首页> 正文

Fe3Al熔焊接头区组织结构及应力分布研究

2020-12-07阅读(864)

Fe3Al熔焊接头区组织结构及应力分布研究

论文摘要

Fe3Al金属间化合物独特的性能使其具有很好的应用前景,但由于Fe3Al属脆硬材料,其熔焊具有很大难度。本文采用填丝钨极氩弧焊（TIG）和焊条电弧焊（SMAW）针对Fe3Al以及Fe3Al/18-8钢和Fe3Al/Q235钢的焊接性进行试验研究。以扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高温差示扫描量热仪（DSC）和ANSYS有限元分析软件等为主要研究手段,以钨极氩弧焊（TIG）接头为研究重点,揭示Fe3Al焊接区微观组织结构与接头性能的内在联系。系列工艺性试验结果表明,钨极氩弧焊（TIG）采用Cr23-Ni13填充材料,焊接热输入5.5-6.9 kJ/cm;焊条电弧焊（SMAW）采用E310-16型焊条,焊接热输入9.8-11.5kJ/cm,可获得组织性能良好的Fe3A1焊接接头。其中,Fe3Al/Q235接头的剪切强度最大（591.1MPa）,Fe3Al/18-8接头次之,Fe3Al/Fe3Al接头最小（127.3MPa）。以接头特征区域划分为主线,展开显微组织、微观结构、裂纹和断口的针对性研究。Fe3Al接头特征区域包括均匀混合区（HMZ）、不均匀混合区（PMZ）、部分熔化区（PFZ）和热影响区（HAZ）。Fe3Al/18-8和Fe3Al/Q235的HMZ以γ为基体,晶界上有片状先共析铁素体析出。Fe3Al/18-8接头PMZ存在残余δ、ML和Fe3Al小岛:宽约30μm的富奥氏体带以50-70°的角度沿PFZ分布。Fe3Al/Fe3Al的HMZ由大块α-Fe（Al）固溶体组成,PMZ形成Fe3Al熔化滞留层。Fe3Al焊接裂纹起源于PFZ,并沿PFZ及HAZ扩展。Fe3Al/18-8和Fe3Al/Q235钢接头剪切断口以穿晶解理断裂为主,Fe3Al/Fe3Al接头断口为沿晶断裂。Fe3Al/18-8接头区的相结构由Fe3Al、γ-（Fe,C）、FeAl、α-Fe（Al）、Ni3Al和（Cr,Fe）7C3组成;Fe3Al/Q235接头区的相结构包括Fe3Al、FeAl、Fe4Al13、α-Fe（Al）、NiAl和（Fe,Cr）:Fe3Al/Fe3Al接头区相结构相对简单。Fe3Al/18-8接头HMZ中上贝氏体α相内部具有高密度位错亚结构,α板条宽度在0.3μm左右,α相和γ相之间存在（110）α//（111）γ、[001]α//[101]γ的位相关系。下贝氏体α相板条宽度在0.2-0.5μm之间。PMZ中的ML板条宽度约为40nm,残余γ薄膜宽度为10-20nm。Fe3Al/Fe3Al接头PMZ中α-Fe（Al）相和Fe3C相之间存在（100）Fe3C//（110）α-Fe（Al）;[100]Fe3C//[110]α-Fe（Al）的位相关系。揭示焊接条件下Fe3Al B2与DO3有序结构转变的两种模式:位错密度较大处为间隔转变模式;位错密度较低处DO3结构从B2结构中呈球形析出转变模式,并以间隔转变模式为主。DO3-B2相变温度和热焓变化焊后出现不同程度的降低,且焊接热输入越小,降低幅度越大,DO3-B2转变逐渐向低温发展。在表征分析、热力学分析的基础上,建立DO3-B2转变的数学模型,通过控制焊接热输入,可获得DO3与B2结构比例不同的Fe3Al接头,适用不同的工作条件。在组织结构分析的基础上,对Fe3Al/18-8接头的应力分布进行研究。将Fe3Al/18-8接头应力区划分为应力突变区、应力过渡区和应力稳定区,分析熔合区、焊缝及热影响区不同截面的应力分布。Fe3Al侧熔合区为应力集中区域,在应力突变区主要受σy拉应力作用,σy峰值约为σx峰值的2倍;在应力稳定区主要承受σx拉应力;焊缝应力突变区主要承受σy压应力,应力稳定区主要受σx拉应力作用:Fe3Al热影响区应力突变区主要承受σy拉应力,应力稳定区则主要为σx压应力。本文解决了Fe3Al脆性材料熔焊时的裂纹问题,特别是在不预热条件下的焊接裂纹问题,为Fe3Al金属间化合物的应用打下良好试验和理论基础。本文提出焊接区组织结构与应力分析相结合,以特征区域为研究主线的研究思路,采用表征分析、热力学分析与数学分析相结合的研究手段,为高脆性材料的焊接研究提供思路。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 3Al金属间化合物的结构及性能'>1.2 Fe3Al金属间化合物的结构及性能
  • 1.2.1 我国高性能结构材料的发展现状
  • 3Al金属间化合物的晶体结构'>1.2.2 Fe3Al金属间化合物的晶体结构
  • 3Al金属间化合物的合金化特点'>1.2.3 Fe3Al金属间化合物的合金化特点
  • 3Al金属间化合物的焊接研究现状'>1.3 Fe3Al金属间化合物的焊接研究现状
  • 3Al金属间化合物的熔焊'>1.3.1 Fe3Al金属间化合物的熔焊
  • 3Al金属间化合物的固相焊'>1.3.2 Fe3Al金属间化合物的固相焊
  • 3Al金属间化合物的其他焊接方法'>1.3.3 Fe3Al金属间化合物的其他焊接方法
  • 1.4 焊接应力场有限元分析的发展及理论
  • 1.4.1 焊接应力场有限元分析的发展
  • 1.4.2 焊接应力场的有限元分析理论
  • 1.5 本研究的目的意义及主要内容
  • 1.5.1 目的意义
  • 1.5.2 主要研究内容
  • 第2章 试验材料及研究方法
  • 2.1 试验母材及焊接方法
  • 2.2 焊接材料及焊接工艺
  • 2.2.1 焊接材料的选择
  • 2.2.2 工艺参数的确定
  • 3Al对接接头试样的制备'>2.3 Fe3Al对接接头试样的制备
  • 2.4 试验及研究方法
  • 2.5 本章小结
  • 3Al填丝TIG接头区的组织及元素分布'>第3章 Fe3Al填丝TIG接头区的组织及元素分布
  • 引言
  • 3Al填丝TIG接头区的结晶及特征区域划分'>3.1 Fe3Al填丝TIG接头区的结晶及特征区域划分
  • 3Al填丝TIG接头区的结晶过程'>3.1.1 Fe3Al填丝TIG接头区的结晶过程
  • 3Al填丝TIG特征区划分及组织特征'>3.1.2 Fe3Al填丝TIG特征区划分及组织特征
  • 3Al填丝TIG接头区的显微组织'>3.2 Fe3Al填丝TIG接头区的显微组织
  • 3Al/18-8接头区的组织特征'>3.2.1 Fe3Al/18-8接头区的组织特征
  • 3Al/Q235接头区的组织特征'>3.2.2 Fe3Al/Q235接头区的组织特征
  • 3Al/Fe3Al接头区的组织特征'>3.2.3 Fe3Al/Fe3Al接头区的组织特征
  • 3Al填丝TIG接头区的显微硬度'>3.3 Fe3Al填丝TIG接头区的显微硬度
  • 3Al/钢接头区的显微硬度'>3.3.1 Fe3Al/钢接头区的显微硬度
  • 3Al/Fe3Al接头区的显微硬度'>3.3.2 Fe3Al/Fe3Al接头区的显微硬度
  • 3Al热影响区的局部软化及影响因素'>3.3.3 Fe3Al热影响区的局部软化及影响因素
  • 3Al填丝TIG接头熔合区附近的元素分布'>3.4 Fe3Al填丝TIG接头熔合区附近的元素分布
  • 3.4.1 熔合区附近合金元素的分布
  • 3Al侧熔合区附近的氧化相'>3.4.2 Fe3Al侧熔合区附近的氧化相
  • 3.5 本章小结
  • 3Al填丝TIG接头区的裂纹及断裂机制'>第4章 Fe3Al填丝TIG接头区的裂纹及断裂机制
  • 引言
  • 3Al填丝TIG接头区的裂纹分析'>4.1 Fe3Al填丝TIG接头区的裂纹分析
  • 3Al/钢接头的裂纹起源及扩展'>4.1.1 Fe3Al/钢接头的裂纹起源及扩展
  • 3Al/Fe3Al接头的裂纹起源及扩展'>4.1.2 Fe3Al/Fe3Al接头的裂纹起源及扩展
  • 3Al填丝TIG接头区裂纹起源及扩展的影响因素'>4.1.3 Fe3Al填丝TIG接头区裂纹起源及扩展的影响因素
  • 3Al填丝TIG接头微裂纹形核的位错理论'>4.1.4 Fe3Al填丝TIG接头微裂纹形核的位错理论
  • 3Al填丝TIG接头的剪切强度'>4.2 Fe3Al填丝TIG接头的剪切强度
  • 3Al填丝TIG接头的剪切断裂机制'>4.3 Fe3Al填丝TIG接头的剪切断裂机制
  • 3Al/18-8接头的断口形貌'>4.3.1 Fe3Al/18-8接头的断口形貌
  • 3Al/Q235接头的断口形貌'>4.3.2 Fe3Al/Q235接头的断口形貌
  • 3Al/Fe3Al接头的断口形貌'>4.3.3 Fe3Al/Fe3Al接头的断口形貌
  • 3Al填丝TIG接头断裂的微观机制'>4.3.4 Fe3Al填丝TIG接头断裂的微观机制
  • 4.4 本章小结
  • 3Al填丝TIG接头区的微观结构'>第5章 Fe3Al填丝TIG接头区的微观结构
  • 引言
  • 3Al填丝TIG接头区的微观相结构'>5.1 Fe3Al填丝TIG接头区的微观相结构
  • 3Al/钢接头区的相组成'>5.1.1 Fe3Al/钢接头区的相组成
  • 3Al/Fe3Al接头区的相组成'>5.1.2 Fe3Al/Fe3Al接头区的相组成
  • 3Al填丝TIG接头区的精细结构'>5.2 Fe3Al填丝TIG接头区的精细结构
  • 3Al/18-8接头焊缝的精细结构'>5.2.1 Fe3Al/18-8接头焊缝的精细结构
  • 3Al/18-8接头熔合区的精细组织结构'>5.2.2 Fe3Al/18-8接头熔合区的精细组织结构
  • 3Al/Fe3Al接头焊缝的精细结构'>5.2.3 Fe3Al/Fe3Al接头焊缝的精细结构
  • 3Al/Fe3Al接头熔合区的精细结构'>5.2.4 Fe3Al/Fe3Al接头熔合区的精细结构
  • 3Al侧熔合区中的位错组态'>5.2.5 Fe3Al侧熔合区中的位错组态
  • 3Al热影响区的有序结构转变模式'>5.3 Fe3Al热影响区的有序结构转变模式
  • 3Al热影响区有序结构转变的热力学分析'>5.4 Fe3Al热影响区有序结构转变的热力学分析
  • 5.4.1 金属固态相变分类
  • 3-B2相变点及热焓变化的影响'>5.4.2 焊接热输入对DO3-B2相变点及热焓变化的影响
  • 3Al热影响区DO3-B2有序结构转变率'>5.4.3 Fe3Al热影响区DO3-B2有序结构转变率
  • 5.5 本章小结
  • 3Al/18-8钢TIG接头应力分布的有限元分析'>第6章 Fe3Al/18-8钢TIG接头应力分布的有限元分析
  • 引言
  • 3Al/18-8焊接应力有限元分析过程'>6.1 基于ANSYS的Fe3Al/18-8焊接应力有限元分析过程
  • 6.1.1 ANSYS单元类型及材料物性参数的确定
  • 3Al/18-8接头有限元模型的建立及求解条件的确定'>6.1.2 Fe3Al/18-8接头有限元模型的建立及求解条件的确定
  • 6.1.3 高斯移动热源的施加及APDL语言的应用
  • 3Al/18-8接头的温度场分布'>6.2 Fe3Al/18-8接头的温度场分布
  • 3Al/18-8接头应力分布的有限元分析'>6.3 Fe3Al/18-8接头应力分布的有限元分析
  • 3Al/18-8接头整体应力分布'>6.3.1 Fe3Al/18-8接头整体应力分布
  • 3Al/18-8接头横截面上的应力分布'>6.3.2 Fe3Al/18-8接头横截面上的应力分布
  • 3Al/18-8接头纵截面上的应力分布'>6.3.3 Fe3Al/18-8接头纵截面上的应力分布
  • 3Al/18-8接头特殊部位的应力分布'>6.3.4 Fe3Al/18-8接头特殊部位的应力分布
  • 3Al/18-8接头应力分布的影响因素'>6.3.5 Fe3Al/18-8接头应力分布的影响因素
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 结论
  • 本文的主要创新点
  • 附录
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的论文
  • 攻读博士学位期间的获奖情况
  • 参与课题情况
  • 附件
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

    • [1].Fe_3Al多孔材料预氧化性能研究[J]. 稀有金属材料与工程 2012(08)
    • [2].Fe_3Al金属间化合物多孔材料的孔隙特征[J]. 机械工程材料 2008(05)
    • [3].Fe_3Al金属间化合物研究进展[J]. 热加工工艺 2009(22)
    • [4].激光熔覆Fe_3Al涂层的工艺与组织结构研究[J]. 应用激光 2014(02)
    • [5].等温处理对块体纳米晶Fe_3Al材料磁学性能的影响[J]. 兰州理工大学学报 2011(06)
    • [6].等离子熔覆制备Fe_3Al金属间化合物的组织结构[J]. 焊接学报 2008(12)
    • [7].压力及稀释剂对块体纳米晶Fe_3Al组织和性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金 2011(08)
    • [8].底材对添加不同合金元素的纳米晶Fe_3Al基合金组织和力学性能的影响[J]. 材料科学与工艺 2014(01)
    • [9].水冷铜模铸造Fe_3Al金属间化合物的组织和力学性能[J]. 兰州理工大学学报 2010(04)
    • [10].Fe_3Al与18-8钢钨极氩弧焊接头的裂纹及断裂分析[J]. 焊接学报 2010(07)
    • [11].合金元素对块体纳米晶Fe_3Al材料磁学性能的影响[J]. 材料科学与工艺 2012(04)
    • [12].Fe_3Al合金表面偏析的Monte Carlo模拟研究[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版) 2014(02)
    • [13].Fe_3Al金属间化合物及其网络结构的制备[J]. 济南大学学报(自然科学版) 2009(01)
    • [14].Fe_3Al合金与A304钢的炉中钎焊试验[J]. 焊接技术 2009(01)
    • [15].用粉末烧结法制备Fe_3Al金属间化合物块体材料[J]. 中国材料进展 2009(02)
    • [16].改善Fe_3Al金属间化合物涂层塑性的方法探讨[J]. 材料导报 2010(01)
    • [17].机械合金化及真空热压制备纳米晶Fe_3Al的组织及性能[J]. 材料热处理学报 2009(05)
    • [18].等离子表面熔敷法制备Fe_3Al金属间化合物[J]. 电镀与精饰 2009(04)
    • [19].Fe_3Al滤芯在煤气化装置飞灰过滤器中的应用[J]. 宁波化工 2016(03)
    • [20].Fe_3Al基复合摩阻材料摩擦磨损行为的研究进展[J]. 材料科学与工程学报 2019(06)
    • [21].金属型铸造Fe_3Al金属间化合物的组织和力学性能[J]. 材料科学与工程学报 2010(02)
    • [22].非对称Fe_3Al金属间化合物粉末滤芯研究[J]. 粉末冶金技术 2017(03)
    • [23].纳米晶Fe_3Al材料的抗腐蚀性能和高温抗氧化性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程 2012(03)
    • [24].水玻璃砂型铸造Fe_3Al金属间化合物的组织和力学性能[J]. 热加工工艺 2010(01)
    • [25].Fe_3Al网络结构多孔材料的制备及性能研究[J]. 特种铸造及有色合金 2010(04)
    • [26].多壁碳纳米管强韧化Fe_3Al复合材料[J]. 无机材料学报 2010(07)
    • [27].热压加工对含铬、镍块体纳米晶Fe_3Al组织和性能的影响研究[J]. 钢铁研究学报 2010(12)
    • [28].超重力场辅助燃烧合成技术快速制备Fe_3Al合金[J]. 稀有金属材料与工程 2012(S2)
    • [29].超重力场辅助燃烧合成技术制备Fe_3Al合金及其抗氧化性能研究[J]. 首都师范大学学报(自然科学版) 2011(03)
    • [30].铝热反应制备纳米晶Fe_3Al过程中过冷度对晶粒尺寸的影响[J]. 特种铸造及有色合金 2010(12)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  

    Fe3Al熔焊接头区组织结构及应力分布研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2025 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5