【摘要】：低碳貝氏體高強(qiáng)鋼因其優(yōu)異的力學(xué)性能及可焊性,廣泛應(yīng)用于石油化工壓力容器、油氣輸送管道、大型橋梁、深海潛艇等關(guān)鍵設(shè)備及重大工程。然而焊接過程中的眾多不確定因素導(dǎo)致焊縫金屬與母材之間強(qiáng)韌性不匹配,嚴(yán)重降低了低碳貝氏體高強(qiáng)鋼焊件的整體性能。如何優(yōu)化焊材成分,改善焊縫金屬微觀組織,提升其力學(xué)性能,實(shí)現(xiàn)焊縫金屬與母材性能相匹配,成為亟待解決的重大問題。因此,研究焊縫金屬組織與力學(xué)性能的相關(guān)性具有重要的科學(xué)意義,為低碳貝氏體高強(qiáng)鋼焊件性能的優(yōu)化及新一代低碳貝氏體高強(qiáng)鋼的開發(fā)提供理論支撐。在此背景下,本文通過對4種不同Ni含量的焊縫金屬進(jìn)行力學(xué)性能表征,結(jié)合OM、SEM、EBSD、TEM、XRD技術(shù)對焊縫金屬微觀組織進(jìn)行分析,揭示了焊縫金屬強(qiáng)韌化機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,采用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)研究了貝氏體相變動力學(xué)特征,通過LSCM原位觀察貝氏體相變行為,結(jié)合EBSD技術(shù)對貝氏體板條生長方向及速率的差異進(jìn)行了分析。獲得了以下研究結(jié)果:Ni的添加對焊縫金屬微觀組織的影響主要有:(1)細(xì)化柱狀晶及原奧氏體晶粒,當(dāng)Ni含量超過4%時(shí),柱狀晶和原奧氏體晶粒都發(fā)生粗化;(2)微觀組織由粒狀貝氏體+塊狀鐵素體(0Ni:GB+PF)變?yōu)橥懟纳县愂象w+粒狀貝氏體(2%Ni:DUB+GB)、針狀鐵素體+板條貝氏體(4%Ni:AF+LB)至最后的板條貝氏體+板條馬氏體(6%Ni:LB+LM);(3)促進(jìn)殘留奧氏體的形成,同時(shí)在Ni0和Ni2樣品中殘留奧氏體中C含量高于其它樣品的殘留奧氏體中的C含量,這也造成Ni0和Ni2中存在大量的M-A組元。Ni的添加對焊縫金屬力學(xué)性能的影響主要有:(1)增大焊縫金屬顯微硬度;(2)對于Ni0、Ni2、Ni4試樣,提高了屈服強(qiáng)度σ_y和抗拉強(qiáng)度σ_b。在所有強(qiáng)化作用中,晶粒細(xì)化對于提高強(qiáng)度的作用最顯著;(3)降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,提高低溫韌性;(4)Ni含量達(dá)6%時(shí),焊縫中會產(chǎn)生熱裂紋嚴(yán)重?fù)p害其力學(xué)性能;(5)臨界斷裂應(yīng)力σ_f逐漸增大、臨界三向應(yīng)力度T_c先減小后增大,解理斷裂臨界塑性應(yīng)變ε_(pc)的變化不大均接近于0。對比塑性變形比表面能γ與解理斷裂應(yīng)力σ_f發(fā)現(xiàn),不同Ni含量條件下焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度主要取決于解理斷裂應(yīng)力σ_f。Ni含量是4%的試樣中σ_f值越大,抵抗斷裂的能力越強(qiáng),則斷裂時(shí)所需的外界做功越大。通過原位觀察貝氏體的形核、生長行為,發(fā)現(xiàn)潛在形核位置有:孿晶界、原始奧氏體晶界、已經(jīng)生成的貝氏體板條側(cè)面、晶粒內(nèi)部夾雜物/平整區(qū)域形核;有六種可能生長方式:連續(xù)的單個(gè)板條向晶內(nèi)徑直生長、一個(gè)板條沿著晶界生長、很多同時(shí)形核的板條在晶粒內(nèi)平行地快速生長、很多同時(shí)形核的板條在晶粒內(nèi)緩慢地快速生長、板條同時(shí)在不同方向生長并形成格子框架、同時(shí)形核與生長形成一個(gè)三角形區(qū)域。Ni的添加降低貝氏體相變開始溫度;促進(jìn)晶粒內(nèi)部平整區(qū)域形核;促使有效夾雜物的形成同時(shí)細(xì)化晶粒/板條使得晶界增多。同一個(gè)晶體學(xué)貝氏體團(tuán)內(nèi)板條可以在不同慣習(xí)面上形核,并且沿不同的方向生長,得到不同變體。不同的貝氏體板條屬于不同晶體學(xué)貝氏體團(tuán)及同一個(gè)貝茵區(qū),但是它們的生長速率差異卻很大(從2μm/s到2000μm/s),影響貝氏體生長速率主要因素有:板條貝氏體內(nèi)部的大角度晶界比例、慣習(xí)面與不同變體之間的夾角、相對于自由表面的位錯(cuò)生長矢量方向。在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中,貝氏體可以在板條側(cè)面激發(fā)形核并生長,所以在較大冷速時(shí)所需的相變激活能低于在較小冷速時(shí)所需的相變激活能;貝氏體的生長行為并不受界面上C擴(kuò)散的影響,并且C富集梯度并不滿足局部平衡條件,因此貝氏體相變過程并非擴(kuò)散相變。等溫貝氏體相變過程中,板條貝氏體的生長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由溶質(zhì)原子擴(kuò)散引起γ/α界面推移的速率,證明了貝氏體相變是非擴(kuò)散相變。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG142.1
【圖文】：

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本文編號：2740919