高强钢激光电弧复合焊马氏体转变机理分析-论文网__墨水学术,论文

所属栏目：电力论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:349

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　　高强钢激光电弧复合焊马氏体转变机理分析
　　段海兵
　　（江苏汇通电力设备有限公司，江苏，南京，211000）
　　摘要：激光电弧复合焊接是一项新兴的焊接技术。研究证明：焊接时在结晶过程中出现的马氏体相变，微观组织是马氏体和残余奥氏体的结合物质。对马氏体形成条件、特点和影响其转变的因素进行了探讨。
　　关键词：激光电弧复合焊；马氏体；机理
　　激光焊接中会出现一些无法克服的困难，W．steen于20世纪70年代利用小功率的激光束与TIG电弧焊接复合起来，收到了良好效果。在高强钢的激光电弧复合焊接接头微观组织中有大量的马氏体，马氏体是钢铁组成中非常重要的部分，马氏体相变也其中很重要的组织转变。
　　1、马氏体转变条件
　　马氏体是在复合焊接高温奥氏体快速冷却，其扩散性分解受到抑制的条件下形成的。形成马氏体的条件可归纳为：过冷奥氏体冷却速度必须以大于临界淬火速度，这样就避免了奥氏体向珠光体和贝氏体转变的发生；由热力学条件分析，过冷奥氏体向马氏体转变必须过冷到一定温度Ms点以下才能发生。
　　2、马氏体转变的特点
　　马氏体转变不同于珠光体转变和贝氏体转变，它是过冷奥氏体在低温范围内的转变。
　　2.1马氏体转变的积聚性
　　马氏体转变是奥氏体在很大过冷度下进行的，此时无论是铁原子、碳原子还是合金元素原子，其活动能力很低。因而，马氏体转变是在无扩散的情况下进行的。点阵的重构是由原子集体的、有规律的、近程的迁动完成的。原来与母相相邻的两个原子转变以后仍然相邻，它们之间的相对位移不超过一个原子间距。马氏体转变时只发生点阵结构的变化，母相奥氏体和新相马氏体具有完全相同的化学成分。
　　2.2马氏体转变的切变共格性
　　马氏体是以切变方式形成的，而且马氏体和母相奥氏体保持共格，界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体。新、旧相界面上的平面是一个切变共格界面，又叫做惯习面。马氏体转变时，惯习面是一个尺寸、形状不变的平面，也不发生转动。换句话说，马氏体转变是新相马氏体在母相特定的晶面上产生的晶体切变过程。
　　马氏体转变如同其它固态相变一样，也是通过生核和长大的方式进行的。许多试验结果表明，马氏体核胚不是在合金中均匀分布的，而是在母相中某些特定的位置上优先形成的。合金中有利于成核的位置是那些结构上的不均匀区域，即位错、层错等某些结构缺陷。
　　此外，晶体生长或塑性变形所造成的形变区以及由于深度起伏而贫碳的奥氏体体积内也是马氏体形核的部位。当马氏体与奥氏体晶界存在共格时，马氏体形核及长大速度非常大。当共格关系破坏时，马氏体长大也就停止了。
　　2.3马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面
　　马氏体是在奥氏体一定的结晶面上形成的，此面称为惯习面，它在相变过程中不变形、也不转动。惯习面通常以母相的晶面指数来表示。钢中马氏体的惯习面随着含碳量及形成温度不同而异。由于马氏体转变时新相和母相始终保持切变共格性，因此马氏体转变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系。马氏体与母相之间的位向关系以及具有一定的惯习面对于研究马氏体转变机制、推测马氏体转变时原子的位移规律提供了重要依据。
　　2.4马氏体转变是在一个温度范围内进行的
　　马氏体转变动力学的主要形式有变温转变和等温转变两种。等温转变情况仅仅发生在某些特殊合金中。一般工业用碳钢及合金钢，马氏体转变是在连续(即变温)冷却过程中进行的。一定成分的合金要过冷到一定温度Ms点以下才能发生马氏体转变。高温奥氏体在Ms点以下冷却时，马氏体量随温度的下降而逐渐增加。冷却到一定温度，立即形成一定数量的马氏体。如在某一温度停留不能使马氏体数量增加。要使马氏体数量增加，必须继续降温冷却。
　　马氏体转变量的增加不是由于#p#副标题#e#己形成马氏体晶体的长大，而是依靠降温过程中新的马氏体片的不断形成。
　　2.5马氏体转变的可逆性
　　在某些铁合金以及镍与其它有色金属中，奥氏体冷却转变为马氏体，重新加热时己形成的马氏体又能无扩散地转变为奥氏体。这就是马氏体转变的可逆性。但是在一般碳钢中不发生按马氏体转变机构的逆转变，因为在加热时马氏体早已分解为铁素体和碳化物。
　　3、影响马氏体转变的因素
　　Ms点是开始发生马氏体转变的温度，可表示为奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需要的最小驱动力值时的温度。作为材料设计及热处理工艺中的重要参量，马氏体丌始形成温度在热力学上具有重要的意义。
　　在焊接过程中，Ms点对马氏体转变起着决定性的作用，一般钢在淬火冷却时形成马氏体的数量随温度下降而增多：这样，钢的Ms温度愈高，淬火时由Ms冷至室温的温度范围愈大，淬至室温所形成的马氏体数量也就愈多，未经转变、因而残留下来的奥氏体(残余奥氏体)的数量就愈少。因此钢经淬火到室温时形成马氏体的数量就主要决定于锅的{矗s温度。所以影响马氏体开始形成温度的因素，也是影响马氏体转变的因素。
　　3.1母相的化学成分对Ms的影响
　　母相的化学成分是影响Ms温度的“先天”因素，也是最主要的因素。其中奥氏体中的含碳量是影响钢的Ms温度的主要因素。一般说来，奥氏体中含碳量越高，则马氏体开始转变的温度点越低。
　　3.2母相的晶粒大小和强度对Ms的影响
　　钢的原始组织越细小，单位体积内晶界面积越大，从而使奥氏体分解时形核率增多，降低奥氏体的稳定性，提高Ms温度。
　　3.3淬火冷却速率对Ms的影响
　　在淬火冷却时，必须超过一定的冷却速率(临界冷却速率)才可能形成马氏体。同样，淬火冷却速率的大小也影响Ms温度，一般是通过两个途径影响：一个是由于产生内应力而引起的，因此工件内当冷速较大产生较大的内应力时会使Ms升高：一个是由于在Ms以上不同温度停留使奥氏体强化及稳定化引起Ms的降低。因此，考虑冷却速率对Ms的影响应从两方面进行考虑。
　　3.4应力和变形对的Ms影响：
　　焊接时不可避免地会产生热应力、组织应力，以及拘束应力，这样就会引起弹性和塑性变形，对马氏体转变具有重要影响。应力和应变都会增加奥氏体地内能，从而加速扩散过程，有利于扩散型相变的进行。
　　此外，晶体缺陷和夹杂物、磁场等对Ms温度也有影响，但这些不是影响Ms温度的主要因素。况且，这些因素在焊接过程出现的几率不大，因此不作主要考虑。综合以上分析，可以看出激光电弧复合焊接的焊缝的马氏体Ms点比较低，在冷却过程中有大量的奥氏体没有转变为马氏体而残留下来。
　　4、结论
　　总的来说，激光电弧复合焊接由于速度快，热输入高，焊后冷却比较快，焊缝的晶粒小，微观组织为细小的板条状马氏体与大量残余奥氏体的混合组织。热影响区受焊缝影响发生淬火后，晶粒长大，主要是马氏体和残余奥氏体。硬化区的微观组织与母材基本相同，为板条状马氏体和少量奥氏体，在晶界上有C化物析出，经过回火后晶粒略有长大。
　　参考文献：
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　　[2]董春林．不锈钢YAG/MAG撖光电弧复合焊接工艺[J]航宅制造技术．2005(3)：68～71.
　　[3]徐祖耀．相变原理[M]北京：科学出版社，1988.