TWIP钢激光焊接性能研究终稿

1、太原理工大学毕业设计（论文）任务书第1页毕业设计（论文）题目：twip钢激光焊接性能研究毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1 原始数据材 料：twip钢冷轧和热处理钢板，尺寸为35150mm，厚度t = 0.9mm第2页2. 论文要求：毕业论文要求学生综合应用大学四年所学知识，学会处理实际问题的能力。本次毕业论文要求学生在设计过程中进一步掌握查阅文献、使用常规计算机软件、英文翻译及科技论文写作等方面的能力。2.1 查资料查阅twip性能和焊接对其影响的相关文献资料，并作详细摘录；查阅twip钢激光焊接相关英文资料并翻译。2.2 写文献综述报告 报告内容应充实，文字表达应条理清楚、段落分明

2、。2.3 激光焊接对冷轧和热处理twip钢的影响（1） 产生的缺陷（2） 对延伸性与硬度的影响（3） 实验结果分析（a） 两者对比分析（b） 分别于母材对比分析2.4 制作合格的各种检测试样2.5 对金相试样进行组织观察并拍照2.6 对试验结果进行认真分析和科学处理，并写出毕业论文。2.7论文要求数据真实可靠，图文清晰，论据充分，书写工整。第3页毕业设计（论文）主要内容：中文摘要英文摘要目录1. 文献综述2. 实验内容2.1实验材料（成分、原始组织）2.2实验方案（试件尺寸、热处理工艺）2.3实验结果 2.4分析与讨论3. 结论与建议4. 设计感想参考资料致谢附录1.英文资料翻译（附原文）学生

3、应交出的设计文件（论文）：毕业论文（印刷版2份、电子版1份）第4页主要参考文献（资料）：1、米振莉，唐荻，严玲，等.高强度高韧性twip钢的开发研究j.钢铁. 2005， (1): 58-60.2、黄宝旭. fe-mn-al-si-nb twip钢的组织与性能d.上海:上海交通大学， 2007,(1):15-20.3、黎倩，符仁钰，史文等. 汽车用tw ip钢的探索研究j. 金属热处资料理，2008， 33 (5):1-4.4、刘云旭，金属热处理原理，机械工业出版社，1981:1-16.5、樊东黎.热处理的昨天今天与明天m. 1999. 40(1):15-20.6、韦习成. si-mn系相变诱

4、发塑性钢的动态力学性能d.上海大学博士学位论文. 2002. 10, (1):3-10.专业班级 材料成型0603 学生 要求设计（论文）工作起止日期 2010-03-012010-06-20 指导教师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期 twip钢激光焊接性能研究摘 要对冷轧状态和热处理后的twip钢激光焊接试件进行静态拉伸试验，从金相、硬度、断口等角度对其组织和性能进行了研究，同时与母材的一些性能作比较。结果表明：激光焊接过程中的工艺参数直接影响焊接后焊缝组织的性能，也是焊接后整体组织性能好坏的关键。总体冷轧状态和热处理状态两种方法处理的twip钢焊接后金相和硬度相差

5、不大。其中热处理twip钢焊件的性能相对较好，其延伸率和硬度较冷轧状态焊件高。而在与母材对比时发现，冷轧焊接试样焊缝区域的性能变化尤为明显，其硬度较母材大幅下降。，相对而言，热处理焊接试样整体性能较母材变化不是太大。关键词：twip钢；激光焊接；显微组织；力学性能rsearch on the performance in laser welding of twip steelabstractusing the static tensile， metallurgical， hardness， etc，right observe the organization and performance o

6、f cold and heat treatment of different twip after laser welding. while some performance through comparison matrix. results: laser welding process parameters directly affect the performance of the weld microstructure after welding， after welding and mechanical properties of the whole organization.it

7、is particularly of cold welding seam area of the sample，while contrast the welding specimens befor stretch， its hardness greatly decreased.it is little difference between cold and heat treatment of the two methods twip steel welding post-jin and hardness. the performance of heat twip is better then

8、the cold one. the elongation and hardness of the steel rolling twip relative after welding.key words: twip steel; laser welding; microstructure; mechanical proper目录第一章 绪论11.1 选题背景及研究意义11.2激光焊接21.2.1激光焊接的发展过程21.2.2激光焊接的主要优点和缺点21.2.3 激光焊接的主要工艺参数31.2.4激光焊接工艺增强技术41.2.5激光焊接的应用领域41.3 twip钢的组织和性能51.3.1 twi

9、p效应的提出51.3.2 twip钢的力学性能51.3.3 twip钢变形过程中的孪晶观察61.3.4 tw ip钢的微观组织71.3.5 twip钢合金元素作用81.3.6动态拉伸条件下twip钢的断裂机制81.3.7热处理工艺对twip钢组织性能的影响91.3.8退火工艺对twip钢显微组织和力学性能的影响101.4 焊接后的twip钢焊接接头的组织和性能111.4.1 焊接后twip钢的金相显微组织111.4.2 焊接对力学性能的影响11第二章 激光焊接试验设备及过程132.1 试验方法及设备132.1.1试验方法132.1.2试验材料成分设计与冶炼132.1.3试验仪器与设备142.2

10、 试验前的准备172.2.1金相试样制备过程172.3 试验过程182.3.1 激光焊接试验182.3.2拉伸试验192.3.3金相试验192.3.4硬度试验202.3.5 断口分析20第三章 激光焊接试验结果及分析213.1 激光焊接试验213.1.1 激光焊接213.1.2激光切割223.2拉伸试验233.3金相组织253.4硬度分析283.5 断口分析30第四章 结论32参考文献33致 谢34英文文献35英文翻译43iv第一章 绪论1.1 选题背景及研究意义汽车的轻量化是现代汽车工业的发展方向，因此，先进高强韧性钢应运而生，如双相钢，相变诱发塑性钢1。国际钢铁协会组织的ulsab-avc

11、项目的完成，证明了钢铁仍然是今后汽车使用的主导材料，约占车重的55% 70%，但钢的内涵却发生了很大变化，即由原先的以软钢为主发展到以高强度钢板为主，其中，高强度钢板将由目前每车使用量占车重的14%45% (100294 kg/车)提高到未来的30% 70% 2。 高强度是汽车用钢发展的一个主要趋势，同时汽车用钢要有良好的成形性。最新研制的twip钢，是钢材在强度和延展性综合性能上的一次突破。twip钢(twinning induced plastic)又称孪晶诱导塑性钢，具有中等的抗拉强度(约600mpa)和极高的延伸率(大于80% )。而且，twip钢不仅具有很高的强度和成型性，还具有很好

12、的吸收撞击能量的能力3，作为汽车用钢在性能上具有很大优势，成为新一代延性高强钢的一个发展方向。twip钢的最大特点是：在保持高抗拉强度的同时，具有极高的均匀延伸性，很高的能量吸收能力及优良的成形性；此外，它几乎没有低温脆性现象，直到-196-200，仍然未出现低温脆性转变。twip钢显示出很大的潜力，其发展正处于试验研究向产业转化的阶段，所面临的主要问题是twip钢的加工工艺，特别是冷轧工艺。这就需要加强对twip钢轧制工艺及其机理进行深入细致的研究。目前国外对twip钢的研究比较多，德国马普钢铁研究所g.frommeyer4课题组研制和开发了fe-mn-si-al系高锰奥氏体trip/twi

13、p钢，并申请专利（专利号：1997de19727759，ep9810981），同时注册商标“hsd”(high strength and ductile)。德国的k.h.spitzer5等人针对fe-mn-si-al系trip/twip钢的冶炼工艺及轧制工艺等问题进行了试验研究，采用dsc(direct strip casting)工艺制备出1015mm厚的试验板材。而国内开展这方面的研究起步较晚，现只有北京科技大学在开展此类钢的研究。但无庸置疑，twip钢具有极高的强塑积，优势十分明显。随着我国汽车工业的发展，迫切需要此类高强度级别的钢种，因此twip钢的开发在我国具有极大的潜力，蕴涵着巨大

14、的商机和市场。研究汽车钢板材料的焊接性能对于材料的生产使用具有实际的意义。激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。激光焊可以与mig焊组成激光mig复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比mig焊大为减小。本课题试验主要研究激光焊接对冷轧和热处理两种twip钢的焊接接头力学性能和微观组织的影响，并通过与母材性能对比来分析激光焊接twip钢前后性能的变化情况。1.2激光焊接1.2.1激光焊接的发展过程激光是激发电子或分子使其在转换成能量的过程中产生集中且相位相同的光束。激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件（

15、如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦，但仍属于低能量输出。使用钕（nd）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（nd:yag）可产生1-8kw的连续单一波长光束。yag激光，波长为1.06m，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。 使用co2为激发物的co2激光（波长10.6m），输出能量可达25kw，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。1.2.2激光焊接的主要优

16、点和缺点优点主要有：（1）可将输入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。（7）可

17、焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。（12）不需真空，亦不需做x射线防护。（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1。（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。缺点主要有：（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置与激光束将冲击的焊点对准。（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的

18、工件，生产线上不适合使用激光焊接。（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。（6）能量转换效率太低，通常低于10%。（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。（8）设备昂贵。1.2.3 激光焊接的主要工艺参数(1)功率密度 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达

19、到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106w/cm2。 (2)激光脉冲波形激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60%98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。 (3)激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 (4)离焦量激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相

20、对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。试验表明，激光加热到50200s时材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

21、1.2.4激光焊接工艺增强技术为了消除或减少激光焊接的缺陷，更好地应用这一优异的焊接方法，提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺，主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。1.2.5激光焊接的应用领域1、制造业应用2、粉末冶金领域3、汽车工业4、电子工业5、生物医学和其他领域1.3 twip钢的组织和性能1.3.1 twip效应的提出在晶体结构对称性比较低、滑移系比较少的材料中，当形变速度较大，或在

22、不利于滑移取向下加力时在某些应力集中的地方将产生孪晶，面心立方（fcc）金属不易产生孪晶，只有在极低的温度下才形成机械孪晶。由于孪生所产生的形变量很小，故在滑移困难时仅起调整取向作用，使滑移得以继续进行。且有孪晶产生的材料，其塑性均比较差。然而，1997年，grassel6等在研究fe-mn-si-al系trip钢试验时发现，孪晶可在形变温度为-70400时的面心立方奥氏体中形成，形变速率可低达10-4/s。当fe-mn-si-al系钢锰含量达到25wt%，铝含量超过3 wt%，硅含量在23wt%之间时，具有中等的抗拉强度（rm）（约600mpa）和极高的延伸率（）（大于80），其抗拉强度和延

23、伸率的乘积在50000 mpa以上，是高强韧性trip钢的两倍。该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是trip钢中的相变，故命名为孪生诱发塑性（twinning induced plasticity，twip）钢。twip钢中机械孪晶的形成及其对力学性能的影响改变了我们对孪晶的传统看法，拓宽了我们对孪生在形变过程中作用的科学认识。1.3.2 twip钢的力学性能frommeyer7等研究了fe-25mn-3a1-3si twip钢力学性能，该钢具有中等的抗拉强度(约600mpa)和极高的延伸率(大于90% )。通过拉伸试验测试其真应变曲线与dp钢以及trip钢的比较，如下图1-1所示

24、。从图1-1可看出，twip效果强化作用显著，塑性变形开始时屈服强度为600 mpa，而随着变形的增加真实应力达到了1 770mpa8。此外，通过对其冲击载荷下的能量吸收能力的研究，也表明twip钢能量吸收能力为传统深冲钢的2倍以上。图1-1 x-ip twip钢与其他汽车用钢均匀变形阶段的真应力真应变曲线随着mn含量的增加，试验钢的屈服强度和抗拉强度不断降低，断后伸长率和均匀伸长率逐步提高，fe-25mn-3a1-3si twip钢尤其表现出极好的塑性，它的断后伸长率可以达到89.5%。fe-25mn-3a1-3si twip钢在拉伸前后都为100%的奥氏体组织，拉伸后并没有出现hcp与bc

25、c马氏体，可见孪晶诱发的twip效应较有利于材料塑性的增强。1.3.3 twip钢变形过程中的孪晶观察目前，国内外将研究重点放在twip钢的成分设计、生产工艺上，并取得了一定进展，显然优良的性能来源于其内部组织结构，然而对twip钢的孪晶诱导塑性机理还没有深入的认识。北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的米振莉5等在研究fe-28mn-3si-3al twip钢变形过程中的孪晶观察时发现，(1)在twip钢的拉伸过程中，具有孪晶界的晶粒内部首先发生变形，并产生一定程度的加工硬化。随后其余部分晶粒转动，形成对变形有利的取向，从而变形得到扩展，最终得到非常大的无颈缩延伸。(2)在外力作用下最先发生

26、的变形孪晶遗传了退火孪晶的取向，变形孪晶的发生依赖于退火孪晶的存在。(3)在钢板的变形过程中孪晶和位错相互作用、孪晶和孪晶相互作用、以及孪晶取向改变引发的滑移、滑移又阻碍孪生的进行使twip钢具有高塑性高强度，因此孪生变形是twip钢的主要变形机制。对于twip钢应变诱导孪晶原位观察的研究9发现，孪晶诱导应变阀值对应变速率不敏感，均为4. 0%左右。孪晶萌发于晶界，沿晶粒扩展至晶界(或孪晶界)终止;可分为三类：层片状、透镜状、以及“耳”状，形态差异源于变形过程中twip钢多晶体取向以及沿孪生特定位向的调整幅度。另外，孪晶可以交互穿越，低应变速率下，先形成初生孪晶，而后出现次生孪晶与前者交错，高

27、应变速率下两个体系的孪晶同时形成。断裂时裂纹可以沿孪晶界扩展。1.3.4 tw ip钢的微观组织twip钢在工作温度范围内一般为完全的奥氏体组织。与trip钢不同，twip钢的奥氏体在机械载荷作用下保持稳定，并且在变形时产生大量的机械孪晶，而trip钢在机械载荷下发生了马氏体转变。twip钢优异的力学性能来自变形时产生的孪生诱导塑性，和由此而带来的显著的强化效果，即twip效应。这种孪生在形变中的作用与传统的概念完全不同。通常认为，在晶体结构对称性比较低、滑移系比较少的材料中，当形变速度较大，变形温度较低，或在不利于滑移取向的情况下加力时，在某些应力集中的地方产生孪晶。面心立方金属不易产生孪晶

28、，只有在极低的温度下才形成机械孪晶。但在twip钢中，可在形变温度为-70400时的面心立方奥氏体中形成，形变速率可低达10-4/s。形变过程中，高应变区孪晶的形成，孪晶界阻止了该区滑移的进行，促使其他应变较低的区域通过滑移进行形变直至孪晶的形成，由此导致试样的均匀形变，显著推迟缩颈的产生。twip钢冷轧织构也被s. vercammen10用x射线衍射的位向分布函数(odf)方法测定。结果表明，轧制织构一般具有黄铜类型织构110和高斯型的110织构。在twip钢的拉伸过程中，具有孪晶界的晶粒内部首先发生变形，形成形变孪晶，形变孪晶遗传了退火孪晶的取向，并产生一定程度的加工硬化。随后其余部分晶粒

29、发生转动，形成对变形有利的取向，从而变形得到扩展，最终得到非常大的无颈缩延伸.孪晶和位错相互作用，孪晶和孪晶相互作用，以及孪晶取向改变引发滑移、滑移又阻碍孪生的进行使twip钢具有高塑性高强度，因此孪生变形是twip钢的主要变形机制.经过退火处理后的钢中有60%的退火孪晶存在，大量退火孪晶的存在是twip钢发生变形时产生形变孪晶的前提，材料破坏时变形孪晶数量降低到32%。1.3.5 twip钢合金元素作用化学成分是影响twip钢基体组织的关键因素，为了获得室温下单一的奥氏体组织，必须降低ms点，ms越低，奥氏体越稳定。由ms()=561474(%c)33(%mn)17(%ni)17(%cr)2

30、1(%mo)可知，提高c是降低ms点的最有效方法。但高c会带来钢板冷热加工和焊接等一系列问题，因此可提高mn、si含量以降低ms点，从而使其ms点降到室温以下，导致最终组织为全奥氏体。另外，mn是扩大fe-c相图相域的最有效元素之一，降低ac1、ac3，文献表明11，当钢中的mn含量大于12时，在通常的冷却条件下，从上临界点降低到室温以下时，钢能够保持单一的奥氏体组织；si抑制渗碳体的形成和析出，同mn的作用相反，si缩小相区，使ac1、ac3升高。尽管fe-mn-c高锰钢早在1880年就由r.hadfield先生提出，但它一直主要用作耐磨材料，并未在汽车工业中得到广泛应用。1997年，gra

31、ssel等在试验研究fe-mn-si-a1系trip钢时发现，当锰含量达到25%时，其抗拉强度和延伸率的乘积在50 000mpa%以上，是一般高强韧性trip钢的2倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是trip钢中的相变，故命名为孪生诱发塑性钢，简称twip钢。1.3.6动态拉伸条件下twip钢的断裂机制采用sem检测了twip钢动态拉伸后的组织形态10。冲击拉伸试验采用气动式冲击拉伸试验装置，如图1-2所示。弹丸在高压气体的驱动下高速撞击左端挡块，使和其相连的前置金属短杆断裂产生一维应力方波，通过与其相连的输入杆传递到试样，应力波在试样左端面一部分反射回输入杆，一部分通过试

32、样传入输出杆。应力波信号通过在输入和输出杆上的应变片响应并经超动态应变仪放大，由瞬态波形存储器存储和记录，最后由接口传入计算机进行处理12。图1-2气动式间接杆杆型冲击拉伸试验装置及测量原理示意图试验结果表明：twip钢的断裂形式为微孔聚集型断裂。含有第二相的twip钢断裂机理为:铁素体和奥氏体相界面聚合力的减弱和铁素体本身的开裂促使微孔形核，形变过程中产生的应力集中使微孔长大、聚合直至材料发生断裂。全奥氏体的twip钢断裂机制为:微孔形核于形变孪晶界处，形变过程中产生的形变孪晶与位错的交互作用在预先存在的形变孪晶处产生高的局部内应力，微孔在应力集中处长大、聚合直至材料发生断裂。1.3.7热处

33、理工艺对twip钢组织性能的影响对3种不同成分的twip钢进行热轧后的热处理试验，化学成分如表1-2：表1-2twip钢的化学成分(质量分数)结果表明：增加固溶处理的保温时间，可提高twip钢的延伸率，而强度的变化并不明显。从晶界的角度分析了性能变化的原因:增加固溶处理的保温时间，有利于生成退火孪晶，不但增加退火孪晶界的面积，也有利于增加其他特殊晶界(csl晶界)的数量csl晶界对材料的抗晶间腐蚀、断裂和蠕变强度的提高均有有益的作用，因此，通过控制twip钢的热处理工艺来提高原始组织中特殊晶界的含量，可以提高twip钢的强韧性。(fe-25mn-4si-2al，fe-30mn-4si-2al，

34、fe-30mn-3si-3al)进行热轧后的热处理试验13，结果表明，增加固溶处理的保温时间，可提高twip钢的延伸率，而强度的变化并不明显。从晶界的角度分析了性能变化的原因:增加固溶处理的保温时间，有利于生成退火孪晶，不但增加退火孪晶界的面积，也有利于增加其他特殊晶界(csl晶界)的数量。csl晶界对材料的抗晶间腐蚀、断裂和蠕变强度的提高均有有益的作用，因此，通过控制twip钢的热处理工艺来提高原始组织中特殊晶界的含量，可以提高twip钢的强韧性。热处理工艺对twip钢的性能有较大的影响，增加保温时间，有利于延伸率的提高，而强度的变化并不是很明显。这是由于随退火时间的增加，退火孪晶数量及退火

35、孪晶界的面积都有所增加。退火孪晶界的产生有利于增加其他csl晶界的数量，有效地断开随机晶界的连通性，使得材料在断裂的过程中，裂纹无法沿随机晶界继续扩展，从而提高了材料的断裂韧性。因此，twip钢原始组织中的csl晶界和退火孪晶是影响twip钢性能的关键因素，通过改变热处理制度，从而增加csl晶界(包括孪晶界)的数量，可以显著提高twip钢的性能。1.3.8退火工艺对twip钢显微组织和力学性能的影响对特定成分的twip钢进行不同温度的退火处理，用金相、透射电镜对其拉伸变形前后的组织进行观察和分析14。试验用twip钢采用电磁感应炉真空熔炼，氩气气氛保护，浇铸成板坯。板坯经热轧、冷轧至1.0mm

36、厚的薄钢板后进行不同温度(8001000)保温不同时间(120min)的退火处理，经线切割制成拉伸试样，从拉伸前、后的钢板上线切割制取金相、透射试样，进行显微组织观察分析。其中金相显微组织试样用8%硝酸酒精溶液侵蚀，透射电镜样品以5%高氯酸+无水乙醇溶液为电解液，经电解双喷减薄至穿孔。通过对试验结果表明：(1)通过对特定成分的twip钢进行退火处理，其室温组织为单一奥氏体，并在奥氏体基体中存在退火孪晶和层错。1000退火后钢板可达到640mpa左右的抗拉强度和255 mpa左右的屈服强度以及82%以的延伸率，具有较好的综合性能，故25mn twip钢板的最佳退火温度为1000。(2)随退火温度

37、的升高，奥氏体晶粒变大，孪晶的数量和层错密度也随着晶粒尺寸的增加而增大。800退火时发生了部分再结晶，组织为奥氏体和铁素体两相组织，存在少量的层错和孪晶;1000退火时完成了再结晶，组织为单一的奥氏体，内部为大量的层错和孪晶微结构。(3)孪晶移动到晶粒边界处会受到阻碍，形成非共格的孪晶界面。钢板再结晶退火处理后在奥氏体母体里存在大量的退火孪晶，在变形过程中产生形变孪晶，即发生了twip效应，有利于塑性的提高。（4）大块退火孪晶的存在是twip效应充分进行的必要条件。1.4 焊接后的twip钢焊接接头的组织和性能1.4.1 焊接后twip钢的金相显微组织上海大学的周小芬等在研究twip钢焊接后金

38、相组织时所选取试样尺寸为200m100mm1.2mm的两种成分的冷轧twip钢板，成分如下：表1-3 twip钢中各合金元素含量(wt%)此实验采用wse-315anewasia igbt逆变交流氩弧焊机以100150a电流对twip钢进行手工焊接(对接,间隙12mm,干伸长5mm)。而后使用3000kn微机控制电子万能试验机对试样进行拉伸试验；焊接后的金相样品经氯化铁盐酸溶液(配方：5g氯化铁; 50ml盐酸;100ml蒸馏水)腐蚀后，采用尼康300光学显微镜进行组织观察;在mh3-显微硬度机上进行测试，作出硬度分布曲线。此试验成功的观察出了twip钢拉伸前后的金相组织7。表明：试样拉伸前的

39、基体组织主要是奥氏体。而拉伸后的基体随着应变量的增加，一部分奥氏体转化为马氏体(通过x射线衍射证明)。拉伸后基体上产生大量的形变孪晶，焊缝区域的晶粒沿着拉伸方向被拉长。twip钢的基体金相照片中可以明显看到孪晶组织的存在:拉伸前组织为退火孪晶，拉伸后为形变孪晶。1.4.2 焊接对力学性能的影响由周小芬等对焊接前后力学性能的研究15可以看出未焊接试样的延伸率高于焊接后的;焊接后的屈服强度，抗拉强度等变化不大或者略高于未焊接的试样。试样在焊接后，延伸率有较大下降，抗拉强度和屈服强度变化不是很大，不均匀变形区宽度也相似。在twip钢的屈服强度低于焊接材料的屈服强度时，屈服首先发生在母体相中，因此，焊

40、接对于屈服强度的影响不是很大。另外基体材料与焊接材料的抗拉强度相近， 因此，焊接对于抗拉强度影响也不是很大。若试验所用焊接材料的延伸率远低于基体的延伸率，试验过程中试样拉伸时断裂易发生在焊缝区域，所以焊接后试样的延伸率会下降。在焊接试验中，焊接对于材料性能产生很多不利影响。若是焊缝区存在缺陷和应力集中，拉伸试验中断裂发生在焊缝区，使延伸率下降明显。在试验中试样焊接后的硬度若表现为焊缝区高于基体区域；时因为在拉伸后产生硬化，硬度随之上升。其中当试样出现马氏体相变时，硬度上升较高。第二章 激光焊接试验设备及过程2.1 试验方法及设备本试验采用冷轧和热处理两种twip钢，通过研究比较其拉伸性能、硬度

41、、显微组织之间的差别，并通过对比母材来达到研究激光焊接后不同处理方式的twip钢的组织性能和力学性能的目的。2.1.1试验方法本文所需试验分别为激光焊接，拉伸试验，金相试验，硬度试验及断口分析。这几个试验分别对twip钢的焊接性，拉伸性能，组织变化和硬度变化进行了研究。都很好的对比了twip钢焊接前后的力学性能和微观组织变化。2.1.2试验材料成分设计与冶炼结合国内外一些学者的研究情况16-18，经过对比与筛选，确定基础成分。首先采用0.5吨中频感应炉进行冶炼，按照成分配比加入锰铁、硅铁和纯铝，铸成钢锭。其次，将铸锭经电渣重熔后，将钢水模铸成锭，成分如表2-1所示。表2-1 试验钢的主要化学成

42、分(质量分数，%)元素cmnsialpsfe含量0.05929.852.983.070.00680.001bal将铸锭加热到1200，热锻成30mm的板坯，终锻温度不低于850。然后将锻后板坯在试验轧机上经9道次热轧至3mm左右，开轧和终轧温度为1100和800。热轧后的钢板进行冷轧，轧制方向与热轧相同，轧制变形量取70%，即冷轧后板材厚度为0.9mm，取冷轧twip钢板4块，尺寸为35150mm，厚度0.9mm作为试验试样，标为1-1，1-2，2-1，2-2。然后将其他轧好的twip钢板进行退火处理，为了获取最佳的力学性能，退火温度为1000，保温时间为15分钟，出炉空冷后加工试样。即热处理

43、试样twip钢6块，尺寸为35150mm，厚度0.9mm。标为3-1，3-2，4-1，4-2，5-1，5-2。2.1.3试验仪器与设备（1）名称：固体脉冲激光器图2-1 固体脉冲激光器工作原理图 波长：1.06微米 激光输出功率：01000w 设备特点：聚焦光斑小，金属吸收功率高，低损耗传输，体积小，质量 轻，易实现自动化。激光(产生于被刺激的辐射放射物的光的放大作用)是一种特殊性质的光，单色并且连贯，因此可以将光集中于要做钢融解的一个微小斑点上。要创造激光辐射，就需要激光媒介。在将能量从外向内转入到这个媒介中的同时，可以产生被刺激的分子。在谐振器中这束单色光将在两个镜子之间反射，由反射产生出

44、时间和空间凝聚的光子，其中一个部分透明的镜子能将这条射线反射出这台谐振器。激光焊接最重要的优势在于能够将非常高的能量聚焦于一点，激光束打在两个要焊接部分的边缘，输入能量把金属加热并将其融化。在激光束作用以后，溶化的材料将迅速冷却。在这个过程中，有一小部分的数量将进入被焊接的零件中。在焊接减少热变形的同时，也减少了输入的热能量。减少因热量影响的变形，并增加对准确性的纠正，可以节省大量金钱和时间（2）名称：拉伸试验机：电子万能试验机 型号：dns100图2-2 dns100电子万能试验机dns100电子万能试验机是进行金属、非金属及复合材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等材料性能测定的试验设备。适用于各

45、行业力学试验室和质量检验部门的材料力学特性试验。该系列产品具有运行稳定可靠、对环境适应性强测量范围大、分辨率及精度高的特点，是工厂、大专院校和科研单位理想的试验设备。该系列产品的主机由我所研制生产的门式负荷机架、圆弧齿型胶带式减速器配以滚珠丝杠副的机械传动系统、拉、压、弯曲试验功能附件、计算机系统和我所自主研发制造的数字控制器knz联合组成。试验操作可以在试验机上通过试验软件完成。实现试验数据的自动采集存储和处理，试验数据可以由打印输出。其主机结构先进，造型美观大方，我所自主研发制造的数字控制器knz性能可靠（3）shimadzu hmv2t系列维氏显微硬度计分析试样的显微硬度用到shimad

46、zu hmv2t系列维氏显微硬度计(如图2-3)，商品型号hmv2t系列它的一些技术参数见表2-2。图2-3 shimadzu hmv2t系列维氏显微硬度计表2-2 shimadzu hmv-2t系列维氏显微硬度计技术参数 （4）cmm20e型光学显微镜试验采用长方cmm20e型光学显微镜(图2-4)，对试块进行宏观尺寸测量及显微组织观察，这种倒置金相显微镜主要用于鉴别和分析金属内部结构组织；图2-4 长方cmm20光学显微镜原材料的检验或材料处理后的金相组织分析；其目镜与物镜技术参数如表2-3表2-3 长方cmm20显微镜技术参数2.2 试验前的准备（1）激光焊接试验前准备：分别将1-1，1

47、-2，3-1，3-2，4-1，4-2式样35mm端打磨光亮，试样2-1，2-2，5-1，5-2，150mm端打磨光亮，以便于施焊。（2）拉伸试验前准备：将激光焊接成的试样1（1-1，1-2焊接而成，以后试样等同），按gb 2651-2002焊接接头拉伸试验方法标准切割成标准试样，标注好基准线。（3）金相试验前准备：将试样1，2，3，5切割成包括基体，热影响区，焊缝的小块，然后在金相试块制备机上制成标准试块，经过金相砂纸打磨，抛光机抛光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀510秒后用酒精擦拭干净。（4）硬度试验前将观察完金相的试块重新抛光。2.2.1金相试样制备过程（1）制样所取的制作金相试样的材料必须

48、是冷轧和热处理的拉伸前和拉伸后的试样各一块，以增强其对比性，而且所取试样都必须包括基体，热影响区和焊缝三部分。然后在进行制样。（2）磨样制成试样后，先在砂轮上进行粗磨，磨平需要观察的一面，接着用粗砂纸磨平。粗磨的目的就是磨平试样并且把试样修整为规则的形状，另外磨掉试样上的棱角，以免划破砂纸和抛光布。粗磨时尽量使磨面与砂轮面平行，用力适当。水砂纸上的磨样：在粗水砂纸240#上磨平时，先朝一个方向磨，待只有这方向的划痕时，再换垂直方向磨，磨去原方向的划痕，如此2、3次后方可进行下一砂纸的打磨。磨试样时应经常将水砂纸在水中清洗，以保持表面的光洁，减少划痕的产生，避免磨下的颗粒产生划痕。再依次换320

49、#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸，磨样方法同上。由于试验中的材料为钢，硬度高，故不可跳级进行磨样，必须是上道工序完成后才能进行下一道的磨样。要注意磨得时候用力一定要均匀，不能太大，也不能太小。（3）抛光抛光时将抛光布用肥皂水清洗，用水冲洗，铺平，绷紧并固定在抛光盘上，启动开关时抛光盘逆时针转动，将适量的抛光液滴洒在抛光盘上，既可进行抛光。抛光时试样沿盘的径向往返移动，抛光过程中要经常滴加抛光液或清水，以保持抛光盘的湿度；先进行粗抛，待划痕消失后再进行精抛，抛光时抛光布必须平整无破损，抛光时每次方向均朝同一方向旋转。抛光划痕消失后，表面呈现镜面，在显微镜下看不出明显的

50、划痕为止，才可进行腐蚀。抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上细微磨痕，得到光亮无痕的磨面，为腐蚀做好准备。（4）腐蚀腐蚀是为了观察组织所必须的。将抛光后的试样用水冲洗，同时用脱脂棉擦净磨面，然后用滤纸吸去磨面上过多的水，用酒精清洗试样表面，滴上4%硝酸酒精腐蚀。腐蚀完后用无水乙醇擦洗干净，将腐蚀好的试样放在密封较好的盒子里，以免粘上灰尘等杂物，待照金相时用。（5）观察显微组织观察显微组织在xj-16a 金相显微镜下观察。2.3 试验过程2.3.1 激光焊接试验试验前先进行热机，而后调节输入焊接数据，摆放并调整好焊接材料位置。用氩气做保护气体，焊接时不用填充材料。切割时也用氩气做保护气体以防止氧化

51、。激光切割时，激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供狭窄的直边割缝，最小的邻近切边的热影响区和极小的局部变形。其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着：工件无机械变形和无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题，而且切割材料无须考虑它的硬度，即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；另外由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力，而且与计算机结合，可整张板排料，节

52、省材料。 2.3.2拉伸试验首先将351500.9的试样加工成如图2-5拉伸试样，然后拉伸试验在dns100型电子万能材料试验机上进行，拉伸速度为0.5mm/min。图2-5 twip钢拉伸试验尺寸将试件竖直夹在拉伸机的夹持端（试验条件：夹持段35mm，平行部分宽度12mm），然后开始做拉伸试验，记录数据，绘制拉伸试验图。2.3.3金相试验（1）金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、腐蚀四个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、水迹。（2）将已经制备好的试片在显微镜下进行观察与分析，分清焊接接头各区域后，仔细辨认各区域组织特征，在显微镜下，测定焊接热影响区各区域的宽度，把各区域的宽度及组

53、织填在记录表。绘制各区域组织示意图。2.3.4硬度试验（1）压头通过精确控制的测试压力作用在样品上。（2）压力会持续一个停留时间，通常是1015秒。（3）在停留时间完成后，压头会移开，并在样品上留下一个圆形的压痕。（4）印痕的面积就可以确定了。（5）硬度值就是用测试压力除以压痕表面积的商。（单位：n/mm2）2.3.5 断口分析断口分析的试验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从550倍）等。在很多情况下，利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始

54、位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。第三章 激光焊接试验结果及分析3.1 激光焊接试验在对试样处理后共进行了两次试验，包括激光焊接与激光切割。两者都是在固体脉冲激光器上进行的。3.1.1 激光焊接在进行激光焊接时，激光束与基材作用时间短，当光束移开后，熔池金属迅速冷却，然后快速凝固。在靠近熔池边缘，由于与母材接触，液态金属的结晶速度比熔池中心大，这样使焊缝金属生成胞状晶。在近中心区，由于温度梯度没有边缘区高，成份过冷度大，导致该区焊缝金属多数按树枝晶长大。而在焊缝中心区域，熔池金属温度梯度很小，熔池中未熔化的悬浮质点为非自发形核的

55、现成凝固表面，这些晶粒不受其他散热条件的影响，可以自由生长，促使焊缝形成等轴晶在试验前用同样材料先进行焊接工艺参数的调节得比较好的焊接工艺参数，如表3-1：表3-1 激光焊接twip钢工艺参数脉宽速度频率功率电压离焦量4.5ms3mm/s30hz240w61v4mm表3-1 激光焊接twip钢工艺参数而后进行激光焊接，由于用于进行调节焊接参数的材料所限，焊接后存在一些缺陷主要为：（1）气孔产生机理：气孔是激光焊接常见的一种缺陷，即便是致密材料，激光焊接也存在气孔的问题。焊接锯片刀头这类烧结材料，焊缝中出现气孔的可能性就更大。试验中气孔的形成主要有3种原因：(1)低熔点组分的烧损；(2)过渡层孔

56、隙中的气体；(3)保护气体的卷入。采取措施：(1)优化热压工艺，提高过渡层的致密度；(2)合理的过渡层成分，过渡层应不含有低熔点组分。除此之外，试验中发现光束偏移量对焊缝中的气孔有着重要的影响。光束偏移量是指焊接时激光光斑中心相对于焊接线位置的距离。试验中发现，当光束偏向钢基侧时，可显著减少焊缝中的气孔量。（2）裂纹产生机理：裂纹是激光焊接过程中出现的最严重的缺陷。导致焊接接头开裂的主要因素有两种：冶金因素和力学因素。激光焊接的不平衡快速加热与快速冷却的特征，使得整个接头处于复杂的应力状态，构成了接头开裂的力学因素；激光焊接又是一系列不平衡工艺过程的综合，在快速冶金凝固过程中，必然会出现成分分布的不均匀，低抗裂性能的淬硬组织等，它们构成了促进裂纹萌生的冶金因素。裂纹种类：试验中发现的裂纹主要有两种，一结晶裂纹，结晶裂纹与焊缝宏观区域的成分不均匀性有关。焊缝中心区域是液相结晶最晚的部位，焊缝两侧的柱状晶交遇于此，同时大