀和蠕蟲狀。討論了單道次、雙道次和三道次焊縫中BM HAZ和FZ的晶粒生長行為和鐵素體百分比。研究了 S鐵素體百分比和形態(tài)對每層焊道不同區(qū)域疲勞裂紋萌生和擴展的 影響。檢測了焊接區(qū)域不同方向的疲勞裂紋擴展速率 （FCPR）,發(fā)現(xiàn)橫向（垂直于焊 接方向 ）的擴展速率明顯較低于縱向 （平行于焊接方向 ）。由于其特定的微觀結(jié)構(gòu)模式,與BM和 FZ相比,HAZ具有更大的FCPR對于疲 勞裂紋擴展而言 , 三道焊焊縫因其

4、具有高集中度的花邊狀鐵素體而呈現(xiàn)出最高的 抗力。但是, 在某些情況下 , 裂紋力學的影響才是主要原因 , 而不是微觀結(jié)構(gòu)的影響。 為獲得最佳的疲勞和沖擊強度所需的顯微組織模式，對SS304L熔池中奧氏體和鐵素體形成元素（鎳和鉻）的百分比進行了深入的研究，并考察了它們對S鐵素體 形態(tài)、數(shù)量、局部析出和疲勞裂紋擴展速率 （FCPR）的影響。運用上述用于圖像處理的 MATLAB?序,評估了特定焊縫區(qū)域的局部S鐵素 體數(shù)（F.N.）。發(fā)現(xiàn)填充合金中鎳含量的降低在 FZ中產(chǎn)生隨機分散的粒狀鐵素體， 在HAZ中產(chǎn)生等軸晶粒，晶界處有塊狀熔塊。而鉻含量的增加則會導致接頭 FZ和HAZ中樹枝狀和蠕蟲狀鐵素體的

5、析出。通過建立裂紋張開位移（COD）與相應(yīng)FCPR之間的關(guān)系，研究了裂紋尖端鐵素體數(shù) 量及其形態(tài)的影響。測定了所有焊縫中鐵素體數(shù)對FCPRK化的影響，發(fā)現(xiàn)鐵素體數(shù)在15-19之間 時SS 304L焊縫得到了最佳的疲勞強度。通過繪制 Paris曲線發(fā)現(xiàn),與其他焊縫 相比, 采用 Cr 24.60%和 Ni 10.92%的填充合金時獲得的焊縫疲勞壽命最高。除了微觀組織演變的影響之外 , 裂紋力學因素也影響著焊縫的疲勞壽命。為 了更好地理解裂紋力學因素的影響機理,采用Sih簡化解析模型和Irwin數(shù)值模 型分別計算了不同裂紋長度下的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸。在小規(guī)模屈服(SSY)近似的有效范圍內(nèi),采用CO

6、C和彈性應(yīng)力強度因子解釋 了塑性區(qū)尺寸的影響。 采用高循環(huán)疲勞情況下的實驗方法確定了彈性應(yīng)力強度因 子的變化在控制裂紋尖端局部塑性流動中的作用和 FCPR。研究發(fā)現(xiàn)，在4-5 mm的塑性區(qū)尺寸范圍內(nèi)，對于特定的彈性應(yīng)力強度因子， 所有焊縫塑性區(qū)尺寸的數(shù)值和解析結(jié)果之間存在良好的一致性。 對于高載荷和更 大的裂紋長度，由于在高裂紋尺寸時的快速誘導塑性，實驗獲得的COD值比計算 值高 15-19%。由于巨大的熱過程差異和微觀組織的不均勻性 , 不同焊縫區(qū)域界面韌性的突 然損失會導致接頭的嚴重失效。在沖擊載荷的作用下 , 采用適當?shù)幕瘜W成分和焊 縫冷卻速度，通過局部控制S鐵素體的形貌和析出以及鐵素體數(shù)量，研究了 SS304L不銹鋼SMAWI縫的穩(wěn)定性?；诓煌瘜W成分和冷卻速度情況下不同焊縫區(qū)域和界面的鐵素體形貌和 鐵素體數(shù)量 , 得出了界面上獲得良好韌性的最佳化學成分和冷卻速度值。討論了 局部奧氏體-鐵素體比值S/ 丫與焊縫上相應(yīng)的韌性值，以預測其合適的范圍。鐵素體-奧氏體比值、化學成分和冷卻速率的推