等离子电弧增材制造高氮钢力学性能各向异性研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhaofaqiang0124
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高氮钢材料具有较高的强度与耐腐蚀性,在军事装备、海洋工程、化学工业等领域有广泛应用,采用等离子电弧增材制造技术能够定制出结构复杂的高氮钢零件,但是其不同取样方向样品的力学性能存在各向异性,力学性能各向异性大大限制了增材高氮钢零件的应用。本文采用等离子电弧增材制造技术制备出含氮量0.8%的高氮钢块体并对所得块体的力学性能进行了深入研究。通过试验确定了电弧增材制造高氮钢的工艺参数:电流130A,电弧行进速度2.5m/min,送丝速度0.6m/min,搭接率为60%,增材路径为层层正交,依照该参数进行Cr-Mn高氮钢增材块体的堆积。分别进行电弧扫描方向SD(scanning direction)、扫描方向45°夹角方向45°(45°of scanning direction)与增材堆积方向BD(building direction)三个方向样品的拉伸、冲击与疲劳试验,研究增材体的力学性能各向异性,并结合组织分析试验对各向异性现象做出解释。SD与45°样品的抗拉强度分别为1048MPa、1029MPa相差不大,BD样品的抗拉强度956MPa,明显低于SD与45°样品,SD样品的冲击韧性为36.5 J/cm2优于BD样品的冲击韧性27.5 J/cm2。通过EBSD分析发现增材块体的晶粒为贯穿熔合线生长的粗大柱状晶,存在明显的(100)择优取向。分析表明,晶粒(100)择优取向导致了增材体在SD方向具有较好的拉伸性能与冲击韧性,同时样品内部的孔洞缺陷也在一定程度上降低了BD样品的拉伸性能与冲击韧性。45°样品高周应力疲劳寿命与低周应变疲劳寿命均优于SD样品,得到45°样品的疲劳极限强度为200MPa,SD样品的疲劳极限强度为175MPa。组织分析发现45°样品在疲劳过程中表面形成的滑移带更加密集,萌生的疲劳裂纹更多,且裂纹扩展路径更加曲折,大量裂纹与裂纹的曲折扩展会吸收较多能量,从而提高45°样品的疲劳寿命。同时SD样品内部未融合孔洞、夹杂等缺陷较多,会降低其疲劳性能。
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