焊接Fe3AIQ235熔合区微观结构表征.doc

焊接Fe3AI/Q235熔合区微观结构表征马海军；李亚江；U.A. Puchkov;王娟。山东省石靖路73号山东大学液态结构及其遗传材料重点实验室；俄罗斯莫斯科105005 鲍曼莫斯科国立技术大学公关ChinaMaterial科学系。文章信息： 关键词：文章历史： Fe3AI金属化合物2007年7月17日收到 焊接工艺2008年6月21在修订后的形式收到 微观结构2008年6月24日出版 裂纹摘要：对Fe3焊接区进行分析，以调查焊接材料金属化合物的组织微观特征。结果表明由于，等金属作为填充物从而获得了无裂纹的焊缝区。由于铝，镍，锰，铬元素在熔合区附近的剧烈波动，产生了焊接区的微观结构不同的形态。鱼骨状结构的Q235钢侧熔合区中是铁（铬，铝，镍）固溶体组成。焊缝断口处的的剪切强度达到了.，断口的断裂形式主要是穿晶断裂且沿1 1 面向110面发生。并判定断口晶面的结构模式和其中铁的相位关系，确定上贝氏体在焊缝中的成分及焊缝区组织形态的变化。 爱思维尔 版权所有 2008介绍在CON传统紊乱中,不同类的金属材料具有不同的原子排列。低于熔点（Tm）或关键订购温度（Tc）不同的原子倾向于占据特定的晶格网站形成超晶格结构 1-3 。Fe3Al具有导电、导磁和耐腐蚀的性能。它由铝、铁元素构成，所以具有低成本和低密度的特点。在低于600的温度下其强度没有太大的变化，因此它是常用的高温结构材料 4-7 。在社会发展中，有些铁结构在关键的时候应用Fe3Al焊接。然而，Fe3Al焊接时容易产生裂纹810，尤其是对传统的焊缝熔焊，裂纹是结构材料工程应用中的主要障碍。在我们以前研究的一些铬镍合金系列cr18 - NI8 、 Cr18 - Ni13 、 Cr25 - Ni13 Cr25-Ni20 ，具有优良的应用于焊接材料抗裂性能。并且在室温中Cr25 - Ni13合金的焊接容易获得光滑、无裂纹的融合区。因此，Cr25 - Ni13合金作为钨极惰性气体电弧焊接（氩弧焊）为Fe3Al Q235钢在这篇文章中的填充材料，以调查的焊接结构的性能。由对Fe3Al/Q235焊接区微观特征、元素分布、断裂特性和精细结构进行研究，从而为Fe 3 Al金属间化合物作为工程材料的应用提供了一个重要的实验和理论依据。实验性在测试中使用的材料是Fe3Al金属间化合物板和Cr25 - Ni13合金丝。Fe3Al金属熔化的真空感应炉和制作成板热轧技术，其成分和热物理性质的关系如表1所示。Q235钢和Cr25 - Ni13合金的成分和力学性能如表2所示。焊前通过机械和化学的方法去除Fe3 Al和Q235钢表面氧化膜和污垢。Fe3Al金属和Q235钢在室温下焊接采用氩弧焊等方；测试设备为ZX69 -150交直流可控硅整流弧焊机；用线切割法得到Fe3Al/Q235接头，切成大小为10毫米10毫米8毫米。在测试中使用的焊接参数为：焊接电流90 ，电弧电压28-32伏，氩气流量L最小-1 ，焊接速度4.0-5.2厘米min-1的，如表3所示。Fe3Al/Q235接头焊后，制备成金相样品，然后由盐酸和硝酸溶（3:1）溶液腐蚀。焊接区的微观组织和断口形貌用尼康XFN-ASIA -IIA的金相显微镜和JXA- 840扫描电子显微镜（扫描电镜）观察并分析。用JXA- 880R电子探针分析仪（EPMA ） （能量色散谱（ EDS ）附件）和H- 800透射电子显微镜（TEM） ，分别通过该元素的分布和精细结构进行了测定。H. Ma et al. /材料化学与物理112 （ 2008） 810-815表Fe3Al金属间化合物的成分和热物理性质成分（Wt%）FeAICuNbZrBMnCe81.0216.820.780.630.280.010.10.15热物理性质，化学性质结构有序的临界温度（c）杨氏弹性模量（GPA）熔点（c）热膨胀系数（ 10-6K- 1 ）密度（g cm3）拉伸强度（MPa）伸长率（ ）硬度HRCDO3540140154011.56.724552293结果与讨论3.1焊接区的微观结构Fe3Al金属焊接性较差，因此Fe3Al金属侧熔合区是整个焊接结构脆弱的地区。可以看出，在图1A中 ， Fe3Al为基体金属和Cr25 - Ni13合金作为焊缝填充金属，焊接结构中不开裂的地方发生在Fe3Al金属边融合区。由冷却速度和本地合金元素的波动影响 ， Fe3Al金属侧熔合区的显微组织由奥氏体（A）和不同形态的铁素体组成如图（六）所示。A板的平行排列与熔合线的角度大致为和50-70。一个板块的传播方向表示最大温度梯度凝固的方向。其中的一个板块，在Q235钢侧的焊接热循环的影响下融合区焊缝金属颗粒很粗，见图1b。由于合金元素的熔合区附近的过热导致浓度波动剧烈，所以共晶结构分布像一个粗的鱼骨。当单相一铁氧体沉淀从熔池凝固时，Cr25 - Ni13合金被用来作为填充金属。 铁素体相变奥氏体以及为奥氏体E铁氧体发生继续。在室温下的焊缝矩阵是奥氏体（A）在焊缝中和共析铁素体（ PF ）降水沿线的A晶界形成了亲共析铁素体（ PF ）网。上贝氏体（ UB ）从A晶界和侧方扩展到一个谷物沉淀。一个颗粒内部的一些下贝氏体（LB）分布见图。 2A。顶端焊缝的微观结构与中间焊缝类似，由于冷却速度更快成典型的羽毛状分布 见图 2B。3.2熔合区附近的元素分布如上所述，熔合区附近的显微组织影响较大的合金元素的分布。图3A表明Fe3Al/Q235联合Fe3Al金属边熔合区附近的散射图像。焊缝区、熔合区和Fe3Al金属基体由于材料不同它们之间具有明显的过渡区。焊缝区的焊逢纹理细小紧密，其组成结构类似脚趾垂直与Fe3Al金属熔合区，表明合金元素的熔合区附近的波动和分流。通过电子探针测量铝，铁，镍，铬的分布，如图3 B所示。由此可以看出，铝，镍和铬的波动严重，尤其是在融合区。在Fe3Al金属基材中铝的含量远高于铁，而铁则是分布在一个相对稳定的条件下。这表明，铝有较大的扩散系数，并能够在较高温度下扩散。Fe3Al金属铝原子的损失，促进Fe3Al金属间相形成了有序无序的B2或DO3结构。Q235钢侧熔合区的散射图像如图4 A 。由此可以看出，融合区的微观结构和焊缝是类似的，它们之间没有明显的过渡地带。与Fe3Al金属边融合区的焊缝纹理比较短、小。图4B表明，融合区的铁含量变化不大，镍、铬浓度下降。冷却速度快和锰、镍、铬元素的剧烈波动导致合金元素的元素分布不均匀。锰、镍元素促进了奥氏体的形成，铬促进了铁素体的形成，这是众所周知的。微观结构的不平衡，对 Q235钢侧熔合区附近结构的影响如图所1B示。为了进一步确定在Q235钢侧熔合区共晶结构，实验中我们用EDS来确定其组成图和结果如 表5和表4 。由此可见，共晶结构主要由铁 5.14 ，铬 3.55，铝2.38，镍87.88组成。表3 Fe3Al/Q235联合测试中使用的焊接参数焊接方法填充合金焊接参数电流（A）电压（V）速度（厘米分钟， 1 ）速度（厘米分钟1 ）氩气流量（ L最小1 ）TIGCr25Ni139028324.05.2 7表2Q235钢和Cr25 - Ni13合金的成分和力学性能（质量分数， ）抗拉强度/ MP元素CSiCrMnNiSMoPQ235 Cr25Ni13 0.120.200.150.30 0.90 -2.20-2.500.30-0.70,0.52.5-12.0-14.00.045% -0.750.045-450.6550 H. Ma et al. /材料化学与物理112 （ 2008） 810-815 图1。熔合区的显微组织： （一） Fe3Al金属侧及（b） Q235的一面。 图2。焊缝的显微组织3.3在Fe3Al/Q235焊接接头断裂特性剪切强度和断裂形态可以反映焊缝的机械性能。 Fe3Al/Q235联合剪切试验表明，断裂发生在Fe3Al金属热影响区（HAZ） ，达到533.33 MPa的剪切强度。 Fe3Al金属边的断裂面，主要是穿断裂层的分裂步骤组成。裂解步骤45 方向的剪切力， 发现如图 6 A 。据了解， Fe3Al金属间化合物的主要支路系统111 110 。因此，可能发生骨折沿1 1 110面的方向。分布图的卵裂steps.Further意见和明显的河流模式。 6 B表示的分裂步骤，包括微步，寻找像鱼鳞。Fe3Al金属间化合物是已知的脆性和经常穿卵裂破裂模式。有人指出，焊接热循环没有改变这种材料的断裂模式。骨折端对Q235表面主要是沿晶断裂模式，见图。 7A。合金元素的偏析在晶界形成降水，弱的晶界诱发晶故障。这表明，降水增强劈裂强度，但降低Q235侧骨折表面的晶间强度。也有一些准解理骨折，在Q235钢侧断口如图。 7B。3.4焊接区的精细结构为了更好的观察Fe3Al/Q235焊接区的精细结构，分别由TEM和选择区电子衍射分析削减一些薄箔Fe3Al金属侧熔合区、焊缝和热影响区Fe3Al金属。熔合区的精细结构，获得了使用A= 1 1 1 和B = 2 2 1 复合反射图8。图3。元素Fe3Al金属侧熔合区附近分布： （一）散射图像及（b）元素的分布。 图4。元素Q235钢侧熔合区附近分布： （一）散射图像及（b）元素的分布。表4降水Q235方融合区附近的组成元素SPECT 。类型元素（ ）原子（）.图5。 EDS分析，鱼骨状的沉淀。图6。 Fe3Al金属边的断裂模式： （一）穿晶断裂和（b）倍率的分裂步骤。H. Ma et al./材料化学与物理112 （ 2008） 810-815图7。 Q235的一侧断裂模式： （一）沿晶断裂和（b）准解理断裂图8。 ： （一） Fe3Al金属侧熔合区附近及（b）在焊接熔合区和焊缝的精细结构。E相内分布位置的密度较高，但较低的阶段容易形成错位。晶格方向 和阶段（ 1 0 ） / / （1 1 ） 。这表明 相的形核和长大沿（1 1 ）阶段的习惯平原。这些阶段分别组成分的晶体结构，无脆性相和微观缺陷，如孔隙和裂缝。 Fe3Al金属侧熔合区的优良性能可以得到保证。分布在E阶段一些硬质合金夹层。精细结构的焊缝所示。 8 B 。选定区域的衍射轴是Be = 111 。 E铁氧体是在板条或透镜状模式，宽度约0.5米，由母亲相分离。 在并行和建造阶段的顺利过渡界面分布的阶段。这表明，沿一定阶段的习惯平原E成长阶段。在C阶段中的溶解度比，相这表明，沿一定阶段的习惯平原E成长阶段。在C阶段中的溶解度比，相。因此，当E +铁x 焊接凝固过程中发生的反应，过饱和铁硬质合金隔离，并保留 阶段，其中，构成了典型的LB 。与瑞银相比，磅是精细与高密度位错。因此，在LB不仅有较高的强度和硬度，但也有良好的韧性和良好的脆性。的LB的存在可以提高Fe3A1/Q235联合的抗裂性能。在此区域也观察一些 阶段。图9。结构的Fe3 A1 HAZ的结构： （一） DO3之Fe3Al金属和B2 FeAl和（二）混乱的情况， FeAl金属。H. Ma et al/材料化学与物理112 （ 2008） 810-815Fe-AI 化合物中存在三种不同类型，根据温度的晶体结构：一个有序的DO3型结构的Fe3Al金属约550A ， B2型550之间的一个有序的结构Fe3Al金属750A -| ，和无序以下A2结构铁（铝）在较高的温度。之间的转换，A2，B2和DO3结构Fe3Al金属焊接性上有显着的影响。熔焊条件下主要发生在Fe3Al金属热转换的影响区（HAZ ）。图显微提出。 9A获得了使用1 DO3之Fe3Al金属间化合物 3 3 2 和B2 Fe3Al金属1 1 1 复合反射。与对面的回地面的颜色3和B2结构具有明显的交替模式。 B2约0.1 M宽平行排列结构带的形成与位错密度较高的区域。虽然DO3之结构带，发生在较低的位错密度区， “2米，宽分别为0.6A 。焊快速冷却的条件下，晶体缺陷，如空缺没有完全被淘汰的时间，并继续UAL缺陷形成沿Fe3Al金属1 1 1 方向。位错，因此建造的混乱下滑的不断缺陷。 Al原子的运动被封锁的缺陷产生定向铝隔离带，进一步形成B2结构的Fe3Al金属铝浓度较高较充足. DO3结构Fe3Al金属转化从A2结构铁（铝）被保留到室温。 Fe3Al金属高密度位错的存在，甚至脱位集群（ DC ），验证了图。 9B，使用Fe3Al金属1 1 反射衍射。4. 结论（1） Fe3Al金属侧熔合区的显微结构包括方向一板和块号的一个板块在50A角度 70A- |融合地带。有一些粗如鱼骨组成的共晶结构 - 铁（Cr ） ，-铁（AI）和-铁（Ni）固溶分布在Q235钢侧熔合区。答：有些PF ， UB和分布在晶粒边界和一个室内的LB Fe3Al/Q235焊接矩阵。合适的焊接参数为后续： 90一，电弧电压28A “32 V时，氩气流量min1大号7 ，焊接速度4.0A欧元”5.2厘米每分钟。（2）电子探针分析表明，铝，镍，锰，铬等合金元素在熔合区附近的剧烈波动。焊缝中的Al含量高于Fe3Al金属基材。 Fe3Al金属侧熔合区附近，焊缝为细小和紧凑纹理，融合区的脚趾，像结构组成。 Q235方融合区附近的微观结构是类似的焊缝，有它们之间没有明显的转录位置区。脚趾般的纹理，短，小与Fe3Al金属侧熔合区.（3） Fe3Al/Q235联合剪切断裂发生在Fe3Al金属热影响区沿 1 1 Fe3Al金属110 面的方向。达到533.33 MPa的剪切强度。 Fe3Al金属边，断口主要是穿cleav年龄层的分裂步骤组成，剪切力的方向与天使，45 。裂解步骤鱼鳞CON - sisted的像微型步骤。在晶界形成的降水对Q235侧骨折发生在晶和准解理模式。（4）TEM分析表明，在E和受体立方米阶段是（ 1 1 0 ） / / （ 1 1 1 ） 立方米阶段的形核和长大了沿（ 1 1 1 ）之间的晶格取向受体立方米受体Fe3Al融合立方米阶段的习惯，纯区。 E相内位错密度较高，但较低的-相。的LB中， 0.5米宽板条CON - sisted的E铁氧体和室内铁.DO3和交替结合B2的结构.The0.1 米，宽B2结构带平行排列，形成在区域更高焊接脱位.DO3结构带0.6A “ ，宽2米，在较低的位错密度区形成。致谢感谢该项目的ENCE科技开发项目和山东省（ 2007GG10004016 ）和山东省自然科学基金（ Y2007F54 ）对该论文中试验和技术等方面的热情赞助。参考文献 1 G.H.公平， J.V. Wood,，铁，铝金属间化合物的机械合金中DO3之组成范围，研究母校。 SCI。 29 （7） （1994 ） 1935年至1939年。2 卫生署金， B.康托，Fe -Al合金结构快速凝固及分解行为，研究母校。 SCI。 29 （1994） 189