具有中間夾層的Cr與UHCS的超塑性固態(tài)連接焊接接頭的組織與性能畢業(yè)論文

PAGE17具有中間夾層的40Cr/ＵHCS超塑性固態(tài)焊接接頭組織及性能摘要超塑性是指材料在一定的組織及變形條件下,呈現(xiàn)出異常高延伸率而不產(chǎn)生頸縮與斷裂的現(xiàn)象。超塑性固態(tài)焊接是一種基于材料超塑性的固態(tài)焊接新技術(shù),具有重要的使用價(jià)值和工業(yè)應(yīng)用前景。本文以ＵHＣＳ-1.６C和40Cr為研究對(duì)象,在研究UHCＳ-1。６C/4０C恒溫超塑性固態(tài)焊接實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,探討了UHCS—１．6C／40Cr添加中間夾層的超塑性固態(tài)焊接可行性,即研究了基于中間夾層的UHＣS－1.６C／４0Cr超塑性焊接工藝，觀察分析了超塑焊接頭區(qū)顯微組織、焊接缺陷,研究了中間夾層對(duì)超塑性固態(tài)焊接的作用，初步探討了超塑焊接頭形成機(jī)制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用Ｃu中間層進(jìn)行超塑焊接時(shí),焊接缺陷較多,接頭強(qiáng)度較低;采用低碳鋼中間層在焊接溫度７80℃、初始應(yīng)變速率0。5×10-4ｓ—1條件下焊接30ｍｉn，可獲得最高拉伸強(qiáng)度達(dá)398ＭPａ的焊接接頭；采用工業(yè)純鐵中間層在焊接溫度７80℃、初始應(yīng)變速率０.5×１0-４s-1條件下焊接１5ｍin,可使接頭強(qiáng)度達(dá)到5６0ＭPa，是相同熱力循環(huán)下40Cr母材強(qiáng)的85％,中間層與母材發(fā)生了良好的冶金結(jié)合;與不加中間夾層的超塑焊相比，具有中間夾層的超塑焊接頭抗拉強(qiáng)度顯著提高。關(guān)鍵詞:超高碳鋼,４0Cr，超塑性焊接,中間夾層，接頭質(zhì)量?ThｅMicｒoｓtruｃtuｒｅａndPropeｒtieｓoｆUHＣＳ/40CｒSupｅrpｌａｓtｉcＳｏliｄ-Sｔａt(yī)ｅWelｄingjoｉntviainterｌaｙerABSTRＡCTSuｐerplasticiｔyrｅfersｔotheorgａｎizationofacertaiｎmｉcｒosｔｒuctureaｎddefｏrmatiｏncondｉtｉons,sｈｏwedａbnoｒmaｌlyｈｉgheｌongationwithｏutnｅｃkｉｎgａndfrａｃturｅphｅｎomenon.SuperplasticSｏlid—sｔａt(yī)eＷeldｉngｉsａｕseｓuperpｌａstｉcofmateｒialsundeｒceｒtaiｎcｏｎditｉonｓofwｅldingteｃhnolｏgy.ThiｓpａｐerstuｄｉedｔhemicrｏstｒucｔｕreａndpropeｒtiesofwelｄedｊoｉntsofSupｅrplasticＳoliｄ－staｔeWeldingofUHCS—１．6Ｃ/40Cｒｗitｈinterlayｅr．Intｈisｐaper，UHCＳ－1.６Canｄ４0Crａsthｅresearcｈoｂjecｔ,superｐlasｔiｃsoｌiｄ—stateweldingteｓtｂyｃoｎstaｎttemｐeｒatｕrｅ，Eｌeｃｔｒonictensiletestａnｄobｓeｒvａt(yī)ｉon,Etc．Dｉscｕssedｔｈefeaｓibiｌityofsuｐerpｌａsticsoｌiｄ-stａt(yī)ｅweｌdinｇwiｔhintermediａt(yī)esａｎdwｉcｈanｄｔhｅiｎｆlｕeｎcｅｏfpｒoｃeｓｓparameｔers。Analyzedｔheinterlayeroｎｔherｏleofsupｅrplastｉcsolid—sｔａt(yī)ewｅｌｄｉｎg.Ａnｄcarrｉeｄｏuｔmｉｃｒosｔrucｔureanaｌｙｓisofweidedjoints，aｎalysｉｓｏftｈejoiｎｔaｒｅａdefｅcｔ,micｒoｓtructｕreａnａlysiｓofthecｏｎnectionzｏne，ａndthemechanismofｓuperpｌａsticwｅｌdingbyobｓｅrvａt(yī)ｉｏnwｉｔhｊｏｉntofUHCS-1.6C/４0Cr。Ｔherｅsuｌtsshowtｈａt(yī)：tｈｅmiｄdlelayerｕｓedCusupｅrplaｓtiｃwｅldinｇ,ｗeｌdiｎgｄｅfｅｃtsaｒemｏrelｏｗjｏiｎtstreｎgtｈ；theｍiddleｌayｅroｆｌｏｗcarｂonｓteｅｌwelｄingｔeｍpeｒａt(yī)ure78０℃，initｉalstｒａinrateof０．5×１0-4s-１Ｗｅldingｃｏｎｄitionｓ3０mｉn,formaximumtensilestｒengｔhｏfwｅlｄeｄjｏｉnｔsof３98ＭPa；ｔhｅmidｄlelayeroｆｐｕreｉronuｓeｄintheweldingteｍperaｔｕreoｆ780℃,ｉnitｉａｌstrainrateｏf0．5×1０—4s－1uｎdｅrｔｈecoｎdｉtionｓofｗeldｉng15min,ｍakeｊoinｔstrengtｈreaｃhed5６０MPa，is40Crunｄerthesaｍetｈerｍoｄｙnamicｃｙclｅfor８5％ofthｅbasemｅtalstrength．Thｅmｉｄdlelaｙｅrａｎdthｅbａsｅmｅtalｈadａgooｄｍetaｌlurgｉcａlbｏnd，thejoｉnttｅnｓiｌestrｅngｔhdiｒectlyｃompareｄwithｔhesameｗeldinｇprocessparameterssignｉfiｃａｎtlyｉmｐroved。KEYWＯＲDＳ:UHＣＳ，40Cｒ,supｅrpｌastｉcweｌｄing,intｅrlayer,Wｅlｄｉngｑualiｔy

目錄TOC＼ｏ”1—3"\h＼uHＹＰERLIＮK\l_Toc2５790第一章緒論 PAＧEREF_Tｏc25790１HYPERＬINK\l＿Toc２４071§１.１研究背景 ＰAＧＥREF＿Toｃ240711ＨYＰEＲLINＫ\l_Ｔoc272４３§1.240Ｃｒ與UHＣS的焊接性分析及應(yīng)用?ＰAＧEREF_Toｃ27２431HＹPERLINK\l_Toc７605§1。3超塑性固態(tài)焊接?PＡＧERＥF_Toｃ760５2HYPＥＲＬＩNＫ\l_Toc３0442§１。４中間夾層在固態(tài)焊接中的作用及選取 PAGＥREF＿Ｔoc３04４2４HYPERLIＮＫ\l＿Toc２37４６§１.5本課題研究的主要內(nèi)容和目的?PAＧEREF_Toc237４64ＨYPERLINK\l_Toｃ14020第二章實(shí)驗(yàn)方法?PAＧＥREF＿Ｔoｃ140２０6HＹPERLIＮK\l_Toc9８０6§２。1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)路線?PＡＧERＥF_Toc98066HYPEＲＬINK\l_Tｏc１5982§2.２實(shí)驗(yàn)材料 PAＧEＲEF_Ｔoc15９827HYＰERLIＮK\ｌ_Toc25478§2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備 PAGEREＦ＿Toc25４789HYPERＬIＮＫ\l_Toc1729§2.4實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取和實(shí)驗(yàn)步驟?PAＧＥREＦ_Toc1729１0HYPERLINK\ｌ_Toc530６§２。5接頭性能評(píng)價(jià)?３０610HYＰEＲＬINK\l_Ｔoc１38８8第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論?PAGＥRＥF_Toc１38８81３HYＰＥRＬＩNK\l_Toc6１５1§3．1具有中間夾層與直接焊接的強(qiáng)度對(duì)比 PAGEＲEＦ_Ｔoc615113HYPERLＩNＫ\ｌ_Ｔｏc2６008§3.2焊接時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度的影響 ＰAGＥＲEＦ_Ｔoc２60０814HYPERLINＫ\ｌ_Toc４709§3。3中間夾層材料對(duì)接頭強(qiáng)度的影響?PAGEＲEF_Toc4７0915HYPERＬＩＮK\l＿Ｔｏｃ16６2７§３．4顯微組織觀察與分析?ＰAGEＲEF_Toc１662716ＨYPEＲLINＫ\l_Toc302３４§３。4.140Ｃｒ與UHCS的組織分析?PＡGEREF_Toc3０2３4１6ＨYＰERLIＮK\ｌ_Tｏｃ１35９5§3.4。2接頭的顯微組織觀察與分析 ＰAGＥＲＥF_Toc1３59５17HYPERLINK\ｌ＿Toc1４826§3。4。３顯微硬度分析 PAＧEREＦ_Ｔｏc１482６19HYPERLINK\l_Ｔoc3７１0§3。５焊接機(jī)理初探 PAGEREＦ_Tｏc3７1021ＨＹPEＲLＩNK\l_Toc11883結(jié)論?PAGＥREF_Ｔｏc1１8８３２２HYＰEＲLＩNK\l＿Toｃ24982參考文獻(xiàn)?PＡＧＥRＥF_Toc2４982２3HYＰERＬINＫ\l＿Ｔoc292８致謝 ＰAGＥＲEF_Toc2９28２５TOC\o＂1—3＂＼ｈ\u河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第一章緒論§１。1研究背景超高碳鋼(UHCＳ)是指含碳量在1．0％～２.１％的碳鋼.采取一定的處理工藝使超高碳鋼的組織得到充分細(xì)化之后,該鋼除了具有高強(qiáng)度和一定的韌性之外，還具有良好的超塑性,有望代替部分中高碳鋼和合金制作工模具、鋼絲、結(jié)構(gòu)件等，使超高碳鋼成為開(kāi)發(fā)廉價(jià)的新型高強(qiáng)度鋼.大大拓寬了超高碳鋼的應(yīng)用前景［１］。40Cｒ有良好的力學(xué)性能,主要用于制造重要的調(diào)質(zhì)零件，如齒輪、軸、套筒、連桿螺釘、螺栓、進(jìn)氣閥等可進(jìn)行表面淬火和碳氮共滲［2]。４０Cr與超高碳鋼的焊接可以達(dá)到兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).因此，如何實(shí)現(xiàn)40Cr與超高碳鋼的優(yōu)質(zhì)焊接是國(guó)內(nèi)外比較普遍關(guān)注而又亟待解決的問(wèn)題。固態(tài)連接可以實(shí)現(xiàn)40Cr和超高碳鋼的焊接，添加中間夾層是固態(tài)焊接中常用的工藝。§１.240Cr與ＵHCS的焊接性分析及應(yīng)用由于UHＣＳ具有高的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性,因此,UHCS不僅有望替代部分中高碳鋼以及高合金鋼制造工模具,鋼絲，結(jié)構(gòu)件，從而顯著提高其使用壽命，而且利用其良好的固態(tài)連接特性，還可以與自身或其他金屬基材料（如不銹鋼,中碳鋼，黃銅，鋁青銅等）連接制備成新型高性能層狀復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)[3].通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行激光淬火，細(xì)化表面組織,可以實(shí)現(xiàn)較好的連接?？墒抢萌刍负茈y形成質(zhì)量良好的焊縫,并且利用釬焊連接強(qiáng)度低。因其具有超塑性,固態(tài)焊接是形成ＵHCS焊接接頭的有效方法。UＨCS的焊接有以下問(wèn)題：1.UHCＳ的導(dǎo)熱性差,焊接區(qū)和未加熱部分之間產(chǎn)生顯著的溫差,當(dāng)焊縫急劇冷卻時(shí),在焊縫中引起的內(nèi)應(yīng)力，很容易形成裂紋.２．ＵHＣS對(duì)淬火更加敏感，近縫區(qū)極易形成馬氏體組織.由于組織應(yīng)力的作用,使近縫區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。3。由于焊接高溫的影響，晶粒長(zhǎng)大快，碳化物容易在晶界上積聚、長(zhǎng)大,使焊縫脆弱,焊接接頭強(qiáng)度降低。４。UHCS焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋.５。ＵHCS的塑韌性差,是難焊材料，難以與其他金屬進(jìn)行良好焊接.UHCＳ和４0Cr的超塑性固態(tài)擴(kuò)散焊接頭的力學(xué)性能較差，國(guó)內(nèi)外的研究主要通過(guò)工藝和焊接參數(shù)來(lái)改善焊接接頭質(zhì)量。一般的方法有：1.對(duì)焊件表面進(jìn)行淬火處理,細(xì)化表面組織；2。電致超塑性焊接；3。相變超塑性焊接；4.添加中間夾層。國(guó)內(nèi)報(bào)道了對(duì)焊接面進(jìn)行激光淬火，細(xì)化了表面組織,實(shí)現(xiàn)了１．4%C超高碳鋼和40Cr的超塑性焊接。利用在焊接過(guò)程中加入一定的電場(chǎng)，可以大大提高焊接接頭的強(qiáng)度.但是相關(guān)４0Cｒ與UHCＳ添加中間夾層的超塑性固態(tài)焊接的研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道?！?。3超塑性固態(tài)焊接超塑性是指材料在一定組織和變形條件下可呈現(xiàn)出異常好的塑性變形能力[４］。192０德國(guó)W.Rｏｓｅnhain［５]等人發(fā)現(xiàn)Zｎ-４％Cu－7％Al共晶合金在特定條件下具有超塑性性能；后來(lái)英國(guó)Ｃ.P.Pｅarson對(duì)擠壓態(tài)Ｐｂ-Sn、Bi—Sｎ共晶合金在緩慢的應(yīng)力作用下拉伸，延伸率竟高達(dá)２000%;１９４5年，前蘇聯(lián)A。A．Bｏcｈvar等在Aｌ-Zn系合金中也發(fā)現(xiàn)了塑性異常高的現(xiàn)象,并首次提出了“超塑性"的概念[6］。1９64年，美國(guó)W。A。Bａckofｅn在對(duì)早期研究深入分析的基礎(chǔ)上提出了超塑性基本方程(σ＝kｍ）［7]。目前己發(fā)現(xiàn)了一百多種金屬材料的超塑性,并深入研究了超塑變形機(jī)理,掌握了不少使金屬呈現(xiàn)超塑性的方法.特別是近些年來(lái)，超塑成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)實(shí)際中，如模具的超塑成型、儀器儀表及航空航天技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜構(gòu)件等.超塑性一般分為兩大類：1。組織超塑性,又稱細(xì)晶超塑性或恒溫超塑性，它是在一定的組織和變形條件下實(shí)現(xiàn)的,組織條件是要求晶粒超細(xì)化（一般<１0μm）、等軸化和穩(wěn)定化，具備上述條件的材料在一定的變形溫度（大于0．5Tm）和應(yīng)變速率（=10-4-10－１/s)下，以不同于常規(guī)的塑性變形機(jī)制在較小的應(yīng)力作用下進(jìn)行超塑流變，獲得極高的延伸率，是目前研究和應(yīng)用最多的超塑性［8]。2.相變超塑性或內(nèi)應(yīng)力超塑性,是指在很小應(yīng)力作用下，通過(guò)循環(huán)加熱冷卻，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)反復(fù)發(fā)生變化而產(chǎn)生的超塑性，凡是具有固態(tài)相變的金屬和合金皆可以通過(guò)溫度循環(huán)產(chǎn)生超塑性，而無(wú)需組織超細(xì)化.但由于需對(duì)溫度循環(huán)進(jìn)行控制，給工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)一定的困難。在超塑性變形時(shí)，材料具有下列特征［9］：1。流變應(yīng)力較常規(guī)塑性變形急劇減小，在低應(yīng)力下塑性變形能力明顯增大;2。拉伸時(shí)無(wú)頸縮現(xiàn)象；3.流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率非常敏感；4.不產(chǎn)生加工硬化,易于壓力加工和精密成形；5.組織相對(duì)穩(wěn)定，即晶粒長(zhǎng)大很緩慢；６.塑性變形以晶界滑動(dòng)為主，晶界擴(kuò)散比較明顯.基于此,超塑性可以應(yīng)用于塑性加工、焊接、模具制造、熱處理、機(jī)械加工、粉末冶金等領(lǐng)域。目前超塑成形技術(shù)在航空、航天、軍工等行業(yè)的應(yīng)用已帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，超塑成形／擴(kuò)散連接(SPF/DB）技術(shù)已成為航空制造工業(yè)中無(wú)可替代的關(guān)鍵技術(shù)[１0］。固相連接的本質(zhì)是接觸面兩側(cè)很薄一層（幾個(gè)晶粒厚)材料形成的冶金結(jié)合。固態(tài)焊接是指材料在低于其熔化溫度和一定的壓力作用下,使相互接觸的材料表面緊密接觸,并通過(guò)原子擴(kuò)散和鍵合形成冶金連接的過(guò)程［11］。它是通過(guò)各種物理方法克服兩個(gè)連接面的不平度,除去氧化膜及其他污染物,使兩個(gè)連接表面上的原子相互接近達(dá)到晶格距離以形成金屬間原子結(jié)合,從而在固態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)待焊件的連接。與熔化焊相比,固態(tài)焊接接頭區(qū)不經(jīng)過(guò)熔化和凝固過(guò)程，易獲得高質(zhì)量的接頭，因而，對(duì)固態(tài)焊接的需求日趨增多。隨著超塑性研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料處于超塑狀態(tài)時(shí)，可在低應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)比較大的塑性流變，并具有強(qiáng)烈的激活狀態(tài)，非常有利于實(shí)現(xiàn)待連接面的密合和破膜，擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)連接,這種基于材料超塑性的固態(tài)焊接技術(shù)即超塑性固態(tài)焊接,它兼有變形焊和擴(kuò)散焊的機(jī)制和優(yōu)點(diǎn)，且沒(méi)有熔化焊的焊接缺陷，易滿足精密焊接的要求，因而在現(xiàn)代制造業(yè)中有良好的應(yīng)用前景[12］。超塑性固態(tài)焊接是利用材料在超塑變形時(shí)的塑性流變與擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)的固態(tài)焊接[13］。該焊接方法所需的壓力?。ㄅc擴(kuò)散焊相當(dāng))；加熱溫度不高（介于冷壓焊與熱壓焊、擴(kuò)散焊之間）；無(wú)需真空或保護(hù)氣氛；無(wú)需復(fù)雜設(shè)備工裝；工藝簡(jiǎn)單、適用范圍廣；能實(shí)現(xiàn)性能迥異材料的固態(tài)連接,焊后幾乎無(wú)需加工等特點(diǎn),具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景和明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,已成為近年來(lái)固態(tài)焊接非常活躍的研究領(lǐng)域。§1．4中間夾層在固態(tài)焊接中的作用及選取對(duì)異種材料進(jìn)行固態(tài)焊接時(shí)，多數(shù)情況需要在被焊材料的接觸面之間填加在成分和性能上不同于基材的中間過(guò)渡層。過(guò)渡層材料通常具備的較好的塑變能力，可以改善固態(tài)焊接的工藝條件及被焊接界面的接觸條件,降低焊接溫度、壓力，縮短焊接時(shí)間，減少焊件受壓后的變形，減少甚至省去焊后的精加工工序，降低對(duì)待焊表面的機(jī)加工精度要求,可降低生產(chǎn)成本。過(guò)渡層可以增大缺陷區(qū)，從而減小缺陷密度，提高焊接區(qū)的強(qiáng)度。過(guò)渡層成分決定了過(guò)渡層材料的物理，化學(xué)性能，因而選擇合適的過(guò)渡層的合金成分是非常重要的［14]。選擇固態(tài)焊中間層材料的原則是：1．容易塑性變形,硬度較低；２.含有加速擴(kuò)散的元素，如硼、鈹、硅等;３.物理化學(xué)性能與母材差異較被焊材料之間的差異?。?。不與母材產(chǎn)生不良的冶金反應(yīng)，如產(chǎn)生脆性相或不希望有的共晶相；5．不會(huì)在接頭上引起電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。通常，中間層是熔點(diǎn)較低(但不低于焊接溫度)、塑性好的純金屬,如銅、鎳、鋁、銀等,或與母材成分接近的含有少量易擴(kuò)散的低熔點(diǎn)元素的合金。中間層厚度一般為幾十微米,以利于縮短均勻化擴(kuò)散時(shí)間。厚度在3０～100μm,可以以箔片形式夾在兩待焊表面之間。不能軋成箔的中間層材料,可用電鍍、真空蒸鍍、等離子噴涂方法直接將中間層材料涂覆在待焊表面，鍍層厚度可僅數(shù)微米。中間層厚度可根據(jù)最終成分來(lái)計(jì)算、初選、通過(guò)試驗(yàn)修正確定?！?.5本課題研究的主要內(nèi)容和目的UHCS和4０Cr組成的連接件能充分發(fā)揮兩類鋼種在性能與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),從而在航空航天、石油、化工等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景[１５］.目前UHCＳ的理論研究和應(yīng)用研究需要深入，如：ＵＨCS的超塑機(jī)制及高溫塑性變形機(jī)理還不成熟；開(kāi)發(fā)新的合金成分系列，提高UHCS的抗氧化、耐腐蝕性能,滿足不同用途的需要.我國(guó)對(duì)含碳量較高的模具鋼、軸承鋼和高速鋼亦進(jìn)行了超塑處理和研究，但是對(duì)UＨＣS及其超塑性的研究還較少見(jiàn)。文獻(xiàn)[14]報(bào)道了結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼經(jīng)整體循環(huán)淬火預(yù)處理后的恒溫超塑性固態(tài)焊接。文獻(xiàn)［16]進(jìn)一步指出，晶粒越細(xì)越有利于實(shí)現(xiàn)基于待焊面組織超細(xì)化的超塑固態(tài)連接，這種僅對(duì)焊件待焊面表層進(jìn)行超細(xì)化預(yù)處理的焊接,對(duì)大尺寸工件焊接實(shí)施及減少變形更為有利,但此類研究國(guó)內(nèi)外報(bào)道不多,特別是有關(guān)ＵHＣS的固態(tài)焊接的研究更為少見(jiàn)。本文以ＵHCS與結(jié)構(gòu)鋼為研究對(duì)象，探討其超塑性固態(tài)壓接的可行性,最佳工藝參數(shù)以及連接接頭性能，為工業(yè)應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文主要研究的內(nèi)容有以下幾方面:1．調(diào)研及資料收集,原材料組織性能檢測(cè)；2。制作中間夾層；３。進(jìn)行UHCS－１．６C/40Cr超塑性固態(tài)焊接實(shí)驗(yàn)，并對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度及組織進(jìn)行測(cè)試和分析；4。初步分析具有中間夾層的ＵHCS－1。6C/40Cｒ超塑固態(tài)焊接接頭形成機(jī)制.?第二章實(shí)驗(yàn)方法§2．1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)路線本實(shí)驗(yàn)采用超塑性固態(tài)連接技術(shù),利用中間夾層工藝，實(shí)現(xiàn)40Ｃｒ與超高碳鋼的焊接。超塑性固態(tài)焊接是利用材料在超塑變形時(shí)的塑性流變與擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)的固態(tài)焊接。在固態(tài)焊接中添加中間夾層，可以改善固態(tài)焊接的工藝條件及被焊接界面的接觸條件，減小缺陷密度，提高焊接區(qū)的強(qiáng)度。2。1實(shí)驗(yàn)流程圖§２。2實(shí)驗(yàn)材料UHCS-1。6C的主要化學(xué)成分見(jiàn)表2—1［１7］。UＨCS-１。６C的制備工藝:采用中頻真空感應(yīng)爐熔煉、鑄錠,對(duì)鑄錠進(jìn)行熱軋,始軋溫度1０5０℃，經(jīng)過(guò)多道次軋制,終軋溫度控制在8５0℃附近.表２－1ＵHCＳ—１.6C的化學(xué)成分化學(xué)元素CMnSｉCrＡlPNｂＶTiS含量wt％1.６0．４40。491.541。6６０.０120.020.0４30。0820。007５圖2—2UHCS-1.６Ｃ球化退火工藝圖2－３UＨＣS-1.６C球化退火態(tài)組織本文研究的UＨCS—1.6Ｃ,Ａc1的溫度在79０—800℃在高于Ａc１溫度加熱奧氏體化，然后以給定冷卻速率冷至Ac1溫度以下出爐空冷，出爐溫度設(shè)定750℃。離異共析轉(zhuǎn)變球化處理實(shí)驗(yàn)工藝如圖2－2所示。經(jīng)球化熱處理后組織為滲碳體（θ)+鐵素體(α），其中Fe3C球化良好,少量聚集或呈棒狀［18］,如圖２-3所示,可滿足超塑變形的組織要求。４０Cｒ?yàn)橥嘶鸸┴洃B(tài)，并進(jìn)行循環(huán)淬火處理，其化學(xué)成分如表2—4所示，原始組織為細(xì)晶馬氏體。?表2-４４0Cr的化學(xué)成分［１９］化學(xué)元素CSiCrＰNiSMn含量wt%0．３-０.4５≤0。40.8-1.1≤0.03≤0。2≤0。0３≤0.35圖2－５為40Cr鋼的循環(huán)淬火工藝曲線。由圖2—５可見(jiàn)，首先把加工好的40Cr鋼試樣加熱到200℃保溫一定時(shí)間,然后將其放入鹽浴爐快速加熱到820℃獲得細(xì)小均勻的奧氏體組織,接著油淬冷卻得到細(xì)晶粒馬氏體;然后以同樣工藝重復(fù)淬火以使４0Cｒ鋼試樣的馬氏體組織更細(xì)小.圖2-540Cｒ鋼循環(huán)淬火工藝本實(shí)驗(yàn)采用銅，低碳鋼，工業(yè)純鐵作為中間夾層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中間夾層在超塑性固態(tài)焊接的作用及不同中間夾層對(duì)焊接接頭性能的影響。為獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果要盡量使中間層表面平整、光滑,厚度盡可能的?。?０μm左右）。試樣形狀、尺寸如圖２-６所示,直徑為Ｄ=１５ｍｍ,高為H=25mm。若試樣徑高比D/H過(guò)大，則壓縮變形時(shí)“端面效應(yīng)”的影響嚴(yán)重,D/H過(guò)小時(shí)則壓縮過(guò)程中易失穩(wěn)。文中取Ｄ/H＝3/５，并且在端面上涂裝潤(rùn)滑劑以減少“端面效應(yīng)"的影響.為了降低實(shí)驗(yàn)與壓頭接觸面上不可避免的摩擦對(duì)超塑變形的不良影響,并考慮到高溫下潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，本實(shí)驗(yàn)采用耐高溫性好的石墨潤(rùn)滑[20]。?圖2－6試樣的形狀、尺寸中間夾層為圓形薄片，直徑略大于試樣的直徑,厚度為５0μm左右?！?。3實(shí)驗(yàn)設(shè)備焊接實(shí)驗(yàn)是在經(jīng)改裝的WJ－10A型機(jī)械式萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)（如圖2-7）上進(jìn)行，用管式電阻爐加熱，DＷJ－７02型溫控儀控溫，誤差為±2℃。實(shí)驗(yàn)機(jī)壓頭移動(dòng)速度在0．05～30mm／miｎ范圍內(nèi)可連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)所用的電源為多功能高壓焊接實(shí)驗(yàn)電源ＦＩT—7087.接頭抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在日本SHIMAＺUＡG-I型萬(wàn)能電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.顯微組織分析分別采用普通光學(xué)顯微鏡和日本ＯＬYMPUSPMG—３型金相顯微鏡以及JSM—5６１0ＬV型掃描電鏡.能譜分析用EDＡX能譜分析儀。圖2—7超塑固態(tài)焊接設(shè)備示意圖§2.４實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取和實(shí)驗(yàn)步驟鋼的超塑性溫度一般是在接近ＡＣ1及其以上溫度，已有數(shù)據(jù)顯示ＵHCS—１.6C的超塑性變形溫度為780℃，超塑性初始應(yīng)變速率1．５×10-4s-1，擁有最佳的壓縮超塑性［21]。實(shí)驗(yàn)時(shí)間分別為10min，１5min，20min。1.對(duì)預(yù)處理后的試樣的待焊接面用水砂紙和金相砂紙進(jìn)行打磨，并對(duì)中間夾層用金相砂紙金相打磨，再用酒精和丙酮溶液對(duì)其進(jìn)行清洗;2.測(cè)量試樣焊前尺寸(高度和直徑)；３．將中間夾層放入處理好的UHCS－1.6C與40Cｒ試樣中間,壓緊,盡量防止對(duì)接面夾有雜質(zhì)，并用牛皮紙和膠布進(jìn)行密封,端面涂上石墨；4。檢查電源是否接通,底線是否接地，爐子是否合嚴(yán)，以確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全進(jìn)行；５。將準(zhǔn)備好的試樣置于試驗(yàn)機(jī)中,施加一定的預(yù)壓力；6。打開(kāi)冷卻水管，然后給溫控系統(tǒng)供電，供電后按下溫控控制柜啟動(dòng)鍵，設(shè)定好實(shí)驗(yàn)溫度，開(kāi)始升溫；7。到溫后開(kāi)始計(jì)時(shí)保溫，保溫一段時(shí)間,保溫時(shí)間設(shè)定為１5min，2０min,30miｎ；8.保溫時(shí)間到后，根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)初始應(yīng)變速率,開(kāi)始焊接，并通過(guò)傳感器與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；９.焊接實(shí)驗(yàn)停止，無(wú)壓應(yīng)力后，打開(kāi)爐門，取出試樣空冷;１0。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源和冷卻水；11。試樣冷卻后測(cè)量焊后的尺寸（高度和直徑）;§2.５接頭性能評(píng)價(jià)將焊后的試樣加工成拉伸試樣以便進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)度是材料的力學(xué)性能中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其指標(biāo)數(shù)值的高低，可以表示出材料抵抗變形和斷裂的能力的大小.大多數(shù)情況下,焊接接頭要承受較大的拉伸應(yīng)力，因此拉伸實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)焊件力學(xué)性能的最重要的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)電子拉伸實(shí)驗(yàn)可以調(diào)查出不同焊接工藝條件下材料的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)測(cè)。因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)超塑性固態(tài)連接接頭實(shí)驗(yàn)片進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，采用SHIMADZＵ（島津）ＡG—I205KN精密萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。接頭的抗拉強(qiáng)度由下式計(jì)算得出:σ=P0/A0式中：σ為接頭抗拉強(qiáng)度,P0為接頭的破壞載荷,A0為破壞前接頭的面積[2２]。實(shí)驗(yàn)要點(diǎn):1。拉伸試驗(yàn)片的截面規(guī)格為5mｍ×１0ｍm左右，每個(gè)工藝參數(shù)下制備三片,分別測(cè)出焊接接頭截面尺寸,并對(duì)應(yīng)編號(hào)。2。實(shí)驗(yàn)片厚度較小，在裝卡過(guò)程中應(yīng)保證與機(jī)器卡具垂直,裝卡位置在鈦合金和不銹鋼母材的二分之一處,使得受力均勻，避免產(chǎn)生附加扭矩，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3．實(shí)驗(yàn)片接頭截面積實(shí)際測(cè)量值計(jì)為A,由于測(cè)量誤差的存在，和材料焊接接頭本身的截面收縮，特引入及作為修正系數(shù)。＝0.８５＝0.９0，修正后面積計(jì)為A0４．拉伸參數(shù)設(shè)置為：載荷為5０0ＫN，速率為為1～2ｍm/μm.本實(shí)驗(yàn)采用MＨ-3型顯微硬度計(jì)，該硬度計(jì)有10x,４０x，兩個(gè)物鏡和一個(gè)ＨV壓頭，同時(shí)裝在一個(gè)同軸旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)上。在對(duì)壓痕進(jìn)行測(cè)量后,能自動(dòng)顯示試樣的維氏硬度值。是科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)及質(zhì)檢部門進(jìn)行研究和檢測(cè)的理想硬度測(cè)試儀器.通過(guò)對(duì)被焊試樣焊縫區(qū)域的微觀硬度測(cè)試,了解加入中間層的擴(kuò)散焊接頭兩側(cè)硬度變化規(guī)律,和不同工藝參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)要點(diǎn):1.顯微硬度實(shí)驗(yàn)選取工藝參數(shù)為Ｔ=780℃，ｔ=1５min接頭試樣為研究對(duì)象。2.沿垂直焊縫方向分別向4０Ｃr和UHＣS的母材兩側(cè)，進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)試硬度。第一點(diǎn)選取距焊縫中心處，然后每隔１0μｍ打點(diǎn)，分上下位置兩行，每行21個(gè)點(diǎn)，一個(gè)試樣共計(jì)４2個(gè)點(diǎn)。3.實(shí)驗(yàn)參數(shù)為加載載荷2０0g,保載時(shí)間15秒。4.實(shí)驗(yàn)操作中，特別注意壓頭保載時(shí)間充分后，壓頭完全上升，指示燈亮起才能轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)，防止損害壓頭。為了調(diào)查出各條件下銅中間層的擴(kuò)散程度,對(duì)擴(kuò)散接頭的斷面進(jìn)行SEＭ組織觀察。掃描電鏡景深大，不同原子序數(shù)的元素在電鏡相片上的襯度是不一樣的，同時(shí)結(jié)合配置能譜分析，可以直觀的,定量的分析元素的區(qū)域偏析和顯微偏析。用掃描電鏡實(shí)驗(yàn)方法可以調(diào)查中間層對(duì)焊接接頭的組織性能的影響。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備為JSＭ-56１０掃描電子顯微鏡,配有美國(guó)EDＡX公司的能譜儀。它可用于各種材料的組織形貌觀察、金屬材料斷口分析和失效分析,以及對(duì)樣品進(jìn)行定性定量微區(qū)成分分析.在開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行觀察之前,應(yīng)該將待觀察面打磨、拋光，然后用超聲波清洗。之后才能放入電鏡內(nèi)觀察，否則如果試樣上帶有雜質(zhì)不但觀察不清楚組織，還有可能落入電鏡中，破壞實(shí)驗(yàn)儀器造成不必要的損失.?第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論§3．1具有中間夾層與直接焊接的強(qiáng)度對(duì)比本實(shí)驗(yàn)中間層材料為Cu、低碳鋼和工業(yè)純鐵,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3—１所示，在上述三種中間層材料中，Cu作為中間層時(shí)接頭強(qiáng)度最低無(wú)法做成拉伸試樣，未測(cè)出其強(qiáng)度，低碳鋼作為中間夾層時(shí)焊接30min時(shí)候強(qiáng)度較高,工業(yè)純鐵作為中間層時(shí)接頭的強(qiáng)度最高,平均值為549MPa。下表中1＃為靠近試樣芯部的拉伸試樣。表３—１實(shí)驗(yàn)參數(shù)與接頭拉伸強(qiáng)度中間加層厚度/μm實(shí)驗(yàn)條件1＃強(qiáng)度/MPa2＃強(qiáng)度/MPa溫度/℃應(yīng)變速率／S－１時(shí)間/miｎＣｕ507８00。5×10－43０——-—低碳鋼１007800。5×10—４３０39８37９工業(yè)純鐵５078０１。５×１0—41027５．4９３325．35工業(yè)純鐵507801．5×10-4１5560．06１５３8.65１工業(yè)純鐵507８01.5×1０－４2054１．3９238２。826參照實(shí)驗(yàn)條件為７8０℃，應(yīng)變速率為１。5×10—4S－1，焊接時(shí)間為２０min的直接焊接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如圖3—２所示的添加工業(yè)純鐵為中間層與直接擴(kuò)散連接的強(qiáng)度特征.具有中間夾層的焊接接頭質(zhì)量好于直接焊接的接頭質(zhì)量。這是由于：中間夾層材料通常具備的較好的塑變能力，可以改善固態(tài)焊接的工藝條件及被焊接界面的接觸條件，降低焊接溫度、壓力，縮短焊接時(shí)間，減少焊件受壓后的變形,減少甚至省去焊后的精加工工序，降低對(duì)待焊表面的機(jī)加工精度要求，可降低生產(chǎn)成本。過(guò)渡層可以增大缺陷區(qū),從而減小缺陷密度，提高焊接區(qū)的強(qiáng)度。圖3—２中間層與接頭強(qiáng)度的關(guān)系§３.２焊接時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度的影響恒溫超塑性焊接是兼具有擴(kuò)散焊和壓力焊的特點(diǎn),而擴(kuò)散需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程，因此時(shí)間也是影響焊接接頭的一個(gè)重要因素。焊接時(shí)間是待焊材料發(fā)生塑性流變與擴(kuò)散的持續(xù)時(shí)間,考察焊接不同焊接時(shí)間焊接接頭的拉伸強(qiáng)度,有助于揭示其接頭形成過(guò)程在中間夾層為工業(yè)純鐵，焊接溫度780℃的情況下,不同的焊接時(shí)間對(duì)其焊接接頭的強(qiáng)度的影響如圖3—3所示:由圖可知：t=１０miｎ時(shí)，接頭強(qiáng)度為275。493MPａ，當(dāng)焊接時(shí)間為１5min左右時(shí)強(qiáng)度最高,其值為5６0。06１ＭPa，隨著焊接時(shí)間的繼續(xù)增加接頭強(qiáng)度開(kāi)始降低,當(dāng)焊接時(shí)間為2０mｉn時(shí)接頭強(qiáng)度為５4１。39２MＰa。焊接接頭強(qiáng)度隨焊接時(shí)間的增加而增加，在一定的焊接時(shí)間，焊接接頭的強(qiáng)度達(dá)到最大，而后隨焊接時(shí)間的增加,焊接強(qiáng)度減小。圖3-3焊接時(shí)間與接頭強(qiáng)度的關(guān)系如果保溫時(shí)間短，中間夾層的擴(kuò)散不充分,超高碳鋼的塑性變形量小，相應(yīng)的連接面就會(huì)很薄而且不連續(xù)，均勻性不好,因此降低了接頭的力學(xué)性能.隨著焊接時(shí)間的增加,中間夾層的擴(kuò)散充分，超高碳鋼的塑性變形量增大，接頭的強(qiáng)度提高.但是，過(guò)分延長(zhǎng)焊接時(shí)間連接強(qiáng)度反而有所下降。這是因?yàn)楹附訒r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，材料晶粒粗大,接頭區(qū)組織性能下降,進(jìn)而接頭力學(xué)性能下降，因此接頭強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而降低［23].§3．３中間夾層材料對(duì)接頭強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)分別用Cu、低碳鋼、工業(yè)純鐵作中間夾層。用Cu做中間夾層,焊接接頭強(qiáng)度低,焊接實(shí)驗(yàn)失敗.Cｕ不適合做40Cr與UHCS的超塑性固態(tài)焊接的中間夾層材料。低碳鋼、工業(yè)純鐵做中間夾層,其強(qiáng)度變化如圖３-４所示:實(shí)驗(yàn)溫度為780℃，采用工業(yè)純鐵為中間夾層,最佳接頭強(qiáng)度為５60。06ＭＰa、538。65MＰa;采用低碳鋼為中間夾層,最佳接頭強(qiáng)度為３8９MＰa、3７9ＭPa.工業(yè)純鐵做中間夾層要比低碳鋼做中間夾層焊接接頭強(qiáng)度高。工業(yè)純鐵比低碳鋼的σS低，焊接時(shí)變形量大,兩試樣與中間夾層的接觸面增大，焊接接頭強(qiáng)度高。?圖3—4低碳鋼、工業(yè)純鐵做中間夾層與接頭強(qiáng)度的關(guān)系§3。4顯微組織觀察與分析§3。4．140Cr與UHCＳ的組織分析40Cr的含碳量為0.4%，經(jīng)過(guò)循環(huán)淬火，室溫下得到鐵素體和回火馬氏體。4０Ｃr在焊接過(guò)程中先升溫到7８0℃，然后保溫,最后在爐中緩慢冷去，生成大量珠光體。升溫過(guò)程中，產(chǎn)生單相奧氏體以及殘留鐵素體、滲碳體。在爐中緩慢冷卻屬于退火過(guò)程,退火得到珠光體和鐵素體.退火的主要目的是均勻鋼中的化學(xué)成分及組織，消除成分偏析,細(xì)化晶粒;消除應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸,減小變形,防止開(kāi)裂;降低硬度,提高切削加工性能;提高塑性,變以冷卻加工等.實(shí)驗(yàn)所選ＵHCＳ的碳含量為1。６%，屬于過(guò)共析鋼,過(guò)共析鋼的室溫組織成分為珠光體和二次滲碳體，UＨＣS是球化退火的過(guò)共析鋼，它的滲碳體已經(jīng)球化。變?yōu)榍驙钪楣怏w，焊接過(guò)程相當(dāng)于又一次的球化退火，提高了球化的質(zhì)量?！?。4。2接頭的顯微組織觀察與分析添加不同的中間夾層與直接焊接的焊接接頭組織形態(tài)如圖3－５所示:ａ為直接焊接的接頭組織形貌，ｂ、c、d分別為工業(yè)純鐵、Ｃu、低碳鋼為中間層的接頭組織形貌特征：由圖中得出：Ｃｕ與40Cr連接致密，有部分銅被壓入4０Cr中，但是兩者沒(méi)有明顯的過(guò)渡區(qū)，沒(méi)有發(fā)生冶金結(jié)合。Cu與UHCS的連接有大量的孔洞等焊接缺陷，并且也無(wú)過(guò)渡區(qū),可能是Cu發(fā)生了高溫氧化現(xiàn)象。在焊接變形時(shí)，形成致密的氧化膜,阻礙了中間層與母材間的擴(kuò)散,降低了接頭的力學(xué)性能.Cｕ不適合做40Cr與UＨCＳ的超塑性固態(tài)焊接的中間夾層材料。球化退火態(tài)UＨＣＳ—1．６C與循環(huán)淬火態(tài)４0Cr在Ｔ=７80℃，=1．５×10－4s—1,t＝15mｉn,采用工業(yè)純鐵為中間層的條件下超塑焊接,接頭區(qū)界面結(jié)合良好,界面兩側(cè)顯微組織連續(xù)，原始界面基本消失，兩側(cè)金屬已實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。4０Cr與工業(yè)純鐵的連接致密;但是碳的擴(kuò)散很少,這是由于在焊接過(guò)程中4０Ｃr里奧氏體可以大量的溶解碳，不會(huì)有碳向中間夾層去擴(kuò)散。工業(yè)純鐵靠近4０Cr的30μm范圍內(nèi)，有大量的粗大的鐵素體晶粒，晶粒不等軸,尺寸為15μm～4０μm，對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有很大影響。UHCS與工業(yè)純鐵中間有孔洞，連接不緊密；但是,碳的擴(kuò)散比較明顯，有大量的碳由UＨCS向工業(yè)純鐵方向擴(kuò)散,擴(kuò)散區(qū)１0μm左右，在焊接過(guò)程中,ＵＨCS里的碳有高濃度向低濃度（工業(yè)純鐵）方向擴(kuò)散.由于有一部分碳擴(kuò)散到工業(yè)純鐵中,使得工業(yè)純鐵含碳量增加，其力學(xué)性能增強(qiáng)。由圖ａ與b、d兩圖比較,直接焊接的接頭的界面有大量未連接區(qū)域，其焊合情況不如添加中間夾層.a.直接焊接的街頭組織形貌b.工業(yè)純鐵為中間夾層的接頭組織形貌c.銅為中間層的接頭組織形貌?d．低碳鋼為中間層的接頭組織形貌圖３－5焊接接頭組織形貌為進(jìn)一步了解中間層在UHCS－１。6C／４0Ｃｒ超塑性焊接接頭形成過(guò)程中間夾層起到的作用，本實(shí)驗(yàn)對(duì)焊后拉伸斷口進(jìn)行了觀察和分析，發(fā)現(xiàn)：拉伸斷裂均發(fā)生在接頭區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行顯微組織觀察和分析。圖3－6a、b分別為溫度７80℃,焊接時(shí)間15min，應(yīng)變速率為1．5×1０—４S－1,采用中間焊接時(shí),UHＣS—１。6C側(cè)與４０Cr側(cè)斷口顯微組織圖,圖c、ｄ分別為相同工藝參數(shù)下未采用中間層焊接時(shí)，ＵHCS-1.6C側(cè)與４0Cr側(cè)斷口顯微組織圖，比較斷口顯微組織圖可知:在不采用中間層的時(shí)候,焊接斷面的顯微組織比較平整，凸點(diǎn)和凹坑不均勻且數(shù)量較少。而使用工業(yè)純鐵為中間層之后,接頭的顯微組織相對(duì)粗糙，凸起和凹坑均勻且數(shù)量較多。表明:在未加中間層的接頭連接中，界面區(qū)相互變形接觸不充分,焊接接頭發(fā)生冶金結(jié)合的總面積較小。而在使用中間層的接頭區(qū)域,界面區(qū)相互變形接觸充分，焊接接頭發(fā)生冶金結(jié)合的總面積較大.這是由于工業(yè)純鐵在實(shí)驗(yàn)條件下的屈服強(qiáng)度小于40Cr和UHCS—1。6C的屈服強(qiáng)度，在施壓一定的預(yù)壓力時(shí)，能夠使工業(yè)純鐵／4０Cr,UHCS－1.6C/工業(yè)純鐵充分接觸,并且工業(yè)純鐵在實(shí)驗(yàn)條件下流變應(yīng)力較小,從而促進(jìn)碳原子在界面間的充分?jǐn)U散，有利于形成冶金結(jié)合,從而提高接頭的強(qiáng)度。圖3—7為UHCS—1．６C/40Cｒ超塑性固態(tài)焊接40Ｃr側(cè)A處的能譜分析，由圖中可以看出,表面凸起部分含F(xiàn)e量高，屬于工業(yè)純鐵組織，是拉伸過(guò)程中40Cｒ“拽"過(guò)來(lái)的。４0Cr與工業(yè)純鐵發(fā)生了原子間的擴(kuò)散。a．UHCS側(cè)斷口顯微組織(采用中間層)b。40Cr側(cè)斷口顯微組織（采用中間層）ｃ.UＨＣS側(cè)斷口顯微組織（直接焊接）d.40Cｒ側(cè)斷口顯微組織（直接焊接)圖3—６接頭斷口顯微組織工業(yè)純鐵中間層40Cr顯微組織工業(yè)純鐵中間層40Cr側(cè)圖3—7UHCS／４0Ｃr超塑性固態(tài)焊接能譜分析§3。４。3顯微硬度分析為了進(jìn)一步考察中間層在超塑性固態(tài)焊接中的作用,通過(guò)對(duì)焊接接頭部位的顯微硬度測(cè)試，評(píng)價(jià)接合界面附近的力學(xué)性能，驗(yàn)證通過(guò)觀察推測(cè)的理論。圖3—8為在T=７80℃,=１．5×10－4S－1，t=１5min，中間層為工業(yè)純鐵的條件下焊后試樣接頭區(qū)顯微硬度分布曲線:圖3—8顯微硬度分布豎坐標(biāo)左邊為UHCS－1.６C，右邊為40Cｒ，原點(diǎn)左右5０μm區(qū)域?yàn)榻宇^區(qū)。由圖可以看出：UHCS—1.6Ｃ母材的硬度高于40Cr.焊接接頭區(qū)域的硬度最低，距離焊接接頭區(qū)越遠(yuǎn)，硬度越高,最后達(dá)到母材硬度。UHCS—1．6C與焊接面之間過(guò)渡區(qū)的硬度相應(yīng)高于40Cｒ與焊接面之間過(guò)渡區(qū)的硬度。這種情況的原因是：UHCS—1．６Ｃ組織為球狀珠光體,強(qiáng)度和硬度高于40Cr;焊接溫度為７80℃，為UHCS—１.６Ｃ的超塑性溫度,ＵＨCS-1．6C發(fā)生超塑性變形;焊接過(guò)程中，大量的碳由ＵHCS—1。6C擴(kuò)散到中間夾層（工業(yè)純鐵)，提高了焊接區(qū)的硬度，而4０Cr側(cè)的中間夾層出現(xiàn)了鐵素體粗化現(xiàn)象,如圖3—5b所示，UHCS—１．6C與焊接面之間過(guò)渡區(qū)的硬度相應(yīng)高于40Ｃr與焊接面之間過(guò)渡區(qū)的硬度。這與微觀顯微組織情況相互印證。

§3.5焊接機(jī)理初探現(xiàn)有研究認(rèn)為超塑性固態(tài)焊接的一般焊接過(guò)程為：焊接面緊密接觸→超塑性變形→破膜→界面兩側(cè)原子擴(kuò)散→界面冶金區(qū)形成。在此基礎(chǔ)上本文對(duì)具有中間夾層的UHCS—1。6C和40Cｒ的超塑性固態(tài)焊接的焊接機(jī)理進(jìn)行初步分析。4０Cｒ和UＨＣS—1．6Ｃ分別與中間夾層的表面貼緊形成物理的接觸：每?jī)蓚€(gè)接觸表面凸起處首先接觸產(chǎn)生塑性及超塑性流變，使氧化膜和吸附層破碎，接觸面積增大,隨后在更大面積上發(fā)生上述變化,超塑變形使新表面增加，使物理接觸面積增大并貼緊。緊密接觸處界面兩側(cè)原子相互擴(kuò)散：焊接面逐漸擴(kuò)大,在隨后的焊接過(guò)程中,隨著塑性變形量的增大,晶界滑動(dòng)和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)使已經(jīng)接觸的界面逐漸推移，氧化膜逐漸破碎，新表面不斷出現(xiàn)，使更大面積的接合面之間形成冶金結(jié)合.40Cr鋼側(cè)在空位與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的晶界滑動(dòng)和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的塑性變形機(jī)制下，晶界及其附近位錯(cuò)密度增大,為原子擴(kuò)散提供了便利。UHＣS-１．６C側(cè)由于經(jīng)過(guò)預(yù)先組織細(xì)化，晶界增多,也有利于UHＣS－１.6C碳原子向中間層進(jìn)行擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)了界面兩側(cè)金屬的高質(zhì)量固態(tài)連接.界面冶金結(jié)合區(qū)的形成：隨著界面處超塑變形和擴(kuò)散的不斷進(jìn)行,界面區(qū)空隙、氧化膜進(jìn)一步破碎并最終消失,接合界面區(qū)域在短時(shí)間內(nèi)形成了由等軸、細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒構(gòu)成的界面冶金結(jié)合區(qū).擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行,進(jìn)一步加強(qiáng)已形成的連接,直至原始界面最終完全消失.軋制狀態(tài)的工業(yè)純鐵晶粒粗大而且橫向等軸性差，是影響焊接接頭質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在制作中間夾層的過(guò)程中，對(duì)軋制狀體的工業(yè)純鐵進(jìn)行退火處理,能提高接頭的焊接質(zhì)量。采用中間夾層的40Cr與UHCS的恒溫超塑性固態(tài)焊接與擴(kuò)散焊接相比，是在非真空和無(wú)保護(hù)氣氛下短時(shí)間內(nèi)完成的,在整個(gè)焊接過(guò)程中中間層兩側(cè)材料因滿足了超塑變形的組織條件和變形條件，而能在較低應(yīng)力作用下、較短時(shí)間內(nèi)形成冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二者的固態(tài)連接。?結(jié)論通過(guò)對(duì)焊接接頭的組織和性能的研究，可以得出以下結(jié)論:具有中間夾層的UHCＳ—１。６C／40Cr的超塑性固態(tài)連接,通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比,最佳的工藝參數(shù)溫度為78０℃,焊接時(shí)間為１5ｍin,應(yīng)變速率1。5×10－４，中間層材料為厚度為50μm的工業(yè)純鐵.接頭性能良好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到54９MPa，達(dá)到4０Cr母材強(qiáng)度。ＵHCS－1.6C/４0Cr超塑性固態(tài)焊接采用Cu做中間夾層，由于Ｃｕ在焊接過(guò)程中出現(xiàn)了高溫氧化現(xiàn)象，形成了致密的氧化膜,阻礙了中間層與母材的擴(kuò)散,得到的焊接接頭強(qiáng)度低。采用工業(yè)純鐵做中間夾層,能增大待焊接面的接觸面積,促進(jìn)碳原子在界面間的充分?jǐn)U散,有利于形成冶金結(jié)合,從而提高接頭的強(qiáng)度,接頭強(qiáng)度明顯高于直接焊接.ＵHCS-1.6C／40Cr超塑性固態(tài)焊接采用工業(yè)純鐵做中間夾層，焊接斷裂發(fā)生