F460钢焊接热模拟粗晶热影响区的组织与力学性能研究

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F460钢是一种新型、高强韧性的大厚度船板钢,是未来船体与海洋平台关键构件的重要组成部分,其工作环境温度较低且受力复杂。此外在焊接时热影响区(HAZ)往往会发生晶粒粗化,严重影响船舶的行驶安全性。目前国内仅刘东升等人使用焊接热模拟技术,详细地讨论了不同焊接线能量(E)下粗晶热影响区(CGHAZ)的组织与低温冲击韧性的关系,但是不同焊接线能量下导致韧脆转变温度(T K)发生变化的根本原因还不清楚,因此本文将重点阐述不同线能量下F460钢粗晶热影响区韧脆转变温度(TK)发生变化的内在机理。  本次研究所用的材料为线能量(E)15KJ/cm、30KJ/cm、50KJ/cm、100KJ/cm下的焊接热模拟冲击试样与非标准圆棒拉伸试样,其中冲击试样的尺寸为10mm?10mm?55mm。为更好地解释不同线能量下F460钢粗晶热影响区韧脆转变温度(TK)变化的内在机理,本课题对以下四个方面进行了研究:(1)采用金相光镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)以及电子背散射衍射(EBSD)技术分析不同线能量下粗晶热影响区的组织,从而得出组织随线能量的变化规律;(2)将不同温度(0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-95℃、-105℃、-195℃)下的冲击断口至于SEM中,沿河流花样的反方向寻找起裂源,用Image软件测量冲击断口上的三个微观参数,从裂纹的扩展角度上分析冲击韧性变化的原因;(3)通过两种方法确认临界事件的大小,一是在 CGHAZ上用SEM观察距冲击缺口尖端250m范围内的残留裂纹,从残留裂纹的中断位置以及残留裂纹与原始奥氏体晶粒、贝氏体团在尺寸方面的相关性确认临界事件,二是比较原始奥氏体晶粒、贝氏体团大小与脆性断口中起裂源处解理面的半长轴,从尺寸的吻合程度确认临界事件;(4)使用有限元(FEM)计算出-195℃时冲击缺口前沿处的应力-应变分布,并结合起裂源至塑性裂纹扩展区尖端的垂直距离 Xf获得不同线能量下细观解理断裂的微观参数。  研究结果表明:随着线能量的增加,粗晶热影响区的主要显微组织依次为细密的板条马氏体,板条较多的板条/粒状贝氏体,颗粒较多的板条/粒状贝氏体以及粗大的粒状贝氏体,原始奥氏体晶粒与贝氏体团的最大尺寸逐渐增加,而单位面积内大角度晶界所占比例逐渐降低;SZW+SCL随试验温度的变化规律与冲击功随试验温度的变化规律一致,韧脆转变上平台的SZW+SCL几乎不变,下平台的SZW+SCL接近0,而SZW+SCL的长度决定了过渡区的韧性;此外随着线能量的提高,SZW+SCL会在更高的温度下趋近于0;不同线能量下的临界事件都是贝氏体团尺寸,且临界事件的大小随着线能量的提高而增加;结合Xf与有限元(FEM)计算出的冲击缺口前端的应力-应变,发现临界三向应力度TC、临界解理断裂应力σf、应力强化系数Q随线能量的提高呈现下降趋势,而比表面能γ几乎不变。  通过不同线能量下的微观组织形态、细观解理断裂参数以及本课题组的先前研究可得到以下结论:粗化的原始奥氏体晶粒与贝氏体团、减少的大角度晶界以及增加的粒状贝氏体含量,削弱了对裂纹扩展的阻碍作用。韧脆转变曲线上平台、过渡区、下平台的韧性分别由韧窝的大小、塑性裂纹 SZW+SCL的长度以及 Xf的长度所决定,其中在过渡区中扩展单位SZW+SCL所需的能量是一定的;在本课题组的先前研究中可知,塑性裂纹SZW+SCL的长度取决于解理断裂起裂的早晚,而起裂的早晚又取决于临界解理断裂应力σf。临界事件的尺寸随着线能量的增加而增大,即 a15KJ/cm<a30KJ/cm<a50KJ/cm<a100KJ/cm,这一变化规律与临界解理断裂应力σf有着密切的关系。通过比较不同线能量下的解理断裂参数可知,σf是决定不同线能量下韧脆转变温度发生变化的唯一因素,且其随着线能量的增加而下降,这就意味着断裂所需的外加驱动力随着线能量的提高而下降。以上原因就是不同线能量下韧脆转变温度(TK)发生变化的内在机理。
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