【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 粒的形狀變化必須有臨近晶粒的協(xié)同動(dòng)作，以保持晶粒之間微觀結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性，因而這就需要更高的外加應(yīng)力來開動(dòng)某個(gè)滑移系，宏觀上體現(xiàn)為材料的強(qiáng)度增加。應(yīng)變強(qiáng)化又叫做加工強(qiáng)化或加工硬化，是指通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得高強(qiáng)度的方法[10]。塑性變形時(shí)增加位錯(cuò)密度是鋼材加工硬化的本質(zhì)。加工硬化的原因主要是在變形過程中隨著位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中相互纏結(jié)、相互交割，形成固定割階，從而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，引起變形抗力的增加，使金屬塑性變形困難，從而提高了金屬的強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)汁，金屬?gòu)?qiáng)烈變形后，位錯(cuò)密度可由106根/cm2增至 1012根/cm2以上[7]。隨著合金中位錯(cuò)密度增大，繼續(xù)變形時(shí)位錯(cuò)在滑移過程中相互交割的機(jī)會(huì)增多，相互間的阻力也增大，因而變形抗力就越大，合金達(dá)到強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子溶入基體金屬中總是提高其變形抗力，這種作用稱為固溶強(qiáng)化。所有可溶性合金化組元甚至雜質(zhì)都能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。然而，單是這一種方法不能獲得特別高的強(qiáng)度，不過它帶來的塑性損失要比其他方法小。固溶強(qiáng)化來源于溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用和增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，這種作用包括位錯(cuò)與溶質(zhì)原子間的長(zhǎng)程交互作用和短程交互作用。固溶強(qiáng)化作用大小取決于溶質(zhì)原子濃度、原子相對(duì)尺寸、固溶體類型和電子因素。固溶強(qiáng)化又分為間隙式固溶強(qiáng)化和置換式固溶強(qiáng)化。C、N等溶質(zhì)原子嵌入α－Fe晶格的八面體間隙中，使晶格產(chǎn)生不對(duì)稱畸變?cè)斐蓮?qiáng)化效應(yīng)。間隙式固溶強(qiáng)化對(duì)鐵素體基體強(qiáng)化效應(yīng)最大，對(duì)韌性、塑性的削弱也很顯著。置換式固溶原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對(duì)稱的，因而強(qiáng)化效能要比間隙式原子小。當(dāng)溶質(zhì)和溶劑原子直徑相差比較小，化學(xué)性質(zhì)也較類似時(shí)，置換原子的溶解度極限可以很大，但強(qiáng)化效應(yīng)卻很小。隨著元素類型的不同，強(qiáng)化效能相應(yīng)發(fā)生變化。置換式固溶強(qiáng)化對(duì)鐵素體的強(qiáng)化作用小，但是卻不削弱基體的塑性、韌性。凡是固溶度隨溫度而變化的合金，當(dāng)從單相區(qū)進(jìn)入兩相區(qū)時(shí)，就會(huì)從飽和固溶體中析出沉淀相或者形成溶質(zhì)原子高集的過渡相，這個(gè)過程稱為沉淀或者脫溶。如果從高溫淬火得到過飽和固溶體，則在適當(dāng)溫度經(jīng)過一定時(shí)間后也會(huì)發(fā)生沉淀過程，即時(shí)效。在沉淀過程中常常伴隨著強(qiáng)度的提高。強(qiáng)度提高的程度主要取決于沉淀物質(zhì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、尺寸、間距、形狀及分布，同時(shí)也取決于質(zhì)點(diǎn)與基體的錯(cuò)配度或共格性，以及它們之間的相對(duì)位向。馬氏體硬度極高，是鋼經(jīng)過淬火的產(chǎn)物。并不是所有的馬氏體都具有高強(qiáng)度，只有含碳和氮的鐵合金經(jīng)馬氏體相變后才顯示出最強(qiáng)烈的硬化效應(yīng)。馬氏體的強(qiáng)化并不限于一種機(jī)制，它是固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合。鋼中的馬氏體是碳和合金元素溶于αFe中的過飽和固溶體，其中對(duì)硬度和強(qiáng)度起決定作用的是碳原子而不是合金原子。當(dāng)碳溶于馬氏體的八面體間隙中，晶格發(fā)生膨脹和畸變，在晶格中造成一個(gè)十分強(qiáng)烈的應(yīng)力場(chǎng)，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使馬氏體的硬度和強(qiáng)度顯著提高。由于碳原子容易擴(kuò)散，在室溫下可以通過擴(kuò)散發(fā)生偏聚從馬氏體中析出，所以時(shí)效強(qiáng)化也對(duì)強(qiáng)化做出貢獻(xiàn)。 韌化機(jī)理韌性是指材料在斷裂前單位體積所消耗的功，其數(shù)值等于真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積。韌性既取決于塑性也取決于強(qiáng)度。但是對(duì)于絕大多數(shù)工程合金來說，強(qiáng)度的提高往往伴隨者塑性、韌性的降低，即塑性、韌性常具有相同的變化趨勢(shì)。因此習(xí)慣上常把強(qiáng)度和塑性、韌性看作是兩組相互制約的性能指標(biāo)。WELDOX960高強(qiáng)鋼的實(shí)際生產(chǎn)中一般通過凈化鋼材，細(xì)化晶粒，優(yōu)化顯微組織等手段達(dá)到提高韌性的目的。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都證明：金屬材料中所含的氣體和非金屬夾雜物對(duì)金屬材料的塑性和韌性有嚴(yán)重的影響。比如S是絕大多數(shù)鋼種的有害元素，它使鋼的加工性能和使用性能變壞；N溶于金屬中后容易與Fe元素結(jié)合成Fe4N，使焊縫金屬產(chǎn)生時(shí)效脆化；而H元素在近縫區(qū)是造成接頭氫脆、白點(diǎn)和氣孔，產(chǎn)生裂紋的主要根源。因此在鋼材的冶煉、軋制中要嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的含量，這對(duì)于改善鋼材的焊接性是至關(guān)重要的。晶粒是位錯(cuò)和塞積群的障礙，晶界又是晶格位錯(cuò)的源頭和尾閭，因此晶粒大小對(duì)于金屬的力學(xué)性能有重大的影響。晶界既然能阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，故細(xì)化晶粒能促進(jìn)多滑移，使變形均勻化，從而提高金屬材料的塑性。從理論上講，晶界可以把塑性變形限制在一定的范圍內(nèi)，故細(xì)化晶粒能促進(jìn)多滑移，使變形均勻化，從而提高金屬材料的塑性。同時(shí)晶界又能阻止裂紋的擴(kuò)展，故細(xì)化晶粒還能提高金屬材料的韌性。目前關(guān)于細(xì)化晶粒對(duì)塑性韌性的貢獻(xiàn)還缺少定量的解釋。細(xì)晶粒不僅在室溫下具有較高的塑性，而且在較低的溫度下仍能保持良好的塑性。工業(yè)上常用以下方法達(dá)到細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度、塑性和韌性的目的：將鋼在相變點(diǎn)附近反復(fù)加熱冷卻，在液態(tài)金屬中添加變質(zhì)劑或孕育劑。金屬材料的韌性對(duì)顯微組織十分敏感。通過熱處理實(shí)現(xiàn)顯微組織的優(yōu)化，可以在保持材料高強(qiáng)度的同時(shí)提高材料的韌性。馬氏體是鋼中最常見的不平衡組織，對(duì)于低碳低合金鋼的馬氏體，其晶體外形呈板條狀，晶體內(nèi)部大都是密度很高的位錯(cuò)線（位錯(cuò)密度1011～1012cm2）,習(xí)慣上叫做板條馬氏體或位錯(cuò)馬氏體。該種馬氏體含碳量比較低，晶體接近于體心立方，因而對(duì)韌性損害較小。馬氏體中的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)具有一定的可動(dòng)性，可以通過位錯(cuò)緩和局部區(qū)域的應(yīng)力集中，延緩裂紋成核；在有裂紋的情況下，也可以削減裂紋尖端的應(yīng)力峰；而且馬氏體晶體呈板條狀，條束之間有殘留奧氏體薄膜，能提高韌性。另外這類馬氏體的Ms點(diǎn)比較高，在一般的淬火條件下會(huì)發(fā)生自回火。通過對(duì)WELDOX960高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)工藝和合金元素含量的分析，得出如下結(jié)論：1. WELDOX960高強(qiáng)鋼含碳量低，合金元素含量低，主要通過細(xì)化晶粒和添加多元微量合金元素達(dá)到鋼材強(qiáng)韌化的目的，精確控制化學(xué)成分，并嚴(yán)格控制鋼中殘留元素的含量和夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布。2. WELDOX960在生產(chǎn)中采用連續(xù)軋制淬火工藝保證鋼材在極短的時(shí)間內(nèi)迅速?gòu)?00℃降至室溫，使晶粒細(xì)化，鋼材的機(jī)械性能大大改善，從而可以降低鋼種合金元素的含量，實(shí)現(xiàn)以水進(jìn)行鋼板的合金化。3. 精確控制各道工藝工序。從鋼材冶煉到最后齊尺全部采用自動(dòng)化控制，軋制過程在全封閉的環(huán)境下進(jìn)行恒溫均溫操作，嚴(yán)格控制氣氛，保證鋼板的性能和質(zhì)量穩(wěn)定。4. 獨(dú)特的生產(chǎn)工藝和軋制技術(shù)以及對(duì)合金元素的精確控制，WELDOX960鋼板調(diào)質(zhì)處理后組織為細(xì)小的低碳馬氏體，平均晶粒尺寸為5μm，強(qiáng)韌性好，綜合性能優(yōu)異，并且具有良好的焊接性能。第三章 WELDOX960高強(qiáng)鋼焊接性研究金屬焊接性是金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。主要是指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。金屬焊接性分為工藝焊接性和使用焊接性。工藝焊接性是指特定的材料在指定工藝條件下形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力；使用焊接性是指形成的接頭適應(yīng)使用要求的程度，兩者都是材料在焊接過程中力學(xué)和冶金行為發(fā)展變化的結(jié)果[11]。隨著新的焊接方法的不斷涌現(xiàn)，材料制造工藝的不斷完善和新材料的出現(xiàn)，以及生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)越來越高的性能要求，金屬焊接性問題不斷得到解決又不斷涌現(xiàn)，因此，金屬焊接性仍是生產(chǎn)和研究中極為重要的課題之一。鋼材的焊接性主要取決于它的化學(xué)成分。隨鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高其焊接性變差。焊接性變差一般表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是焊接過程中焊縫熔敷金屬的各種冶金缺陷；二是焊接過程中材料性能的變化。 WELDOX960高強(qiáng)鋼焊接性理論分析一般情況下，對(duì)鋼材焊接性理論分析并不能對(duì)材料的焊接性進(jìn)行十分準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)，但是可以作為很好的補(bǔ)充輔助材料，有助于在短期內(nèi)迅速把握復(fù)雜的冶金因素和焊接因素在焊接中所起的作用，從而可以降低試驗(yàn)成本。WELDOX960高強(qiáng)鋼屬于熱處理強(qiáng)化鋼，調(diào)質(zhì)處理后組織為細(xì)小的低碳馬氏體，具有高強(qiáng)度和良好的塑韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后不需要熱處理。由于焊接熱循環(huán)的作用，在熱影響區(qū)存在著由于峰值溫度超過原回火溫度而引起強(qiáng)度和硬度下降的“軟化區(qū)”，所以該鋼種在一定程度上存在過熱區(qū)脆化及軟化區(qū)強(qiáng)度下降的問題。碳當(dāng)量法(Calculation of carbon equivalents)是把鋼中包括碳在內(nèi)的合金元素對(duì)淬硬、冷裂和脆化的影響折合成碳的相當(dāng)含量，用以進(jìn)行焊接性分析的間接試驗(yàn)方法。碳當(dāng)量越高，則材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。試驗(yàn)用WELDOX960高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能見表31。表31 WELDOX960高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分（wt%） Chemical position of WELDOX960 （wt%）元 素CSiMnSPCr含量（wt%）元 素MoCuTiBNiV含量(wt%)－屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率δ5%斷面收縮率A5%960 985 根據(jù)WELDOX960高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分分別對(duì)其碳當(dāng)量Ceq和冷裂敏感指數(shù)Pcm進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下[7]Ceq=C+= （31）＝ （32）由上式計(jì)算結(jié)果可知，WELDOX960高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量Ceq=，冷裂敏感指數(shù)Pcm=，該鋼冷裂敏感性小，在適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度下冷裂傾向小。另外對(duì)WELDOX960高強(qiáng)鋼的再熱裂紋敏感系數(shù)PSR和焊后產(chǎn)生熱裂紋的臨界值HCS進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下[7]= （33）= （34）Mn/S比值大對(duì)防止熱裂十分有利，焊接中當(dāng)Mn/S比大于25時(shí)，一般認(rèn)為焊接中不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋[10]。經(jīng)計(jì)算,WELDOX960高強(qiáng)鋼的Mn/S比為1210≥25，熱裂紋敏感系數(shù)HCS= ≤4，此外, WELDOX960高強(qiáng)鋼的再熱裂紋敏感指數(shù)PSR= ＜0。綜合以上計(jì)算可以認(rèn)為該鋼產(chǎn)生焊接熱裂紋的可能性非常小。由上述分析可知，WELDOX960高強(qiáng)鋼的淬硬傾向很小，冷裂敏感性低，幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。 預(yù)熱溫度Tp的計(jì)算預(yù)熱是焊前對(duì)試件的全部或局部進(jìn)行加熱的工藝措施，主要作用是降低接頭熱影響區(qū)的溫度梯度，使其在比較寬的范圍內(nèi)獲得相對(duì)均勻的分布，從而減少溫度應(yīng)力的峰值；同時(shí)通過預(yù)熱能夠控制焊接接頭的冷卻速度，延長(zhǎng)奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的冷卻時(shí)間t8/5，避免或減少產(chǎn)生淬硬組織的傾向，還有利于加速焊縫中氫的擴(kuò)散逸出，防止冷裂紋的產(chǎn)生。Tp并非越高越好，選擇過高時(shí)，一方面惡化了工作條件，另一方面在局部預(yù)熱的情況下會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，反而加大冷裂紋傾向。因此預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)鋼材和和焊接材料的成分、焊件厚度、結(jié)構(gòu)剛度、焊接方法和環(huán)境溫度等通過焊接性試驗(yàn)來確定。根據(jù)EN 10112[11] 推薦公式： （3－5）式中CET為焊接線能量，t為板厚，Q為熱輸入，HD為焊縫擴(kuò)散氫含量。考慮到WELDOX960鋼材本身的特性，SSAB OXELOSUND在式 （3－5）的的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，提出修正因子f (Ox) [11]，即 （3－6）根據(jù)公式36，計(jì)算出板厚為12mm的WELDOX960高強(qiáng)鋼焊前最低預(yù)熱溫度為50～75℃。 熱影響區(qū)最高硬度HVmax與t8/5的關(guān)系鋼材的焊接性與其淬硬傾向密切相關(guān)，淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋。鋼材的淬硬傾向主要取決于鋼材的化學(xué)成分，焊接工藝和冷卻條件。為了判別鋼材淬硬的程度，常以其硬度值為指標(biāo)，在焊接中一般采用熱影響區(qū)最高硬度值（HVmax）作為評(píng)定高強(qiáng)鋼焊接性的技術(shù)參數(shù)。熱影響區(qū)最高硬度可以由下式[11]進(jìn)行估算： （3－7）其中X=arctan [f(t8/5, Ceq)]；Y=tan()；Z=Wc()；t8/5－接頭從800℃冷卻到500℃所需要的時(shí)間Wc－鋼材中碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)從式（3－7）可知t8/5對(duì)于焊接接頭的性能至關(guān)重要，當(dāng)材料種類、板厚板厚、接頭形式和焊接工藝參數(shù)給定，t8/5可由公式(38)、(39)[11]求得： 二維熱流: （3－8）三維熱流: （3－9） 其中FF3為形狀因子。熱輸入: （3－10）式中U－電弧電壓，I－焊接電流，V－焊接速度。 關(guān)于WELDOX960高強(qiáng)鋼焊接中t8/5對(duì)熱影響區(qū)硬度的影響如圖31所示，隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，HVmax硬度逐漸下降。圖31 焊接熱影響區(qū)的最高硬度與t8/5的關(guān)系 Relationship between peak hardness of HAZ and t8/5 焊接工藝參數(shù)曲線綜合上述分析可知，在母材化學(xué)成分、板厚、焊接方法、接頭形式一定的情況下可以估算工藝參數(shù)的范圍。在本試驗(yàn)中，初步擬定焊接方法采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊，接頭形式分別采用對(duì)接和塔接，不同接頭形式的焊接工藝參數(shù)曲線如圖3－2（a）和（b）所示。Heat input (KJ/mm)Tp / Interpass (℃)A+B A A A+D B+C B C C+DBDⅠⅡ①②③④⑤① t8/5min② t8/5max③ TpCET④ TpCEOX⑤ Interpass(a)對(duì)接接頭焊接工藝參數(shù)Heat input (KJ/mm)Tp / Interpass (℃)A+B A A A+DB+C C C C+DBDⅠⅡ①②③④⑤① 8/5min② 8/5max③ TpCET④ TpCEOX⑤ Interpass(a)Welding parameter of but