10MnSiNiCr鋼激光焊接焊縫強(qiáng)韌機(jī)制研究.pdf

1、高強(qiáng)度微合金鋼廣泛應(yīng)用于船舶潛艇、石化管道、核反應(yīng)堆等重要工業(yè)領(lǐng)域。隨著材料強(qiáng)度的提高，承載焊接構(gòu)件的安全性越來越受重視，諸如低溫水域航行的大型船舶、凍土環(huán)境的石化管道。采用普通電弧焊接，需要嚴(yán)格控制熱輸入和層間溫度以確保微合金鋼焊縫的組織和性能;激光焊接熱輸入小，是微合金鋼焊接潛在的良好方法。
　　基于激光焊接快速冷卻特點(diǎn)，分析系列冷卻速率（t8/5=5.6 s～30 s）條件下10MnSiNiCr鋼的熱模擬組織演變和性能轉(zhuǎn)變規(guī)

2、律。結(jié)果表明:最快冷卻速率t8/5=5.6 s時(shí)，熱模擬沖擊試樣獲得最高的-40℃低溫沖擊吸收功(88，90，92 J)，沖擊斷口形貌為深撕裂棱的等軸韌窩+顯微孔洞。熱模擬沖擊試樣的顯微組織為板條馬氏體+殘余奧氏體薄膜，兩者間晶體學(xué)位向關(guān)系為Kurdjurmov-Sachs關(guān)系:[111]α//[0(11)]γ，((1)10)α//(111)γ和Nishiyama-Wasserman晶體學(xué)位向關(guān)系:[001]α//[01(1)]γ，(1

3、10)α//(111)γ。沖擊斷口剖面的SEM和EBSD分析結(jié)果表明:外加沖擊應(yīng)力作用下，微裂紋橫向切割同一晶向<111>的馬氏體板條束，受阻于大角度晶界的板條束界。大量細(xì)小馬氏體板條束有助于提升熱模擬組織強(qiáng)韌性。隨熱模擬冷速參數(shù)t8/5增大，-40℃沖擊吸收功下降。t8/5=8 s時(shí)熱模擬沖擊試樣顯微組織為長條狀貝氏體鐵素體，-40℃沖擊吸收功降至(50，48，55 J)，下降近45％，少量內(nèi)嵌孿晶馬氏體片的貝氏體是率先沖擊開裂的薄弱

4、組織;t8/5=10 s時(shí)熱模擬沖擊試樣的顯微組織也是長條狀貝氏體鐵素體，其含有的少量粒狀貝氏體率先開裂導(dǎo)致-40℃低溫沖擊吸收功降至(42，38，49 J); t8/5＞30 s時(shí)熱模擬沖擊試樣的顯微組織主要為內(nèi)嵌脆性M-A島元的粒狀貝氏體。
　　采用激光復(fù)合焊接和激光自熔焊接實(shí)現(xiàn)16 mm厚度10MnSiNiCr鋼板的對(duì)接焊接，獲得強(qiáng)韌性良好的激光焊縫。激光復(fù)合焊縫和激光自熔焊縫的拉伸強(qiáng)度分別為(Rp0.2=737 MPa、R

5、m=918 Mpa)和(Rp0.2=801 MPa、Rm=1040 Mpa)。激光復(fù)合焊縫的延伸率為16.5％，而激光自熔焊縫延伸率為9.5％。激光復(fù)合焊縫的強(qiáng)塑積為15.33 GPa·％，而激光自熔焊縫強(qiáng)塑積為9.88 GPa·％。激光復(fù)合焊縫和激光自熔焊縫在3S-CVN拘束應(yīng)力下沖擊韌-脆轉(zhuǎn)變溫度(FTE)分別為-40℃和-45℃。激光自熔焊縫的強(qiáng)度和沖擊韌性比激光復(fù)合焊縫高，然而，激光自熔焊縫的塑性和強(qiáng)塑積比激光復(fù)合焊縫差。

6、>　　激光復(fù)合焊縫的顯微組織是貝氏體鐵素體+殘余奧氏體薄膜的片層復(fù)相組織。貝氏體鐵素體與殘余奧氏體滿足Kurdjurmov-Sachs晶體學(xué)位向關(guān)系:[1(1)1]α//[1(1)0]γ，(110)α//(111)γ。貝氏體鐵素體片層厚度為200～500 nm，殘余奧氏體薄膜為10～58 nm，晶粒細(xì)化名義上提高焊縫屈服強(qiáng)度近600 MPa;部分貝氏體鐵素體內(nèi)析出與主軸呈55～60℃規(guī)則分布的納米碳化物θ-Fe3C，誘發(fā)滑移位錯(cuò)纏結(jié)，促

7、進(jìn)焊縫強(qiáng)韌化;細(xì)小的TiN、Mo5N6等第二相顆粒進(jìn)一步強(qiáng)化焊縫。拉伸和沖擊斷口剖面SEM觀察發(fā)現(xiàn):原奧氏體晶界生成粗大粒狀貝氏體，內(nèi)嵌脆性M-A島元，外加拉伸或沖擊應(yīng)力作用下，微裂紋率先形成、擴(kuò)展，是激光復(fù)合焊縫的薄弱組織。
　　激光自熔焊縫也是貝氏體鐵素體+殘余奧氏體薄膜的片層復(fù)相組織。貝氏體鐵素體的片層厚度為202～400 nm，殘余奧氏體薄膜為40～80 nm。貝氏體鐵素體彌散析出Cu5Si、TiN、Mn23C6、Mo[C

8、xNy]納米顆粒相。激光自熔焊接的冷卻速率更快，焊縫晶粒尺寸更小，均勻性高，強(qiáng)度和硬度更高，然而塑性低于復(fù)合焊縫。激光自熔焊縫在外加拉伸/沖擊應(yīng)力作用下的微裂紋形成位置是原奧氏體晶界處粒狀貝氏體的M-A島元，M-A內(nèi)馬氏體和殘余奧氏體之間存在Nishiyama晶體學(xué)位向關(guān)系:[(1)10]α//[11(2)]γ，(110)α//(111)γ。相比于激光復(fù)合焊縫，激光自熔焊縫的M-A島元尺寸小，殘余奧氏體含量高，焊縫的綜合強(qiáng)韌性更好。