楊 峰 石端虎 周新生

2205雙相不銹鋼摩擦焊接頭顯微組織及微區(qū)蠕變性能

楊 峰 石端虎 周新生

(徐州工程學(xué)院江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點(diǎn)建設(shè)實驗室，江蘇徐州221018)

對2205不銹鋼進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接，通過光學(xué)顯微鏡觀察接頭顯微組織，利用納米壓痕儀對接頭組織中鐵素體(δ相)和奧氏體(γ相)進(jìn)行硬度測試及壓痕蠕變行為分析。結(jié)果表明，摩擦焊接頭由塑性變形區(qū)及焊合區(qū)構(gòu)成，變形區(qū)內(nèi)γ相與δ相相比，因塑性流動而硬化的現(xiàn)象更為顯著，且具有更高的納米硬度和彈性模量;基于保載過程中應(yīng)變率和硬度對數(shù)關(guān)系，經(jīng)線性擬合得到蠕變應(yīng)力指數(shù)n，能夠較好地反映δ相和γ相的蠕變特性，而且納米硬度值越高，蠕變應(yīng)力指數(shù)越小。

2205雙相不銹鋼 摩擦焊 納米壓痕 蠕變

0 序 言

摩擦焊是利用金屬接觸端面之間的相對運(yùn)動，通過施加軸向壓力與扭矩，產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱，使接觸面及其附近區(qū)域發(fā)生塑性流動，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮晡⒂^塑性變形，然后迅速頂鍛而完成焊接的壓焊方法［1－2］。與熔焊方法不同，摩擦焊接過程中，接觸表面發(fā)生剪切、摩擦、相變等現(xiàn)象，并伴隨著熱的傳導(dǎo)和擴(kuò)散作用，其焊接質(zhì)量主要取決于母材性質(zhì)、摩擦速度、頂鍛壓力、焊接時間等因素。

目前，針對2205雙相不銹鋼焊接研究主要集中在熔焊過程中σ相的析出對材料力學(xué)性能的影響、焊接接頭耐腐蝕性等方面，對相及組織微區(qū)力學(xué)性能的研究較少［3］。對于以γ相和δ相為主要組織的2205雙相不銹鋼，其宏觀力學(xué)性能由顯微組織中各相的力學(xué)性能及分布決定。傳統(tǒng)的顯微硬度測試方法難以精確測量單個晶粒的硬度，而納米壓痕技術(shù)在表征多相鋼和超細(xì)晶粒鋼顯微力學(xué)性能等方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢［4］。文中利用納米壓痕儀對2205不銹鋼摩擦焊接頭中的γ相和δ相進(jìn)行納米壓痕測試，獲得壓痕加載－位移曲線，探尋基于微區(qū)壓痕技術(shù)表征γ相和δ相蠕變行為的可行性。

1 試驗材料及方法

采用連續(xù)驅(qū)動C25型摩擦焊機(jī)，對試樣尺寸為φ10 mm×90 mm和φ20 mm×30 mm的棒狀2205不銹鋼進(jìn)行摩擦焊。通過Oxford Master Pro型直讀光譜儀測定鋼的主要元素含量，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)2205鋼的物理性能，選取轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間、頂鍛壓力等工藝參數(shù)進(jìn)行摩擦焊。其中，轉(zhuǎn)速為1 457 r/min，摩擦壓力為48 MPa，頂鍛壓力為58 MPa，摩擦?xí)r間為10 s。

表1 雙相不銹鋼2205鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

沿焊縫界面垂直方向進(jìn)行截切，對截面進(jìn)行研磨拋光，采用10%草酸溶液進(jìn)行電解侵蝕(電壓為6 V、侵蝕時間為20 s)，并觀察γ相和δ相的分布。利用Hysitron TriboIndenter納米壓痕儀(Berkovich金剛石壓頭)，對接頭焊合區(qū)、塑性變形區(qū)及母材γ相和δ相進(jìn)行納米壓入試驗，獲得加載、保載、卸載過程中的載荷－位移曲線，并測得其納米硬度和彈性模量。

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 摩擦焊接頭顯微組織

圖1為2205不銹鋼摩擦焊接頭組織，其中，圖1a～1d分別為摩擦焊接頭、母材、焊合區(qū)和塑性變形區(qū)的微觀組織。由圖1b可見，浮凸在基體上的白色“島狀”結(jié)構(gòu)為奧氏體(γ相)，基底灰色部分為鐵素體(δ相)，奧氏體和鐵素體沿扎制方向呈條狀交織，且不規(guī)則分布，兩相所占的體積分?jǐn)?shù)相近。如圖1c所示，焊合區(qū)是摩擦焊過程中溫度最高、變形程度最大的區(qū)域，也是摩擦熱主要作用區(qū)域，在焊接熱與扭轉(zhuǎn)力的作用下，焊合區(qū)金屬發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形與流動、動態(tài)再結(jié)晶等物理冶金過程［5］，其組織為明顯的再結(jié)晶等軸晶粒，晶粒大小約為5 μm，遠(yuǎn)小于母材中晶粒的尺寸。如圖1d所示，塑性變形區(qū)域有著明顯的分界線，母材中被拉伸的晶粒沿著分界線呈流線形分布，晶粒沿界面方向被拉長呈圓弧狀，表明該區(qū)域的金屬產(chǎn)生了較大的扭轉(zhuǎn)變形，隨著離界面距離的增大，弧形帶狀晶粒的寬度增大，離界面更遠(yuǎn)處，弧形帶特征不明顯。

2．2 焊接接頭微區(qū)力學(xué)性能

為進(jìn)一步了解摩擦焊區(qū)域γ相和δ相的微觀力學(xué)性能，對其進(jìn)行納米硬度和彈性模量測量，測試分別選取接頭焊合區(qū)、變形區(qū)和母材位置，壓痕分散在不同奧氏體、鐵素體晶粒內(nèi)部。圖2為在2 000 μN(yùn)載荷下，γ相和δ相區(qū)域的載荷－位移曲線，測試所得γ相和δ相彈性模量和納米壓痕硬度如表2所示。可以看出，焊合區(qū)及塑性變形區(qū)γ相的彈性模量和硬度分別為225 GPa，6．2 GPa和179 GPa，5．6 GPa，明顯高于母材區(qū)的 γ 相彈性模量和硬度134 GPa，4．4 GPa;而δ相彈性模量及硬度范圍變化相對較窄，塑性變形區(qū)略低于其他位置。

圖1 2205不銹鋼摩擦焊接頭顯微組織

圖2 2 000 μN(yùn)載荷下γ和δ微區(qū)載荷－位移曲線

表2 焊接接頭微區(qū)γ相和δ相彈性模量及硬度

2．3 γ相和δ相的蠕變性能

γ相和δ相壓痕試驗中，在最大載荷2 000 μN(yùn)保持載荷不變，可以獲得壓入位移增量隨保持時間的變化曲線，即蠕變曲線［6］。該階段載荷不隨時間變化，但位移隨時間延長逐漸增大，位移的增大速度逐漸變緩，這一壓入深度隨時間的變化關(guān)系為表征材料的蠕變性能提供可能，文獻(xiàn)［7］在研究銅膜蠕變問題中定義了硬度H和應(yīng)變率ε的求解關(guān)系，應(yīng)力指數(shù)的求解公式如下式:

式中，ε表示應(yīng)變率;σ表示應(yīng)力;C為常數(shù);n為應(yīng)力指數(shù);Q為擴(kuò)散激活能;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度。不同的壓入深度，壓頭與金屬相的接觸面積存在一個相似因子，因此，ε和深度h的關(guān)系可以定義為:

考慮三棱錐型壓頭壓入金屬的接觸面積A=24．56 h2，將方程兩邊的對應(yīng)力σ和應(yīng)變速率ε取對數(shù)即可得到蠕變應(yīng)力指數(shù)n關(guān)系:

通過曲線擬合，lnσ和lnε之間存在線性關(guān)系，其中σ可以用測得載荷和壓痕面積比值來表示。圖3為接頭不同微區(qū)通過對數(shù)擬合得到的γ相和δ相蠕變應(yīng)力指數(shù)。由圖3可以看出，焊合區(qū)γ相蠕變應(yīng)力指數(shù)(n=73)較母材區(qū)(n=173)及塑性變形區(qū)(n=127)有明顯降低，而δ相蠕變應(yīng)力指數(shù)則相對穩(wěn)定，n值均在103～146之間。γ相和δ相的應(yīng)力指數(shù)與壓痕試驗中硬度存在一定聯(lián)系，當(dāng)硬度較大時，應(yīng)力指數(shù)較小，而當(dāng)硬度較小時，應(yīng)力指數(shù)則較大。蠕變深度變化與γ相和δ相的硬度變化相關(guān)，硬度越大，蠕變深度越小，即抵抗蠕變的能力越強(qiáng)，這與納米壓痕硬度測試結(jié)果相吻合。

圖3 γ相和δ相蠕變應(yīng)力指數(shù)

微區(qū)蠕變的本質(zhì)是由該位置γ相和δ相空位擴(kuò)散或位錯增殖、運(yùn)動引起的［8］。對于2205雙相不銹鋼而言，室溫時空位擴(kuò)散很慢，跟不上蠕變應(yīng)變，故雙相不銹鋼中的γ相和δ相室溫蠕變是由位錯的增殖和運(yùn)動所控制。摩擦焊過程中的摩擦、扭轉(zhuǎn)作用促使γ相的位錯增殖，從而促進(jìn)納米硬度升高。而對于體心立方的δ相而言，摩擦焊熱變形時溫度和外力聯(lián)合作用下發(fā)生動態(tài)回復(fù)，由于其層錯能高，交滑移容易進(jìn)行，發(fā)生加工硬化同時動態(tài)回復(fù)使其出現(xiàn)軟化［9－10］。硬化及軟化兩個相反的過程使其蠕變應(yīng)力指數(shù)n變化不顯著。

3 結(jié) 論

(1)2205雙相不銹鋼摩擦焊接頭由焊合區(qū)和塑性變形區(qū)構(gòu)成，γ相在焊合區(qū)及塑性變形區(qū)的彈性模量和硬度高于母材區(qū);

(2)γ相和δ相的蠕變指數(shù)n與壓痕試驗中硬度相關(guān)，當(dāng)硬度較大時，應(yīng)力敏感指數(shù)則較小，即抵抗蠕變的能力較強(qiáng)。

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TG453．9

2016－06－21

江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點(diǎn)建設(shè)試驗室開放課題(JSKLEDC201412)

楊 峰，1980年出生，講師。主要從事材料焊接及失效分析工作。