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對(duì)高碳鋼絲生產(chǎn)中的失效分析
對(duì)高碳鋼絲生產(chǎn)中的失效分析【1】
[摘 要]本文通過(guò)對(duì)目前使用較多的高碳鋼絲的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，來(lái)找出引起高碳鋼絲在生產(chǎn)的過(guò)程中發(fā)生失效問(wèn)題的原因。
發(fā)現(xiàn)并提出了其中一條引起高碳鋼絲失效的重要原因就是非金屬的夾雜物。
同時(shí)還歸納了在對(duì)高碳鋼絲的原料盤(pán)條進(jìn)行拉拔處理時(shí)，熱處理組織和拉絲工藝對(duì)其性能的影響程度，并借此引出了如何才能減少高碳鋼絲失效的措施。
[關(guān)鍵詞]高碳鋼絲;拉拔工藝;非金屬夾雜物;組織
引言
鋼絲中的含碳量如果大于0.60%就屬于高碳鋼絲。
像彈簧鋼絲、胎圈鋼絲及鋼簾線、輻條、鍍鋅鋼絲及鋼芯鋁絞線等等許多方面都有應(yīng)用到高碳鋼絲。
現(xiàn)在的生產(chǎn)中主要通過(guò)固定模拉拔法來(lái)進(jìn)行鋼絲的制備，而對(duì)于異型鋼絲則使用輥拉法和軋制法。
原料經(jīng)常使用的就是經(jīng)過(guò)高速無(wú)扭控軋控冷技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的盤(pán)條。
生產(chǎn)流程中的重點(diǎn)工序就是拉拔過(guò)程。
斷絲現(xiàn)象一般就是發(fā)生在這個(gè)過(guò)程中，而發(fā)生斷絲就會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量保障，還嚴(yán)重降低了拉絲的生產(chǎn)效率。
關(guān)于高碳鋼絲斷絲的問(wèn)題的原因有很多，而因?yàn)楸P(pán)條本身中夾雜的非金屬和拉拔過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦馬氏體引起的失效就占了90%以上。
除了這個(gè)是拉拔斷裂的主要原因外，還有加工硬化和拉拔工藝在其中產(chǎn)生的影響。
一.非金屬夾雜物的影響
硫化物、硅酸鹽、氧化物或者是這些的混合物是非金屬夾雜物在盤(pán)條中的主要存在形式。
夾雜物和大塊的第二相粒子是引起材料斷裂的主要因素：隨著它們的數(shù)量和尺寸大小的增加，裂紋的產(chǎn)生機(jī)率也隨之提高。
相反，鋼材的韌性就會(huì)降低。
在這其中，夾雜著硫化物的屬于塑性?shī)A雜，在熱加工的過(guò)程中會(huì)沿著加工的方向伸展成帶狀，這樣，在鋼與夾雜的界面上就會(huì)不容易產(chǎn)生形變裂紋;硅酸鹽的夾雜則屬于不變形夾雜，這樣的特性會(huì)使其在熱加工時(shí)保持原來(lái)的形狀，而鋼基體則環(huán)繞其進(jìn)行流動(dòng)，尤其是當(dāng)大型硅酸鹽夾雜在鋼絲的邊部時(shí)，鋼絲的橫向力學(xué)性能就會(huì)因此大打折扣，并且使塑性也減弱，這樣的鋼絲在拉拔受力時(shí)非常容易產(chǎn)生橫向的裂紋，并導(dǎo)致斷裂;氧化物的夾雜則是脆性?shī)A雜，會(huì)在加工過(guò)程中沿著加工的方向碎裂成串。
由于脆性?shī)A雜物的變性能力為零，所以在拉拔的時(shí)候無(wú)法與基體進(jìn)行同步變形，這樣就會(huì)在表面產(chǎn)生裂紋源，并逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋。
由于這點(diǎn)原因，就可發(fā)現(xiàn)對(duì)材料的危害最大的就是脆性?shī)A雜物。
盤(pán)條中之所以有非金屬夾雜物的原因有兩種：第一種是在精煉到連鑄的過(guò)程中，脫氧產(chǎn)物和其中的鋼水和空氣進(jìn)行了二次氧化而得到的內(nèi)生夾雜物，這種夾雜物通常情況下并不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生很大的威脅;第二種外來(lái)夾雜物是在冶金和澆注的過(guò)程中順便帶入的夾雜物，加鋼包、中間包中耐火材料的侵蝕物和卷進(jìn)來(lái)的包渣和保護(hù)渣等等。
這種隊(duì)產(chǎn)品的危害程度最高。
根據(jù)夾雜物的來(lái)源來(lái)進(jìn)行一些針對(duì)性的措施來(lái)控制夾雜物的含量、組成成分和形態(tài)。
對(duì)處于相當(dāng)重要地位的彈簧鋼絲和制繩鋼絲，則應(yīng)該盡可能的用精煉的硬線來(lái)提高使用壽命。
具體的方法有：在對(duì)鋼材進(jìn)行冶煉的過(guò)程中使用復(fù)吹技術(shù)以及冶煉終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制技術(shù);精煉過(guò)程則使用優(yōu)質(zhì)合適的精煉渣，同時(shí)對(duì)包底吹氬技術(shù)進(jìn)行改動(dòng)升級(jí)，有效地控制夾雜物的類(lèi)型;在最后的連鑄過(guò)程中則可以利用保護(hù)澆注，對(duì)中間包內(nèi)部控制流場(chǎng)的操作進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)對(duì)于非穩(wěn)定狀態(tài)的操作水平來(lái)提升連鑄坯的干凈度。
二.顯微組織的影響
單單從理論方面來(lái)說(shuō)，索氏體組織是鋼絲中最好的的拉拔組織。
將一層鐵素體和一層滲碳體機(jī)械混合起來(lái)就是索氏體，它的片間距與一般的片層珠光體的片間距相比還要小，這樣在滑移時(shí)就可按最短的路程來(lái)。
制作索氏體的工藝流程是首先將鋼絲加熱，直到其成為完全均勻穩(wěn)定的奧氏體，然后將其在熔融的鉛或其它的介質(zhì)中進(jìn)行連續(xù)等溫的冷卻來(lái)得到。
而在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)一些非正常的組織，比如滲碳體、屈氏體和沿軋制方向的帶狀馬氏體組織。
為了防止這些非正常組織引發(fā)斷絲現(xiàn)象，需要嚴(yán)格控制高線軋制控冷工藝，設(shè)計(jì)不同的溫度，使同一盤(pán)的盤(pán)條同時(shí)冷卻。
Mn、Cr等合金元素的偏析，則會(huì)導(dǎo)致珠光體的轉(zhuǎn)變C曲線的右移，隨著快速冷卻的進(jìn)行可能會(huì)產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致局部韌性的消失。
為了降低合金元素的偏析需要加快連鑄中的冷卻速度，盡早的結(jié)晶，同樣也可加設(shè)電磁攪拌來(lái)更好的降低偏析。
三.拉拔工藝的影響
不同的鋼絲如果不考慮尺寸的話(huà)，冷硬化能力可以認(rèn)為是一定的，而以此來(lái)可以得出鋼絲拉拔工藝中的部分壓縮率和總壓縮率同樣是一定的。
如果總的壓縮率過(guò)大，鋼絲的塑性變形能力會(huì)因?yàn)榧庸ざ鴮?dǎo)致硬化，這樣在最后的幾道肯定會(huì)產(chǎn)生斷絲現(xiàn)象。
由于高碳鋼的本身含碳量就很高，有較強(qiáng)的脆性，因此如果鋼絲的表面受到損傷的話(huà)，在損傷部位附近的金屬就會(huì)發(fā)生塑性變形，進(jìn)而引發(fā)加工硬化，位錯(cuò)增加，使其更加脆弱。
這樣在接下鋼絲經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪時(shí)，在各種受力的作用下，損傷部位就會(huì)開(kāi)裂甚至斷裂。
在鋼絲的拉拔過(guò)程中，如果鋼絲和導(dǎo)向裝置沒(méi)有在正確的摩擦條件下，那么就會(huì)生成摩擦馬氏體。
摩擦馬氏體會(huì)極大地提高鋼絲局部區(qū)域的脆性，在以后的過(guò)程中受到一定彎曲時(shí)，摩擦馬氏體部分和鋼絲基體之間的反應(yīng)會(huì)不相同，引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散，最終使鋼絲的斷裂。
為了解決以上的問(wèn)題，防止因?yàn)槔喂に嚨牟划?dāng)操作引發(fā)的鋼絲失效，需要根據(jù)鋼的冷硬化能力來(lái)進(jìn)行分類(lèi)并分別設(shè)計(jì)相適應(yīng)的拉拔路線，對(duì)各個(gè)道次變形率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整分配，并且保證拉拔時(shí)的裝置正確配置，還要清理拉絲模的表面，使其光滑，避免摩擦馬氏體的出現(xiàn)，降低斷絲率。
四.結(jié)語(yǔ)
成品鋼絲的質(zhì)量依賴(lài)于盤(pán)條本身的質(zhì)量，例如組織、拉絲工藝、冷卻、潤(rùn)滑的這些眾多因素綜合起來(lái)就很容易導(dǎo)致鋼絲斷裂。
因此必須從煉鋼開(kāi)始，一直到連鑄、軋制和拉拔生產(chǎn)各個(gè)過(guò)程都必須要嚴(yán)格的控制。
同時(shí)在拉拔工藝前，對(duì)拉拔的模具和盤(pán)條的質(zhì)量都應(yīng)仔細(xì)篩選，注意前面提出的種種事項(xiàng)來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程從而生產(chǎn)出質(zhì)量合格的高碳鋼絲。
參考文獻(xiàn)
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高碳鋼的焊接性與焊接缺陷分析【2】
摘要：本文從焊接方法、焊接材料等方面分析了高碳鋼的焊接性，并針對(duì)高碳鋼焊接時(shí)容易出現(xiàn)的焊接缺陷提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：高碳鋼;焊接性;焊接缺陷;裂紋
高碳鋼是指w(C)高于0.6%的碳鋼，它比中碳鋼具有更大的淬硬傾向，并形成高碳馬氏體，對(duì)冷裂紋的形成更為敏感。
同時(shí)，焊接熱影響區(qū)內(nèi)形成的馬氏體組織，性能硬而脆，導(dǎo)致接頭的塑性和韌性大大下降，因此高碳鋼的焊接性相當(dāng)差，必須采取特殊的焊接工藝，才能保證接頭的性能。
因此，在焊接結(jié)構(gòu)中，一般很少采用。
高碳鋼主要用于要求高硬度和耐磨性的機(jī)器零部件，如轉(zhuǎn)軸、大型齒輪和聯(lián)軸器等[1]。
為節(jié)省鋼材，簡(jiǎn)化加工工藝，這些機(jī)器零部件也往往采用焊接結(jié)構(gòu)組合而成。
在重型機(jī)器制造中，也會(huì)碰到高碳鋼部件的焊接問(wèn)題。
在制定高碳鋼焊件的焊接工藝時(shí)，應(yīng)全面分析可能產(chǎn)生的各種焊接缺陷，并采取相應(yīng)的焊接工藝措施。
1 高碳鋼的焊接性
1.1 焊接方法
高碳鋼主要用于高硬度和高耐磨性的結(jié)構(gòu)，所以主要的焊接方法是焊條電弧焊、釬焊和埋弧焊。
1.2 焊接材料
高碳鋼焊接一般不要求接頭與母材等強(qiáng)度。
焊條電弧焊時(shí)一般選用去硫能力強(qiáng)、熔敷金屬擴(kuò)散氫含量低、韌性較好的低氫型焊條。
在要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)級(jí)別的低氫型焊條;在不要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度級(jí)別低于母材的低氫型焊條，切記不能選擇強(qiáng)度級(jí)別比母材高的焊條。
如果焊接時(shí)母材不允許預(yù)熱，為了防止熱影響區(qū)冷裂紋，可選用奧氏體不銹鋼焊條，以獲得塑性好、抗裂紋能力強(qiáng)的奧氏體組織[2]。
1.3 坡口制備
為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)減少熔合比，所以焊接時(shí)一般采用U型或V型坡口，并注意將坡口及坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等處理干凈。
1.4 預(yù)熱
采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時(shí)，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在250℃～350℃。
1.5 層間處理
多層多道焊時(shí)，第一道焊采用小直徑焊條，小電流焊接。
一般將工件置于半立焊或使用焊條橫向擺動(dòng)，以使整個(gè)母材熱影響區(qū)都在短時(shí)間內(nèi)受熱，以獲得預(yù)熱和保溫效果。
1.6 焊后熱處理
焊后立即將工件放入加熱爐中，在650℃進(jìn)行保溫進(jìn)行消除應(yīng)力退火[3]。
2 高碳鋼的焊接缺陷及防止措施
由于高碳鋼淬硬傾向很大，在焊接時(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋和冷裂紋。
2.1 熱裂紋的防止措施
1)控制焊縫的化學(xué)成分，嚴(yán)格控制硫、磷的含量，適當(dāng)提高含錳量，以改善焊縫組織，減少偏析。
2)控制焊縫斷面形狀，寬深比要稍大些，以避免焊縫中心的偏析。
3)對(duì)剛性大的焊件，應(yīng)選擇合適的焊接參數(shù)、合適的焊接次序和方向。
4)必要時(shí)采取預(yù)熱和緩冷措施，來(lái)防止熱裂紋的產(chǎn)生。
5)提高焊條或焊劑的堿度，以降低焊縫中的雜質(zhì)含量，改善偏析程度。
2.2 冷裂紋的防止措施[4]
1)焊接前預(yù)熱和焊后緩冷，不僅可以降低熱影響區(qū)的硬度和脆性，而且還可以加速焊縫中的氫向外擴(kuò)散。
2)選擇合適的焊接措施。
3)采用合適的裝配和焊接順序，減小焊接接頭的拘束應(yīng)力，改善焊件的應(yīng)力狀態(tài)。
4)選擇合適的焊接材料，焊前要烘干焊條、焊劑，并做到隨取隨用。
5)焊前應(yīng)仔細(xì)清除坡口周?chē)窘饘俦砻娴乃�、銹等污物，以降低焊縫中擴(kuò)散氫的含量。
6)焊前應(yīng)立即進(jìn)行去氫處理，使氫從焊接接頭中充分逸出。
7)焊后應(yīng)立即進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理，促使焊縫中的氫向外擴(kuò)散。
3 結(jié)束語(yǔ)
高碳鋼由于含碳量較高，淬硬性較大而焊接性較差，焊接時(shí)容易產(chǎn)生高碳馬氏體組織，容易產(chǎn)生焊接裂紋，因此在高碳鋼焊接時(shí)，要合理選擇焊接工藝，并及時(shí)采取相應(yīng)措施，減少焊接裂紋的出現(xiàn)，提高焊接接頭性能。
參考文獻(xiàn)：
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[4] 于在洪、溫景輝、姜海雨.焊接裂紋的產(chǎn)生原因及防止措施[J].科技信息，2011(8)：I0349～I(xiàn)0350.
超高碳鋼的壓焊頂鍛技術(shù)探微及應(yīng)用【3】
摘要：文章介紹了超高碳鋼(UHCS)的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了主要工藝參數(shù)的最佳組合。
測(cè)定了焊接接頭的硬度、抗拉強(qiáng)度，并利用圖像分析儀分析了焊縫及其熱影響區(qū)的微觀組織。
關(guān)鍵詞：超高碳鋼;頂鍛壓焊;頂鍛變形;熱模擬
1 概述
超高碳鋼的含碳量在1.0%～2.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)之間，超過(guò)了傳統(tǒng)高碳鋼的含碳量。
它的處理工藝與傳統(tǒng)高碳鋼不同，該鋼在奧氏體化加熱時(shí)需形變處理以獲得較多的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，完全奧氏體化淬火后經(jīng)高溫回火獲得彌散球狀滲碳體和鐵素體基體。
由于有大量的超細(xì)碳化物，在二次加熱過(guò)程中碳化物將阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，獲得超細(xì)奧氏體晶粒。
細(xì)小的奧氏體晶粒在不同的冷卻條件下可獲得所需的超細(xì)基體組織，如空冷可獲得超細(xì)珠光體，淬火可獲得超細(xì)馬氏體。
由于采用傳統(tǒng)方法制備出的超高碳鋼具有極高的脆性，其工業(yè)化應(yīng)用在過(guò)去一直被人們所忽視。
然而近30年來(lái)的研究結(jié)果表明，當(dāng)采用適當(dāng)制備工藝使該材料獲得超細(xì)鐵素體(0.4～2.0μm)基體上分布著超細(xì)粒狀滲碳體(0.2～1.0μm)組織，具有該組織的超高碳鋼稱(chēng)為超細(xì)晶超高碳鋼。
該材料不僅在中、高溫下具有高變形速率下的超塑性特性，還在室溫下具有高達(dá)1000MPa以上的強(qiáng)度和高達(dá)35%左右的塑性，并且通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囘�可使其硬度提高至HRC65～68以上。
晶粒細(xì)化是提高金屬材料強(qiáng)度和韌性的有效方法之一，獲得超細(xì)晶組織也一直是材料科技工作者夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。
研究發(fā)現(xiàn)，采取各種形變熱處理工藝使超高碳鋼的組織得到充分細(xì)化后，該鋼除了具有高強(qiáng)度和一定的韌性之外，還具有良好的超塑性，從而大大拓寬了超高碳鋼的應(yīng)用前景。
后來(lái)在1999年日本的K.Tsuzaki等人提出珠光體+淬火+回火的普通熱處理工藝，這種不經(jīng)過(guò)形變的普通熱處理工藝被稱(chēng)為是制備超細(xì)晶超高碳鋼最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工藝。
2 國(guó)內(nèi)外超高碳鋼研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，斯坦福大學(xué)O.D.Sherby、美國(guó)Lawrence Livemore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和日本等國(guó)學(xué)者開(kāi)展了一些研究，當(dāng)采用適當(dāng)制備工藝獲得超細(xì)鐵素體基體上分布著超細(xì)粒狀滲碳體組織后，該材料不僅具有高的超塑性和良好的綜合力學(xué)性能，而且利用其高溫下良好的固態(tài)連接特性，還可與自身及其他金屬材料(黃銅、鋁青銅等)連接制備成新型高性能層狀復(fù)合材料，具有較好的市場(chǎng)前景，而國(guó)內(nèi)至今對(duì)其研究甚少。
但史海生等人采用的具有快速凝固特點(diǎn)的噴射成形技術(shù)，制取的含3%Si的UHCS不僅具有優(yōu)良的顯微組織，同時(shí)還具有非常獨(dú)特的超塑性。
然而，限于噴射成形工藝自身的特點(diǎn)或設(shè)備上有待完善的原因，目前由噴射成形工藝獲得的UHCS坯料中難免存在一些孔洞，還需要進(jìn)行致密化處理才能愈合。
2.1 所有成分的超高碳鋼在A1溫度附近均具有超塑性
原因在于隨著碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大。
這種細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)可以有效阻礙超塑變形過(guò)程中基體組織的長(zhǎng)大，故超高碳鋼的超塑性屬于細(xì)晶結(jié)構(gòu)超塑性。
合金元素對(duì)超高碳鋼的超塑性具有重要的影響，首先表現(xiàn)在對(duì)鐵-碳相圖的影響。
如硅的加入，共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)都左移，而共晶和共析溫度升高，使轉(zhuǎn)變溫度成為一個(gè)溫度區(qū)間，擴(kuò)大并穩(wěn)定了兩相區(qū)的溫度范圍，這對(duì)于超塑性變形是有利的。
現(xiàn)有的一些研究結(jié)果表明，晶界滑移是超高碳鋼超塑性的主要變形機(jī)制，晶格擴(kuò)散以及位錯(cuò)滑移蠕變對(duì)超塑性起協(xié)調(diào)變形作用。
2.2 力學(xué)性能研究
UHCS作為結(jié)構(gòu)材料有大的發(fā)展前景和市場(chǎng)。
UHCS可被加工成錠、薄板和棒，并代替部分共析鋼應(yīng)用于耐磨件、工模具、汽車(chē)和鐵軌等領(lǐng)域。
在相同的組織條件下，如球化組織、珠光體、回火馬氏體等，超高碳鋼比共析鋼具有更高的強(qiáng)度，且塑性也略有提高。
因?yàn)殡S著碳含量的增加，通過(guò)熱加工等工藝，可使組織進(jìn)一步細(xì)化，從而提高UHCS的強(qiáng)度。
UHCS比低碳鋼、高強(qiáng)鋼和雙相鋼具有更優(yōu)良的室溫力學(xué)性能。
通過(guò)熱處理UHCS可獲得不同的顯微組織，如馬氏體、回火馬氏體、貝氏體、珠光體等。
一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)，室溫綜合力學(xué)性能越好，例如，具有細(xì)小貝氏體組織的1.0C-1.5CrUHCS的抗拉強(qiáng)度為1.81GPa，伸長(zhǎng)率為18%。
對(duì)于馬氏體組織，馬氏體針葉的大小直接影響UHCS的力學(xué)性能。
1.8C-1.6AlUHCS的原始組織為細(xì)小的球化組織，1000℃淬火時(shí)，大部分碳化物溶解，奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大，所獲得的馬氏體也較粗大，這種組織雖然具有高的強(qiáng)度和硬度，但室溫壓縮塑性很差。
當(dāng)800℃淬火時(shí)，碳化物不溶解，可獲得光鏡下不可分辨的馬氏體組織和亞微米尺寸的碳化物，該組織具有優(yōu)良的室溫性能：壓縮應(yīng)變?yōu)?6%，斷裂強(qiáng)度為4.69GPa。
3 選題意義及研究?jī)?nèi)容
超高碳鋼良好的超塑性和高強(qiáng)度備受材料工作者的青睞，但也給焊接制造業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)給焊接工作者帶來(lái)了許多新的研究課題和方向。
主要有：焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化與細(xì)化，局部軟化與脆化，焊縫金屬的純化與細(xì)化以及焊接方法的選擇與焊接工藝的改進(jìn)等等。
通過(guò)小能量輸入、高強(qiáng)匹配、焊接區(qū)組織結(jié)構(gòu)調(diào)整以及母材/焊縫金屬匹配等多種努力，已經(jīng)在碳素鋼板帶材和螺紋鋼中實(shí)現(xiàn)了超高碳鋼的焊接工藝初步突破，如控制焊縫的組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化。
對(duì)400MPa級(jí)細(xì)晶鋼，只要通過(guò)調(diào)整焊縫組織使其獲得針狀鐵素體即可獲得理想的強(qiáng)韌性。
而對(duì)于800MPa級(jí)以上的超高碳鋼，要實(shí)現(xiàn)焊縫金屬與母材的等匹配較為困難。
但尚需進(jìn)一步努力在含碳量很高的超高碳鋼中取得成功。
超高碳鋼表現(xiàn)出的優(yōu)良性質(zhì)，值得材料界同行進(jìn)一步深入研究，以使超高碳鋼得到更廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。
關(guān)于UHCS的壓焊頂鍛行為的模擬研究尚未見(jiàn)報(bào)道，而且UHCS的壓焊頂鍛大量應(yīng)用于軌道焊接，以期望UHCS能在軌道上獲得應(yīng)用，因此，有必要進(jìn)行UHCS的壓焊頂鍛行為的模擬研究，并為其他超細(xì)晶超高碳鋼零部件的焊接提供參考。
研究的主要內(nèi)容包括：(1)選擇焊接工藝參數(shù)，采用Gleebble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)超高碳鋼進(jìn)行加壓頂鍛試驗(yàn)。
(2)對(duì)焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，檢測(cè)焊接接頭性能。
(3)對(duì)接頭的組織進(jìn)行觀察。
4 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
4.1 試驗(yàn)材料
4.1.1 UHCS的制備工藝。
UHCS的制備工藝主要有：
(1)煉鋼工藝：設(shè)備：真空感應(yīng)爐;配料：總質(zhì)量50kg;原材料：C、Cr、Al、Si、Mn、Ti、Nb、Fe純金屬，V-Fe，S、P是雜質(zhì)。
鋼錠直徑約16cm，高25cm。
(2)鍛造工藝：預(yù)處理：材料表面打磨(粗車(chē))，除去氧化皮、涂料。
均勻化處理：分段加熱，首先在500℃～600℃預(yù)熱1h;再提高爐溫至800℃～900℃加熱1h;然后再提高爐溫至1100℃～1150℃加熱1h。
鍛造：連續(xù)鍛造成50×50mm方坯。
溫度低時(shí)可加熱。
(3)軋制工藝：方坯在爐內(nèi)分段加熱至1000℃～1150℃，取出連續(xù)軋制10～12道次，至直徑12mm，終軋溫度750℃～800℃。
(4)球化退火工藝：第一，爐內(nèi)溫度812℃，裝爐，約12min回升到812℃，總加熱時(shí)間約40min;第二，1℃/min冷卻到750℃;第三，出爐空冷。
4.1.2 UHCS的化學(xué)成分及組織。
實(shí)驗(yàn)材料為UHCS，試樣尺寸為mm圓柱體。
UHCS化學(xué)成分如表1所示：
在碳素鋼中加入合金元素后可以改善鋼的使用性能，使合金鋼得到許多碳鋼所不具備的優(yōu)良的或特殊的性質(zhì)。
在鋼中經(jīng)常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B等。
它們以以下四種形式
存在：
(1)溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在。
(2)形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等。
(3)形成非金屬夾雜物，如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。
故加入Mn元素或其他合金元素，如Si、Al、Mo、Ni、Cr等來(lái)減小S、P的有害
作用。
(4)有些元素如Pb、Cu等既不溶于鐵，也不形成化合物，而是在鋼中以游離狀態(tài)存在。
在高碳鋼中有時(shí)也以自由狀態(tài)(石墨)存在。
碳是超高碳鋼中的基本元素。
研究表明，滲碳體之間的間距越小，屈服強(qiáng)度就越高。
滲碳體是硬脆相，在超高碳鋼中主要起第二相強(qiáng)化作用，但當(dāng)碳含量大于1.0%時(shí)，鋼中便有明顯的網(wǎng)狀滲碳體形成，網(wǎng)狀滲碳體的存在，導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性韌性均明顯下降，而且當(dāng)碳含量高于1.8%時(shí)網(wǎng)狀滲碳體的消除就比較困難，從這個(gè)角度講，超高碳鋼的含碳量應(yīng)取在1.8%以下，故本材料符合要求。
硅具有明顯的石墨化作用，因此在添加硅的同時(shí)還應(yīng)添加抑制石墨化的元素，如鉻等。
Cr元素具有在一定溫度和變形條件下促進(jìn)珠光體球化的作用，適當(dāng)增加Cr元素含量，對(duì)抑制石墨化及穩(wěn)定組織有利。
但含鉻鋼強(qiáng)度高塑性低，而且含鉻量大于2%時(shí)，材料加工、成形性變差。
所以，含鉻量不能超過(guò)2%。
鋁也是鐵素體形成元素，超高碳鋼中添加鋁的目的在于：提高A1溫度和改善制備工藝。
含Al的超高碳鋼具有良好的抗氧化性能，在1200℃溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫仍未有氧化膜生成。
而且在抑制石墨化和抗氧化方面Al比Si更有效。
因此，本試驗(yàn)材料鋁的含量較高，滿(mǎn)足要求。
4.2 試驗(yàn)方法
本試驗(yàn)采用Gleeble 1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。
該設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和動(dòng)力控制系統(tǒng)三大部分組成。
其中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是Gleeble 1500D物理模擬試驗(yàn)機(jī)的核心部分，用以控制實(shí)驗(yàn)要求的加熱條件和加載條件，如加熱溫度、加熱速度、冷卻方式以及加載壓力等。
溫度控制系統(tǒng)采用電阻加熱方式加熱，溫度控制精度可達(dá)±1℃。
動(dòng)力控制系統(tǒng)用來(lái)控制加載，可以完成多種工藝實(shí)驗(yàn)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如鍛造、軋制、拉伸和壓縮等過(guò)程模擬。
此外，設(shè)備配有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時(shí)采集試樣的溫度、真實(shí)應(yīng)變、應(yīng)變速度等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)用Origin軟件輸出，數(shù)據(jù)的后續(xù)處理功能強(qiáng)大。
可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)種類(lèi)：
4.2.1 過(guò)程模擬。
熱軋工藝模擬、連鑄工藝模擬、鍛造工藝模擬、對(duì)焊工藝模擬、焊接熱影響區(qū)模擬、熱處理工藝模擬。
4.2.2 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。
常溫拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)、高溫拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)、熱疲勞、熱/機(jī)疲勞、高溫?zé)崴苄郧�、真應(yīng)力/真應(yīng)變曲線、CCT曲線。
4.2.3 基礎(chǔ)材料研究。
擴(kuò)散、熔化及控制固化、應(yīng)力松弛、再結(jié)晶、加工硬化、凍結(jié)顯微組織等。
硬度測(cè)量在維氏硬度計(jì)上進(jìn)行。
接頭的抗拉強(qiáng)度在精密萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其型號(hào)為AG-I250KN。
顯微組織分析采用圖像分析儀，型號(hào)為IAS-4。
4.3 焊接方法及焊接工藝參數(shù)的選擇
4.3.1 焊接方法的選擇。
為獲得與母材相匹配性能的焊接接頭，需要進(jìn)行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。
眾所周知，隨著碳及合金元素的增加往往會(huì)給鋼的焊接帶來(lái)不利的影響，而不同鋼種所出現(xiàn)的焊接性問(wèn)題又不盡
相同。
本試驗(yàn)用的是超高碳鋼，含碳量很高，普通電弧焊接過(guò)程容易產(chǎn)生一系列問(wèn)題，使焊接過(guò)程難以進(jìn)行，且焊后容易留下焊接缺陷。
另外，本試驗(yàn)材料通過(guò)球化退火，其組織為超細(xì)珠光體+球狀碳化物，晶粒極度細(xì)小，焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大傾向，晶粒長(zhǎng)大不僅會(huì)造成焊縫及焊接熱影響區(qū)(HAZ)脆化，而且焊接的熱作用還會(huì)導(dǎo)致HAZ的軟化。
由于焊接性問(wèn)題的出現(xiàn)，往往會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的可靠性，造成焊接結(jié)構(gòu)的早期破壞。
為了解決這一問(wèn)題，需要采用高能量密度熱源低熱量輸入的焊接方法進(jìn)行快速焊接，使焊接熱影響區(qū)變窄，減小軟化區(qū)寬度，有利于防止軟化引起的接頭力學(xué)性能的降低。
但就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)外有關(guān)超高碳鋼的壓焊頂鍛行為的研究報(bào)道很少，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)，使金屬端面熔化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，迅速施加頂鍛壓力完成焊接。
因此，采用電阻加熱方式進(jìn)行焊接模擬，具有極強(qiáng)的熱應(yīng)力應(yīng)變模擬功能，而且不需要焊材，不開(kāi)坡口，還避免了選取焊材難與母材性能匹配的問(wèn)題，完全適合超高碳鋼的焊接。
4.3.2 焊接工藝參數(shù)的選擇。
焊接工藝參數(shù)的選擇如表2所示：
表2 焊接工藝參數(shù)
參數(shù)方案加熱峰值溫度/℃ 加熱速度/℃/s 頂鍛量/cm 頂鍛速度/cm/s 試樣號(hào)
11000 250 6 2 1#
21100 250 8 3 2#
31200 250 10 4 3#
以方案3的參數(shù)預(yù)焊一對(duì)(不做熱處理)作為4#試樣，與1#、2#、3#試樣(經(jīng)過(guò)熱處理)作比較。
采用制備好的Φ8mm×60mm的棒料，用砂紙將棒料端面打磨光亮。
在試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)記錄試樣加熱溫度、時(shí)間、頂鍛量和應(yīng)力變化情況。
將1#、2#、3#試樣進(jìn)行熱處理，用熱處理加熱爐加熱至770℃保溫3h，爐冷至550℃，然后空冷。
4.3.3 試驗(yàn)方案，本試驗(yàn)方案如下：選擇焊接工藝參數(shù)、采用焊接超高碳鋼-超高碳鋼、對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理、焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試、焊接接頭的組織觀察。
5 超高碳鋼的壓焊頂鍛行為的模擬
5.1 接頭的機(jī)械性能
5.1.1 接頭的抗拉強(qiáng)度。
第一步：熱處理前、后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度的拉伸數(shù)據(jù)比較。
通過(guò)拉伸試驗(yàn)所得比較數(shù)據(jù)。
結(jié)果表明：熱處理過(guò)的3#試樣的抗拉強(qiáng)度明顯高于未熱處理的4#試樣。
第二步：熱處理后焊接接頭的拉伸數(shù)據(jù)比較。
2#試樣的拉伸強(qiáng)度最高，最大載荷達(dá)到30kN(折算應(yīng)力大約為184.349MPa)，說(shuō)明按第(2)方案的工藝參數(shù)焊接所得的焊接接頭在熱處理后性能最好。
5.1.2 接頭的顯微硬度。
通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，不難發(fā)現(xiàn)2#試樣的力學(xué)性能最好，因此以第(2)方案，即加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s;再焊一組試樣，記作5#材料。
焊完以后進(jìn)行熱處理：熱處理方法如上。
然后沿試樣與焊縫的交叉方向線切割，使焊縫外露。
在初磨以后采用維氏硬度計(jì)測(cè)定硬度：從一側(cè)穿過(guò)焊縫區(qū)至另一側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)試。
5.1.3 焊接工藝參數(shù)分析。
本實(shí)驗(yàn)焊接過(guò)程是利用電阻熱加熱材料被焊端面使其迅速加熱到熔化狀態(tài)，然后通過(guò)施加壓力快速將兩者對(duì)焊到一起完成焊接。
因此，采用電阻加熱方式進(jìn)行焊接模擬，具有極強(qiáng)的熱應(yīng)力應(yīng)變模擬功能，在焊接時(shí)兩個(gè)焊接材料熔合區(qū)所受的熱/力條件相同。
在焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的選擇會(huì)給焊接帶來(lái)不同程度的影響。
現(xiàn)通過(guò)分析壓焊加熱峰值溫度、加熱速度、頂鍛量、頂鍛速度等參數(shù)，研究頂鍛參數(shù)匹配關(guān)系與焊瘤形貌特征。
通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，初判頂鍛參數(shù)的匹配效果。
1#焊接接頭：表面良好，力學(xué)性能較差，其原因是加熱溫度太低，原材料兩個(gè)表面不能達(dá)到溶化狀態(tài)，且頂鍛量太少，以致不能完全焊上，頂鍛參數(shù)匹配效果不好。
2#焊接接頭：表面良好，力學(xué)性能良好，頂鍛參數(shù)匹配效果良好。
3#焊接接頭：表面有毛刺，力學(xué)性能一般，其原因是加熱溫度過(guò)高，以致原材料兩端面溶化過(guò)多，且頂鍛量和頂鍛速度太大，以致瘤根部的金屬流線彎曲分層嚴(yán)重，熱裂紋、疏松等缺陷較多，頂鍛參數(shù)匹配效果不好。
因此，試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的頂鍛參數(shù)為2#焊接接頭，即加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s。
5.2 焊縫組織觀察
選取拉伸性能較好的方案所處理后得到的5#試樣，在測(cè)完其硬度以后，先在砂紙上磨平表面，接著在拋光機(jī)上拋光，再利用4%的硝酸酒精溶液腐蝕磨面，最后在圖像分析儀上觀察焊縫及近縫區(qū)的組織。
超高碳鋼在A1溫度附近均具有超塑性。
原因在于隨著碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大，通過(guò)適當(dāng)工藝處理進(jìn)一步細(xì)化晶粒，這種細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)可以有效阻礙超塑變形過(guò)程中基體組織的長(zhǎng)大，故超高碳鋼的超塑性屬于細(xì)晶結(jié)構(gòu)超塑性。
首先是焊縫比較完整、平齊、外觀良好;其次發(fā)現(xiàn)垂直于焊縫方向有一條黑色區(qū)域。
初步分析，形成的原因如下：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度峰值達(dá)定為1100℃，實(shí)際溫度峰值波動(dòng)最大值為1106℃。
含碳量為1.58%的超高碳鋼為固相，故試樣端部不會(huì)被熔化，但此時(shí)又受到外力的擠壓，外觀上焊縫附近出現(xiàn)局部變形，內(nèi)部組織則在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生不均勻的變化，因此產(chǎn)生了與原始組織不同的黑色區(qū)域。
除了外力的作用，超高碳鋼本身所具有的超塑性也是成因之一。
進(jìn)一步分析，既然1106℃下超高碳鋼不處于熔化狀態(tài)，因此焊縫組織變化不大的黑色區(qū)域?yàn)槌咛间摰脑冀M織，而呈細(xì)帶狀的白色部分為被拉伸了的原始組織。
最終分析，焊接用的試樣為圓柱鋼錠，在焊接過(guò)程中，試樣被快速加熱到1106℃，由于材料本身具有散熱性，散熱效果由圓柱壁向軸心逐漸降低，致使由軸心向外壁產(chǎn)生一個(gè)逐漸降低的溫度梯度，當(dāng)外壁為1106℃時(shí)，內(nèi)部溫度會(huì)稍高一點(diǎn)，這也是3#試樣在預(yù)定峰值溫度為1200℃(實(shí)驗(yàn)峰值溫度為1301℃)時(shí)熔化燒損的原因。
正是這個(gè)因素，導(dǎo)致了試樣軸心部位的組織的流動(dòng)性比外部的好，在頂鍛焊接時(shí)加入了一個(gè)頂鍛力，在力的作用下，又因?yàn)槌咛间摼叱苄�，因此原始組織被拉伸，呈現(xiàn)大量超細(xì)均勻分布的珠光體的帶狀分布，這也是導(dǎo)致顯微硬度在焊縫區(qū)明顯高于母材的直接原因。
6 結(jié)語(yǔ)
研究結(jié)果表明，最佳工藝參數(shù)組合是：加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s。
焊后其焊縫硬度可達(dá)到HV254.3左右，接頭硬度不低于母材，焊接熱影響區(qū)(HAZ)未出現(xiàn)軟化。
焊后拉伸強(qiáng)度達(dá)到184.349MPa。
焊縫熱影響區(qū)的組織為珠光體+鐵素體，其中珠光體為呈超細(xì)均勻分布的，硬度高于母材，鐵素體部分呈針狀分布。
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