（材料加工工程专业论文）冷焊态高碳合金钢型熔敷金属无孪晶强化及增韧.pdf

摘要 旦 旦 旦 目 典 口 . . . . . . 圈 . 里 口 里 口 里 里 里 里 里 里 里 里 里 里 里 里 里 里 巴三巴 日 巴 巴 曰 曰曰曰 已日口 目里里 里里 里里里 组目口 里里里 摘要 迄今为止，高碳合金钢材料的焊接理论仍未完善。 随着全球工业产值的飞速增长，作为工具、模具材料，高碳合金钢 ( 碳当 量 1 . 5 % 2 .5 %，硬度 h r c 5 5 - -6 5 )用量空前扩大。而工具的昂贵价格和高附加 值，迫切地提出用焊接的方法延长其使用寿命的一系列研究课题。 高碳合金钢母材的焊接主要是满足工具恢复尺寸、修复再生、预制强化层 等工程要求。目 前， 最普遍采用的是c - c r - w- m。 系高碳合金钢型熔敷金属。为 了保证抗裂性，采用 3 5 05 0 0 0c 高温预热焊或焊后热处理等工艺措施作为补救 方法。美国mg公司的m g 7 0 0 和国产d 3 1 7 a堆焊焊条的成分及其对热焊的附 加工艺要求基本代表了国内外当前的这一现状。 在理论或学术研究领域， 作为高碳c - c r - w- mo 系熔敷金属基本强化相的孪 晶马氏 体成为国内外研究的主题内 容， 在韧性研究方面， 则把残余奥氏 体( a r ) 视为韧化相。孪晶马氏体的固溶强化使熔敷金属的硬度高、脆性大，a r 的增韧 作用有很大局限性。由于对高碳合金钢焊接的一系列研究多处于不定论、不成 熟阶段，致使目 前教科书、工具书上相关内容仍为空白。 经大量试验及筛选， 本文选定高碳的c - n b - t i - v为本文研究的基本合金系， 这一新合金系在熔敷金属的强化方式、碳的分配与控制、显微组织的可控性等 诸方面均有利于创新性试验和分析。 以药皮焊条为载体过渡合金元素，以便能够便捷地调配大量的试验方案。 以电 弧冷焊为基本手段制备试样。 采用s e m, t e m, e p m a , x射线衍射等分 析方法对c - t i , c - n b , c - v , c - t i - v , c - n b - t i - v系的熔敷金属进行了 研究。 主 要研究内容如下: ( 1 ) 碳化物形成热力学计算 对合金元素的活度相互作用系数进行处理，编制了计算机 v i s u a l b a s i c程 序， 利用高温热力学参数对碳化物标准摩尔生成自由能及多元合金f e 基熔体中 碳化物生成条件进行了计算。 z r c , t i c , n b c在温度达3 0 0 0 k以上时仍可由纯金属与石墨反应生成， 其 中z r c形成倾向最大; v c在2 2 0 0 - 3 0 0 0 k温度范围内也满足热力学条件， 但热 力学驱动力较小。 在 f e 基熔体中，t i c , n b c比z r c更易于由液态金属中析出，n b , t i 在 山 东 大 学 博 士 学 位 论 文 8 0 0 以 上几乎全部形成碳化物; 而 v c的液态析出 需要极高的浓度条件，但 v c在8 0 0 以 下的二次析出作用明显。 ( 2 ) 第二相强化及基体贫碳理论 熔敷金属中的第二相是纯碳化物与以氧化物为核心的复合碳化物的总称。 通过对熔渣的x射线衍射及熔滴和熔敷金属精细结构的研究，结合热力学 分析提出了 第二相的形成、 演变机构。 在电弧气氛中原位反应形成 ( 主要是t i , n b 或z r 的碳化物) 、 在熔滴中合金偏聚集团内形成、 熔池液相冷却及结晶过程 中形成是第二相形成的基本机制。 改变t i , n b , c的含量及其比 例， 可以改变第二相形成过程中 不同阶段的 反应程度，由 此控制第二相的分布、形态及数量。碳及碳化物形成元素的含量 满足定比碳规则时，可形成弥散分布的高硬度第二相，实现第二相强化。 n b 和t i 影响c及v , c r 的分配规律。 t i , n b 与c结合形成碳化物， 导致 基体的贫碳，抑制了c对基体的过度固溶强化;另外，t i c , n b c的形成抑制 了v , c r 碳化物的网状析出， v , c r 固 溶于基体保证了 熔敷金属的基本强度。 ( 3 ) 基体组织无孪晶化增韧 大量弥散第二相的早期形成，一方面为金属结晶提供形核核心、细化了初 生奥氏 体晶粒，另一方面，使高温奥氏体贫碳而成为低碳合金钢成分，从而避 免了高碳的孪晶马氏体，并降低了残余奥氏体含量。通过调节t i , n b , c的比 例，可以控制奥氏体贫碳程度，由此获得铁素体、低碳马氏体等不同的基体组 织，实现基体组织的可控性。 高碳合金钢型熔敷金属消除孪晶、 获得“ 低碳马氏体十 少量薄膜残余奥氏 体 + 弥散高硬度第二相”组织的适宜成分为:( 0 . 8 -1 . 0 ) c ( 0 . 3 -0 . 6 5 ) t i , ( 1 一 1 . 8 ) n 6 , ( 1 . 4 - 2 . 3 ) v , ( 1 . 3 一1 . 5 ) c r , (1 . 3 一1 . 5 ) n i , ( 0 . 1 一0 . 3 ) m o , ( 0 . 0 1 5 一 0 . 0 5 ) r e . ( 4 ) 基体与第二相的界面关系 经大量高倍电 镜观察及s a d标定分析，发现碳化物第二相与基体间的界面 不存在共格关系，其根本原因是碳化物相与基体晶格常数的差异较大。但是碳 化物一 基体界面平直、 洁净， 在放大1 0 万倍以上进行t e m分析仍未发现氧化物 夹 层， 并 且界 面 两 侧的晶 体 具 有 特定 的 位向 关 系， 即 : ( 0 0 2 ) . .f e/ / ( 2 2 0 ) (n b t i)c , 或 ( o i l ) 。 一/h ( 0 1 1 ) (n b t i)c 。 平 行的 位向 关 系 证 明 了 基 体 与 碳 化 物良 好 的 界 面 结 合， 这对于防止第二相在磨损过程中的过早脱落至关重要，是实现第二相强化 的重要保证。 摘要 . . 巴 巴 里 里 里 里 里 里巴 里 巴 里 巴 里 ，. ， 粤 巴 里 里 里 里 目 里 里 组 . 口 口 口 口 . 口 口 里 里 里 巴 里 里 里 里 里 ， 互巴 里 里 巴 里 里 里 巴巴巴 里 里 里 里 ( s ) 力学性能验证 冲击试验、断口分析表明，具有 “ 低碳马氏体十 高硬弥散第二相+ 少量薄膜 残余奥氏体” 组织的熔敷金属实现了焊态增韧。 其良 好的韧性是第二相弥散化、 组织细化、基体贫碳及无孪晶化的综合结果。 耐磨性试验表明，综合增韧的 c - n b - t i - v系冷焊态熔敷金属的耐磨性优于 美国的c - c r - w- m。系熔敷金属m g 7 0 0 。这与高硬度的第二相、强韧的低碳马 氏体基体及其两者良 好的界面结合密切相关。 综上所述， 碳及合金元素满足定比碳规则时， c - n b 一 t i - v系熔敷金属可实 现弥散第二相强化，能有效控制碳的分配，实现基体贫碳、无孪晶化，并且第 二相与基体界面结合良好。 利用“ 强韧基体+ 高硬度弥散第二相” 对冷焊态熔敷 金属进行强韧化， 缓解了传统的“ 硬脆孪晶马氏体十 集聚态碳化物十 残余奥氏体” 型熔敷金属所无法克服的高硬度与高韧性的矛盾，这是本文高碳合金钢冷焊理 论的重要内容。 关键词:高碳合金钢，熔敷金属，冷焊，增韧，强化 山 东 大 学 博 士 学 位 论 文 abs t ract u p t o n o w , t h e w e l d i n g t h e o r y f o r h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l h a s n o t b e e n w e l l e s t a b l i s h e d . wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e m a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y i n t h e w o r l d , t h e c o n s u m p t i o n o f h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l , w h i c h i s w i d e ly u s e d t o m a k e t o o l s a n d d i e s , h a s b e e n i n c r e a s i n g m o r e r a p i d ly t h a n e v e r b e f o r e . b u t b e c a u s e o f t h e h i g h m a n u f a c t u r i n g c o s t a n d h i g h d a m a g i n g r a t e o f t h e h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l t o o l s , i t i s u r g e n t t o i n t r o d u c e a n e ff e c t i v e w e l d in g t e c h n o l o g y t o p r o l o n g t h e i r s e r v i c i n g t i m e . a t p r e s e n t , t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h h i g h c a r b o n c r - w- mo a l l o y s y s t e m i s g e n e r a l l y u s e d t o m e e t t h e d e m a n d f o r r e p a i r i n g o r s u r f a c e h a r d e n i n g o f h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l t o o l s . d u e t o t h e b r i t t l e n e s s o f t h i s k i n d o f d e p o s i t e d m e t a l , t h e p re h e a t a t a b o u t 3 5 0 - 5 0 0 0c a n d t h e p o s t - w e l d i n g h e a t t r e a t m e n t a r e n e c e s s a r y t o i m p r o v e t h e c r a c k i n g r e s i s t a n c e . t h e c o m p o s it i o n s a n d r e q u i re m e n t s f o r h o t w e l d i n g o f a m e r i c a n p r o d u c t m6 7 0 0 a n d h o m e m a d e d 3 1 7 a t y p e c o a t e d e l e c t r o d e s r e p r e s e n t t h e c u r r e n t s t a t e i n t h e w e l d i n g f i e l d o f h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l i n t h e a c a d e m i c f i e l d , m u c h a t t e n t i o n w a s p a i d t o t w i n m a r t e n s i t e , w h i c h i s t h e e s s e n t i a l s t r e n g th e n i n g p h a s e o f t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h h i g h c a r b o n c r - w- m o a l l o y s y s t e m , a n d r e t a i n e d a u s t e n i t e w h i c h i s a t o u g h e n i n g p h a s e . s i n c e t w i n m a rt e n s i t e r e s u l t s i n t h e h i g h h a r d n e s s a n d b r i tt l e n e s s o f t h e d e p o s i t e d m e t a l , t h e e ff e c t o f a u s t e n i t e o n t o u g h n e s s i s r e s t r i c t e d . t h e c u r r e n t re s e a r c h o n t h e w e ld i n g o f h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l i s s t i l l u n s o p h i s t i c a t e d , t h e r e f o re l itt l e i n f o r m a t i o n a b o u t i t c a n b e f o u n d i n t e x t b o o k s a n d ma n u a l s . a ft e r p l e n t y o f t e n t a t i v e t e s t s , h i g h c a r b o n t i - n b - v a l l o y s y s t e m w a s f in a l l y s e le c t e d a s t h e b a s i c a l l o y s y s t e m o f t h e d e p o s i t e d m e t a l , w h i c h f a c i l i t a t e s m a k i n g c r e a t iv e d e s i g n w i t h r e s p e c t t o s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m , c o n t r o l l i n g o f c a r b o n d i s t r i b u t i o n a n d t h e mi c r o s t r u c t u r e e l e c t r o d e c o a t i n g w a s u s e d a s c a r r i e r o f a l l o y e l e m e n t s , s o t h a t t h e c o m p o s i t i o n o f t h e d e p o s i t e d m e t a l c o u l d b e a d j u s t e d c o n v e n i e n t l y . t h e s p e c i m e n s w e r e d e p o s it e d b y s h i e l d e d a r c c o l d w e l d i n g . b y m e a n s o f s e m, t e m, x - r a y d i ff r a c t i o n a n d e p m a , d i ff e r e n t k i n d s o f d e p o s i t e d m e t a l s w i t h c - t i , c - n b , c - v , c - t i - v a n d c - t i - n b - v vn abs t ract a l l o y s y s t e m w e r e i n v e s t i g a t e d r e s p e c t i v e l y . m a i n t o p i c s i n v o l v e d i n t h e r e s e a r c h we r e a s f o l l o ws : ( 1 ) t h e r m o d y n a m i c a n a l y s i s f o r t h e f o r m a t i o n o f c a r b i d e s w i t h d u l y p r o c e s s i n g t h e a c t i v i t y i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s a n d o t h e r t h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r s a t h i g h t e m p e r a t u r e , v i s u a l b as i c p r o g r a m w a s d e v e l o p e d t o c a l c u la t e t h e s t a n d a r d g i b b s fr e e e n e r g y a n d d e t e r m in e t h e f o r m i n g c o n d i t i o n o f c a r b i d e s i n f e - b a s e d s o l u t i o n s . z r c , t i c a n d n b c c o u l d p r e c ip i t a t e t h r o u g h i n - s i t u r e a c t i o n b e t w e e n p u r e m e t a l a n d g r a p h it e e v e n w h e n t h e t e m p e r a t u r e e x c e e d s 3 0 0 0 k , a n d z r c i s m o s t e a s y t o f o r m . a l t h o u g h t h e t h e r m o d y n a m i c c o n d i t i o n f o r t h e f o r m a t i o n o f v c a t 2 2 0 0 - 3 0 0 0 k c o u l d a l s o b e s a t i s f i e d , t h e t h e r m o d y n a m i c d r i v i n g f o r c e i s l o w . i n t h e m u lt i c o m p o n e n t f e - b as e d s o l u t i o n , t i c a n d n b c a r e a p t e r t o p r e c i p i t a t e fr o m l i q u i d s o l u t i o n t h a n z r c , a n d a l m o s t a l l t h e t i a n d n b a re c o m b i n e d w i t h c a r b o n i n t o c a r b i d e s a b o v e 8 0 0 0c . t h e f o r m a t io n o f v c i n l i q u i d s o l u t i o n r e q u i re s h i g h c o n c e n t r a t i o n o f v a n d c a r b o n , v c t e n d s t o p r e c i p i t a t e s e c o n d ly u n d e r 8 0 0 0c ( 2 ) s e c o n d p h a s e s t r e n g t h e n i n g t h e o r y a n d c a r b o n d e p l e t i o n i n s o l i d s o l u t i o n ma t r i x h e re t h e s e c o n d p h as e i n c l u d e s p u r e c a r b i d e s a n d c o m p l e x c a r b i d e s w h i c h n u c l e a t e d o n o x i d e s i n t h e d e p o s i t e d m e t a l . t h e f o r m i n g m e c h a n i s m o f t h e s e c o n d p h a s e i n t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h c - t i - n b - v a l l o y s y s t e m w e r e p r o p o s e d o n t h e b a s i s o f t h e x - r a y d i f fr a c t i o n p a tt e rn o f s l u g a n d t h e m i c r o s t r u c t u r e i n v e s t i g a t i o n o f t h e w e l d i n g d r o p l e t s a n d t h e d e p o s i t e d m e t a l . t h e f i r s t i s f o r m i n g t h r o u g h in - s i t u r e a c t i o n b e t w e e n c a r b o n a n d a l l o y e l e m e n t s in t h e w e l d i n g a r c c o n d i t i o n , a n d t h e n t h e p r o d u c i n g i n a l l o y c o n g r e g a t e d m i c r o - r e g i o n i n t h e w e l d i n g d r o p l e t s , a n d f i n a l l y t h e p r e c i p i t a t i n g fr o m t h e w e l d i n g p o o l d u r i n g c o o l i n g . b y a d j u s t i n g t h e c o n t e n t o f c , t i a n d n b , t h e d i s t r i b u t i o n , m o r p h o l o g y a n d q u a n t i t y o f t h e s e c o n d p h as e s c o u l d b e c o n t r o l l e d . i f t h e r a t i o b e t w e e n t h e c a r b i d e f o r m in g e l e m e n t s a n d t h e c a r b o n c o n t e n t w a s a p p r o x i m a t e t o t h e i d e a l c h e m i c a l r a t i o , m o r e d i s p e r s e d s e c o n d p h as e s c o u l d p r e c i p i t a t e , t h u s t h e s e c o n d p h as e s t r e n g t h e n i n g wa s ma x i ma t e d . t h e a l l o c a t i o n o f c a r b o n a n d a l l o y e l e m e n t s b e t w e e n t h e s e c o n d p h a s e a n d t h e 一 vl l l 山 东 大 学 博 士 学 位 论 文 m a t r i x c a n b e c o n t r o l l e d i n t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h c - t i - n b - v a l l o y s y s t e m . wi t h t h e i r s t r o n g c a r b i d e - f o r m i n g t e n d e n c y , t i a n d n b w e r e c o m b i n e d w i t h m o s t o f t h e c a r b o n i n t o c a r b i d e s , t h e n t h e s o l u t i o n s t r e n g th e n i n g e ff e c t o f c a r b o n w as l o w e re d . a d d i t i o n a l l y , t h e f o r m a t i o n o f t i c a n d n b c r e d u c e d t h e p r e c i p i t a t i o n o f c a r b i d e s o f v a n d c r , s o m o s t o f v a n d c r d i s s o lv e d i n t h e m a t r i x , w h i c h w a s n e c e s s a r y t o e n s u r e t h e s t r e n g t h o f t h e m a t r i x . ( 3 ) n o n - t w i n t o u g h e n i n g o f s o l i d s o lu t i o n m a t r ix t h e e a r l y f o r m a t i o n o f p le n t y o f t h e d i s p e r s e d s e c o n d p h a s e s i n l i q u i d n o t o n l y s u p p l i e d n u c l e a t i n g c o r e f o r a u s t e n it e a n d m a d e t h e m i c r o s t r u c t u r e f i n e r , b u t a l s o a v o i d e d t w i n m a r t e n s i t e a n d r e d u c e d t h e c o n t e n t o f r e t a i n e d a u s t e n i t e t h rou g h d e p l e t i n g c a r b o n i n t h e m a t r ix . b y a d j u s t i n g t h e r a t i o b e t w e e n t i , n b a n d c , t h e c a r b o n d e p l e t i n g d e g r e e o f t h e a u s t e n i t e c a n b e m o d i f i e d t o a c h i e v e d i ff e r e n t k i n d s o f s o l i d s o l u t i o n m a t r i x , s u c h a s f e r r i t e , l o w c a r b o n m a r t e n s i t e a n d s o o n . t h e s u i t a b l e c o m p o s it i o n o f t h e d e p o s it e d m e t a l t o g e t l o w c a r b o n m a rt e n s i t e m a t r i x w i t h a l it t l e f i l m - s h a p e d r e t a i n e d a u s t e n i t e a n d t h e d i s p e r s e d s e c o n d p h a s e s w as p r e s e n t e d a s f o l l o w i n g : ( 0 .8 一1 .0 ) c , ( 0 . 3 -0 . 6 5 ) t i , ( 1 一1 .8 ) n b , ( 1 .4 一2 . 3 ) v , ( 1 .3 一1 .5 ) c r , (1 . 3 一 1 . 5 ) n i , ( 0 . 1 -0 . 3 ) mo , ( 0 .0 1 5 -0 .0 5 ) r e ( 4 ) i n t e r f a c e b e t w e e n m a t r i x a n d s e c o n d p h a s e t h e r e s u l t s o f t e m a n d s ad i n d i c a t e d t h a t n o c o h e r e n t i n t e r f a c e e x i s t s b e t w e e n t h e m a t r i x a n d t h e s e c o n d p h a s e , w h i c h m a y b e r e s u l t e d fr o m t h e g r e a t d i ff e r e n c e i n t h e l a tt i c e p a r a m e t e r s . h o w e v e r , t h e i n t e r f a c e i s s t r a i g h t a n d f r e e o f a n y o x i d e s , a n d t h e r e i s c e r ta i n o r i e n t a t i o n re l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e t w o p h a s e s , n a m e l y , ( 0 0 2 ) 。 -f a 2 2 0 ) ( n b t i) c o r( 0 1 1 ) 。 -f e / (0 1 1 ) ( n b t j)c . t h e p a r a l l e l o r i e n t a t i o n re l a t i o n s h i p i n d i c a t e s t h e s t r o n g c o m b i n a t i o n b e t w e e n t h e s e c o n d p h a s e s a n d t h e m a t r ix , w h i c h i s v e r y im p o r t a n t t o p r e v e n t t h e s e c o n d p h a s e fr o m d e p a r ti n g f r o m t h e m a t r ix d u r i n g w e a r i n g p r o c e s s a n d i m p r o v e t h e s t r e n g t h e n i n g e ff e c t o f t h e s e c o n d p h a s e s . ( 5 ) t e s t o f m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f t h e d e p o s i t e d m e t a l s t h e i n v e s t i g a t i o n o f i m p a c t t o u g h n e s s a n d f r a c t u r e f a c e o f t h e d e p o s i t e d m e t a l s r e v e a l s t h a t t h e t o u g h n e s s o f t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h lo w c a r b o n m a rt e n s i t e m a t r ix w as i n c r e as e d , w h i c h w a s t h e o v e r a l l e ff e c t o f t h e s e c o n d p h a s e d i s p e r s i n g , t h e abs t ract m i c r o s t r u c t u r e r e f i n i n g , t h e c a r b o n d e p l e t in g i n t h e m a t r i x a n d t h e e l i m i n a t i n g o f t wi n . t h e r e s u l t s o f w e a r t e s t in d i c a t e t h a t t h e w e a r r e s i s t a n c e o f t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h c - n b - t i - v a l l o y s y s t e m w a s h i g h e r t h a n t h a t o f mg 7 0 0 . t h e d i s p e r s e d h a r d s e c o n d p h a s e a n d t h e s t r o n g i n t e r f a c e c o m b i n a t i o n p l a y e d a n i m p o rt a n t r o l e i n t h e we a r p r o c e s s . i n a w o r d , w h e n t h e r a t i o o f c a r b i d e - f o r m i n g e l e m e n t s a n d c a r b o n i n t h e d e p o s i t e d m e t a l w i t h c - n b - t i - v a l l o y s y s t e m i s a p p r o x i m a t e t o t h e i r i d e a l c h e m i c a l r a t i o , t h e f o l l o w i n g e ff e c t s c a n b e o b t a i n e d : t h e d i s p e r s e d s e c o n d p h a s e s t r e n g t h e n i n g , t h e e ff e c t i v e c o n t r o l o f t h e a l l o c a t i o n o f c a r b o n , t h e d e p l e t i o n o f c a r b o n i n t h e m a t r i x a n d t h e a v o id a n c e o f t w i n m a r te n s i t e . t h e t o u g h e n i n g a n d s t r e n g t h e n i n g b y n o n - t w i n t o u g h m a t r i x a n d d i s p e r s e d h a r d s e c o n d p h a s e a l l e v i a t e d t h e c o n fl i c t b e t w e e n h i g h h a r d n e s s a n d h i g h t o u g h n e s s , w h i c h h a s n o t b e s o l v e d i n t h e t r a d i t i o n a l d e p o s i t e d m e t a l w i t h c - c r - w- mo a ll o y s y s t e m . k e y wo r d s : h i g h c a r b o n a l l o y s t e e l , d e p o s i t e d m e t a l , c o l d w e l d i n g , t o u g h e n i n g , s t r e n g t h e n i n g 原 创 性 声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:日期 : ; 。 。 牌i. ,q 2 o q 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、 使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密 论文 在解密后应遵守 此规定 ) 论文作者签名 纽 二料 ， , 7 ti/ 代 导师签名: fh 日 期: maa 1 d p 山 东 大 学 博 十 学 位 论 文 本文主要创新点 1 提出“ 韧性基体 +高硬弥散第二相”对冷焊态高碳合金钢型熔敷金属综合 强韧化的理论，代替了传统的孪晶马氏体固溶强化。 这一创新点对解决高硬度、 高耐磨性与高韧性的矛盾， 在理论和实践上 做出突破，丰富了高碳合金钢冷焊理论。 2 .用现代测试手段研究了多种合金系， 对其传质分配及物理冶金行为作了系统 分析，优选了c - n b 一 t i - v系高碳合金钢型熔敷金属。 该合金系能有效地控制碳的分配、 实现固溶体基体贫碳; 碳及合金元素 符合定比碳规则时，能有效促进第二相的液析及弥散化。 3 .揭示了冷焊条件下第二相形成的 微观机构。 解析了超高温、 非平衡条件下颗 粒第二相由纯金属与c在电弧中原位反应、 高温熔滴中生成、 熔池液相冷却 过程中析出的演变过程。 符 号 说 明 符号说明 s e m 扫描电镜 e p ma电子探针 x r d x射线衍射 s e 1 二次电子像 t e m 透射电镜 e d s 能谱仪 s a d 选区电子衍射 b s e i 背散射电子像 化学反应的标准 g i b b s 自由能变 l - 1 u m a g o , g , g $ a g o s h 0 o h 0 z 9 s as o a s 0 2 9 8 c p f 口x x; e e ,) r 实际熔体中碳化物生成g i b b s 自 由能 合金元素溶解自由能 1 % 质量浓度标准溶液中溶解自由能 化学反应标准焙变 2 9 8 k ( 2 5 0c ) 时的 标 准 焙变 化学反应标准嫡变 2 9 8 k ( 2 5 0c ) 时的 标 准 嫡 变 按亨利定律计算时的活度系数 按亨利定律计算时的活度 溶质i的百倍质量分数 符合亨 利定 律时， 元素j 对元素i 的 活度相互作 用系 数 符合拉乌尔定律时， 元素.l 对元素i 的 活 度相互作用系数 气 体 常 数， r = 8 .3 1 4 ) m o t . k 碳化物( c a r b i d e ) / m 溶体 ( s o l i d s o l u t i o n ) 界 面 山 人 学 博 十 学 位 论 文 第 1 章绪论 1 . 1选题背景及意义 随着焊接技术的飞速发展，可焊材料领域日益扩大，对材料焊接性的研究 已深入到各种材料领域， 从结构钢、 有色金属到高碳合金工具钢、 陶瓷材料等， 各种材料的焊接研究屡见报道。目前对于结构钢及铝合金等部分有色金属的焊 接研究已相当成熟，形成了完善的焊接冶金理论，而对于高碳合金钢等硬脆材 料的焊接，长期以来一直未能解决其熔敷金属高硬度与高韧性的矛盾， 其焊接 冶金的理论研究处于贫乏状态。 高碳合金钢含碳量通常在0 .6 % - 1 . 3 %， 在工具、 模具制造中应用最为广泛， 作为工具用钢，热处理强化后其硬度达 h r c 5 5 - 6 5 ，并要求有较高的耐磨性和 一定的韧性。制造业的蓬勃发展，对工具用钢的需求空前扩大，对工具材料的 性能要求也不断提高，利用焊接技术提高工具表面性能、延长其使用寿命也因 此受到了 广泛关注( 1 - 5 1 。 但高 碳合金 钢脆性