800MPa高强钢GMAW接头组织性能及精细结构研究

论文摘要

低合金高强钢因其高强度、高韧性等优点而被广泛应用于工程机械、能源、桥梁建筑和车辆船舶等重要行业。但高强钢的焊接情况复杂多变,裂纹及强韧性不匹配、熔合区及热影响区性能恶化等问题突出,成为限制高强钢在焊接结构中扩大应用和提高生产效率的关键。本文针对煤矿机械液压支架用低合金高强钢Q550和Q690展开研究,在不预热条件下,采用熔化极气体保护焊（GMAW）方法对Q550和Q690钢进行焊接,并对焊接接头的微观组织、精细结构、裂纹形态以及接头力学性能进行研究,建立焊接参数、焊接材料、接头组织结构、接头区裂纹扩展及接头力学性能之间的关系。采用高强钢对接接头裂纹试验研究不同强度匹配的焊丝和焊接热输入对Q550、Q550+Q690以及Q690钢接头裂纹敏感性的影响,随着焊丝强度级别的升高,接头断面裂纹率增加；随着焊接热输入的增加,接头的断面裂纹率也逐渐升高。对Q550和Q550+Q690钢接头力学性能进行测定,采用ER50-6焊丝时,拉伸试样从焊缝中断裂；采用ER60-G焊丝,断裂发生在熔合区或热影响区,接头抗拉强度与母材抗拉强度相当。冲击试验结果表明,Q550和Q690钢焊接接头热影响区的冲击吸收功最好；采用ER60-G焊丝的接头焊缝和熔合区的韧性均优于ER50-6焊丝焊缝和熔合区。采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜及能谱分析仪等研究了Q550和Q690钢焊缝区的显微组织、精细结构及夹杂物的成分等,分析了焊接热输入、合金元素及焊缝中夹杂物对焊缝组织的影响。随着焊丝中合金成分的增加,焊缝组织中的先共析铁素体含量逐渐减少；针状铁素体的含量先升高,然后逐渐降低。对于ER50-6焊丝焊缝,因奥氏体晶界被先共析铁素体完全覆盖,热输入对针状铁素体的含量的影响相对不敏感；而对ER60-G焊丝焊缝,热输入较小（14kJ/cm）时会产生以贝氏体为主的组织,降低焊缝韧性。焊缝中夹杂物组成的不均匀性及夹杂物的尺寸是影响夹杂物形核的重要因素。当夹杂物含有多种相组成,并且夹杂物尺寸为0.5～0.8μm时,有利于针状铁素体的多维形核。透射电镜分析显示针状铁素体板条内部有高密度的位错；焊缝中铁素体基体上分布有条状残余奥氏体,衍射结果表明焊缝组织中α与γ相存在K-S位相关系。研究了焊接热输入对Q690钢热影响区的组织和冲击韧性的影响,当焊接热输入从14kJ/cm提高的20kJ/cm时,热影响区冲击吸收功先升高再降低；控制焊接热输入在约16kJ/cm可获得较高的热影响区冲击韧性。提高焊接热输入虽使奥氏体晶粒尺寸增大,但下贝氏体的先期形成有效的细化了马氏体板条,形成的大角度晶界对提高热影响区韧性起到了重要作用。中等热输入时产生下贝氏体时,碳化物分布在贝氏体铁素体内并与铁素体主轴方向呈一定角度；较大热输入条件下在上贝氏体铁素体板条侧产生的Fe3C条对接头韧性有不利的影响。在组织结构分析的基础上,采用扫描电镜对Q550+Q690接头区裂纹及冲击试样断口形貌进行了研究。接头断面裂纹起源于Q690钢侧根部熔合区,沿熔合区穿晶扩展；部分裂纹在奥氏体晶界处沿先共析铁素体或贝氏体板条边界转向焊缝扩展；焊缝中裂纹扩展模式为微裂纹形核→尖端钝化→发生撕裂→重新形核；当裂纹遇到夹杂物时会导致萌发空洞,形成更多的不同方向的裂纹。焊缝金属断口纤维区为穿晶断裂,断口韧窝产生的机理是微孔聚集型,针状铁素体区对应的韧窝较大,晶界铁素体对应的韧窝较小。采用ER50-6焊丝,焊缝断口放射区呈河流花样,断口平滑；采用ER60-G焊丝,焊缝断口放射区为准解理断口,解理面层次不平。马氏体+下贝氏体组织的Q690钢热影响区纤维区具有韧窝特征,塑韧性好；放射区有较大的撕裂台阶。大热输入条件下的热影响区断口中,纤维区断裂具有塑性变形的滑移特征,上贝氏体中粗化的碳化物阻止了韧窝形成；放射区中碳化物作为裂纹源形成小的撕裂刻面。本文系统研究了不预热条件下液压支架用高强钢Q550和Q690焊接接头的显微组织、精细结构以及接头力学性能,并研究了接头区裂纹扩展形态及断裂机制,为高强钢的不预热焊接提供了试验依据和理论基础,有利于提高高强钢焊接效率和促进高强钢应用范围的扩大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本课题的研究背景及意义
• 1.2.1 本课题的研究背景
• 1.2.2 本课题研究意义
• 1.3 低合金高强钢的发展现状
• 1.4 800MPa高强钢的焊接研究现状
• 1.4.1 高强钢接头区的裂纹和应力分布
• 1.4.2 高强钢焊接接头的强韧性匹配
• 1.4.3 高强钢焊缝组织的特征及控制
• 1.4.4 800MPa高强钢热影响区的组织和性能
• 1.5 本课题的主要研究内容及创新点
• 1.5.1 本本课题的主要研究内容
• 1.5.2 本课题的创新点
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 试验母材（Q550、Q690）
• 2.1.2 焊接材料（ER50-6、ER55-D2、ER60-G、ER70-G和ER76-1）
• 2.2 试验及研究方法
• 2.2.1 高强钢焊接裂纹试验
• 2.2.2 焊接接头强韧性试验
• 2.2.3 T形角接头抗裂性试验
• 2.2.4 接头区组织结构研究
• 2.2.5 接头区裂纹扩展及冲击断口形貌分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 Q550和Q690钢焊接接头强韧性匹配
• 3.1 引言
• 3.2 Q550及Q690高强钢焊接裂纹敏感性
• 3.2.1 焊接材料及焊接热输入对接头裂纹率的影响
• 3.2.2 接头区裂纹产生位置及形态
• 3.3 Q550和Q690高强钢焊接接头的强韧性
• 3.3.1 Q550及Q550+Q690钢焊接接头抗拉强度
• 3.3.2 Q550和Q690钢接头（焊缝、熔合区及热影响区）冲击韧性
• 3.4 Q550钢T形角接头抗裂性能
• 3.5 本章小结
• 第4章 Q550和Q690钢焊缝显微组织及精细结构
• 4.1 引言
• 4.2 Q550和Q690钢焊缝显微组织
• 4.2.1 不同焊丝焊缝的显微组织
• 4.2.2 焊缝中针状铁素体的形貌
• 4.2.3 合金元素对焊缝组织的影响
• 4.2.4 焊接热输入对Q550+Q690钢焊缝组织的影响
• 4.3 Q550和Q690钢焊缝中的夹杂物及其对针状铁素体形核的作用
• 4.3.1 焊缝中夹杂物的数量密度和体积分数
• 4.3.2 ER50-6、ER55-D2和ER60-G焊丝焊缝中夹杂物的成分
• 4.3.3 夹杂物的尺寸对针状铁素体形核的影响
• 4.4 Q550+Q690钢焊缝的精细结构
• 4.4.1 针状铁素体的精细结构
• 4.4.2 焊缝中贝氏体的精细结构
• 4.4.3 焊缝中的残余奥氏体
• 4.5 焊缝显微组织对焊缝冲击韧性的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 800MPa高强钢熔合区及热影响区的组织和性能
• 5.1 引言
• 5.2 Q550和Q690钢熔合区和热影响区的显微组织及显微硬度
• 5.2.1 Q550和Q690钢熔合区及热影响区的显微组织
• 5.2.2 Q550和Q690钢接头区的显微硬度
• 5.3 焊接热输入对Q690钢热影响区韧性和组织的影响
• 5.3.1 焊接热输入对Q690钢热影响区冲击韧性的影响
• 5.3.2 焊接热输入对Q690高强钢热影响区显微组织的影响
• 5.4 Q690钢热影响区的精细结构
• 5.4.1 热输入对Q690钢热影响区精细结构的影响
• 5.4.2 Q690钢热影响区中的M-A组元和残余奥氏体
• 5.5 本章小结
• 第6章 Q550+Q690钢接头区的裂纹扩展和断裂
• 6.1 引言
• 6.2 Q550+Q690接头区裂纹萌发及扩展
• 6.2.1 Q690侧熔合区裂纹扩展形态
• 6.2.2 Q550+Q690钢焊缝中的裂纹扩展
• 6.2.3 焊缝中夹杂物对裂纹扩展的影响
• 6.3 Q550和Q690钢接头区断口形貌
• 6.3.1 Q550+Q690不同焊丝（ER50-6和ER60-G）焊缝断口形貌
• 6.3.2 Q550和Q690钢熔合区的断口形貌
• 6.3.3 Q550和Q690钢热影响区的断口形貌
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 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
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表