F460鋼焊接熱模擬粗晶熱影響區(qū)的組織與力學(xué)性能研究.pdf

1、F460鋼是一種新型、高強(qiáng)韌性的大厚度船板鋼，是未來(lái)船體與海洋平臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件的重要組成部分，其工作環(huán)境溫度較低且受力復(fù)雜。此外在焊接時(shí)熱影響區(qū)（HAZ）往往會(huì)發(fā)生晶粒粗化，嚴(yán)重影響船舶的行駛安全性。目前國(guó)內(nèi)僅劉東升等人使用焊接熱模擬技術(shù)，詳細(xì)地討論了不同焊接線能量（E）下粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）的組織與低溫沖擊韌性的關(guān)系，但是不同焊接線能量下導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度（T K）發(fā)生變化的根本原因還不清楚，因此本文將重點(diǎn)闡述不同線能量下F460鋼粗

2、晶熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度（TK）發(fā)生變化的內(nèi)在機(jī)理。
　　本次研究所用的材料為線能量（E）15KJ/cm、30KJ/cm、50KJ/cm、100KJ/cm下的焊接熱模擬沖擊試樣與非標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，其中沖擊試樣的尺寸為10mm?10mm?55mm。為更好地解釋不同線能量下F460鋼粗晶熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度（TK）變化的內(nèi)在機(jī)理，本課題對(duì)以下四個(gè)方面進(jìn)行了研究：（1）采用金相光鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及電子背散射衍射（E

3、BSD）技術(shù)分析不同線能量下粗晶熱影響區(qū)的組織，從而得出組織隨線能量的變化規(guī)律；（2）將不同溫度（0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-95℃、-105℃、-195℃）下的沖擊斷口至于SEM中，沿河流花樣的反方向?qū)ふ移鹆言?，用Image軟件測(cè)量沖擊斷口上的三個(gè)微觀參數(shù)，從裂紋的擴(kuò)展角度上分析沖擊韌性變化的原因；（3）通過(guò)兩種方法確認(rèn)臨界事件的大小，一是在 CGHAZ上用SEM觀察距沖擊缺口尖端250m范圍內(nèi)的殘留裂紋，從殘留裂

4、紋的中斷位置以及殘留裂紋與原始奧氏體晶粒、貝氏體團(tuán)在尺寸方面的相關(guān)性確認(rèn)臨界事件，二是比較原始奧氏體晶粒、貝氏體團(tuán)大小與脆性斷口中起裂源處解理面的半長(zhǎng)軸，從尺寸的吻合程度確認(rèn)臨界事件；（4）使用有限元（FEM）計(jì)算出-195℃時(shí)沖擊缺口前沿處的應(yīng)力-應(yīng)變分布，并結(jié)合起裂源至塑性裂紋擴(kuò)展區(qū)尖端的垂直距離 Xf獲得不同線能量下細(xì)觀解理斷裂的微觀參數(shù)。
　　研究結(jié)果表明：隨著線能量的增加，粗晶熱影響區(qū)的主要顯微組織依次為細(xì)密的板條馬氏體

5、，板條較多的板條/粒狀貝氏體，顆粒較多的板條/粒狀貝氏體以及粗大的粒狀貝氏體，原始奧氏體晶粒與貝氏體團(tuán)的最大尺寸逐漸增加，而單位面積內(nèi)大角度晶界所占比例逐漸降低；SZW+SCL隨試驗(yàn)溫度的變化規(guī)律與沖擊功隨試驗(yàn)溫度的變化規(guī)律一致，韌脆轉(zhuǎn)變上平臺(tái)的SZW+SCL幾乎不變，下平臺(tái)的SZW+SCL接近0，而SZW+SCL的長(zhǎng)度決定了過(guò)渡區(qū)的韌性；此外隨著線能量的提高，SZW+SCL會(huì)在更高的溫度下趨近于0；不同線能量下的臨界事件都是貝氏體團(tuán)尺

6、寸，且臨界事件的大小隨著線能量的提高而增加；結(jié)合Xf與有限元（FEM）計(jì)算出的沖擊缺口前端的應(yīng)力-應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)臨界三向應(yīng)力度TC、臨界解理斷裂應(yīng)力σf、應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)Q隨線能量的提高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而比表面能γ幾乎不變。
　　通過(guò)不同線能量下的微觀組織形態(tài)、細(xì)觀解理斷裂參數(shù)以及本課題組的先前研究可得到以下結(jié)論：粗化的原始奧氏體晶粒與貝氏體團(tuán)、減少的大角度晶界以及增加的粒狀貝氏體含量，削弱了對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用。韌脆轉(zhuǎn)變曲線上平臺(tái)、過(guò)渡區(qū)

7、、下平臺(tái)的韌性分別由韌窩的大小、塑性裂紋 SZW+SCL的長(zhǎng)度以及 Xf的長(zhǎng)度所決定，其中在過(guò)渡區(qū)中擴(kuò)展單位SZW+SCL所需的能量是一定的；在本課題組的先前研究中可知，塑性裂紋SZW+SCL的長(zhǎng)度取決于解理斷裂起裂的早晚，而起裂的早晚又取決于臨界解理斷裂應(yīng)力σf。臨界事件的尺寸隨著線能量的增加而增大，即 a15KJ/cm＜a30KJ/cm＜a50KJ/cm＜a100KJ/cm，這一變化規(guī)律與臨界解理斷裂應(yīng)力σf有著密切的關(guān)系。通過(guò)比較