焊条电弧焊奥氏体不锈钢焊缝微观组织对疲劳寿命和冲击韧性的影响

1、焊条电弧焊奥氏体不锈钢焊缝微观组织对疲劳寿命和冲击韧性的影响奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢 , 由于其优异的机械性能、耐腐蚀性和 可加工性,几乎覆盖了不锈钢结构应用范围的 60-70%。焊条电弧焊(SMAW因其成 本低、适应性强和便携性好 , 是不同 AISI 等级不锈钢系列最常用的焊接方法。巴基斯坦的主要工业中 (特别是 Heavy Mechanical Complex 和 HeavyIndustries Taxila),大部分的制造都依赖SMAW这种焊接方法在巴基斯坦的其 他行业(制糖厂、水泥厂等 )的维修部门中也很常用。因此，本文作者采用SMAV方法制备奥氏体不锈钢接头，并对其焊接接头

2、进行研究。在循环和冲击载荷的条件下 , 焊接接头易产生疲劳和韧性失效。不同焊接条件下的焊缝组织演变对于焊接接头的最终寿命产生很大的影响。本研究对于揭示显微组织演变对奥氏体不锈钢SMAW接头疲劳寿命和冲击韧性的影响机理有着重要的意义。多层多道焊缝中不同焊接区域的凝固和再凝固以及随后的相变对于焊接接头的力学性能起着至关重要的作用。 本研究目的之一是研究多层多道焊对焊缝显 微组织和接头力学性能的影响。使用金相显微镜测定了奥氏体中的 S铁素体相。不同于传统的依赖于一般铁 素体数(F.N.)的方法,本文开发了一种用于图像处理的 MATLAB?序来估计奥氏 体相中S铁素体局部百分比的方法。并且，为了揭示S

3、铁素体的影响，结合不同的性能讨论了其局部百分比。借助 这种技术,还可以很好地估计出局部S铁素体的形貌。以铁素体-奥氏体模式(FA模式)凝固的熔化区(FZ)包括两种基本的S铁素体形态：花边状和蠕虫状。讨论了单道次、双道次和三道次焊缝中BM HAZ和FZ的晶粒生长行为和铁素体百分比。研究了 S铁素体百分比和形态对每层焊道不同区域疲劳裂纹萌生和扩展的 影响。检测了焊接区域不同方向的疲劳裂纹扩展速率 （FCPR）,发现横向（垂直于焊 接方向 ）的扩展速率明显较低于纵向 （平行于焊接方向 ）。由于其特定的微观结构模式,与BM和 FZ相比,HAZ具有更大的FCPR对于疲 劳裂纹扩展而言 , 三道焊焊缝因其

4、具有高集中度的花边状铁素体而呈现出最高的 抗力。但是, 在某些情况下 , 裂纹力学的影响才是主要原因 , 而不是微观结构的影响。 为获得最佳的疲劳和冲击强度所需的显微组织模式，对SS304L熔池中奥氏体和铁素体形成元素（镍和铬）的百分比进行了深入的研究，并考察了它们对S铁素体 形态、数量、局部析出和疲劳裂纹扩展速率 （FCPR）的影响。运用上述用于图像处理的 MATLAB?序,评估了特定焊缝区域的局部S铁素 体数（F.N.）。发现填充合金中镍含量的降低在 FZ中产生随机分散的粒状铁素体， 在HAZ中产生等轴晶粒，晶界处有块状熔块。而铬含量的增加则会导致接头 FZ和HAZ中树枝状和蠕虫状铁素体的

5、析出。通过建立裂纹张开位移（COD）与相应FCPR之间的关系，研究了裂纹尖端铁素体数 量及其形态的影响。测定了所有焊缝中铁素体数对FCPRK化的影响，发现铁素体数在15-19之间 时SS 304L焊缝得到了最佳的疲劳强度。通过绘制 Paris曲线发现,与其他焊缝 相比, 采用 Cr 24.60%和 Ni 10.92%的填充合金时获得的焊缝疲劳寿命最高。除了微观组织演变的影响之外 , 裂纹力学因素也影响着焊缝的疲劳寿命。为 了更好地理解裂纹力学因素的影响机理,采用Sih简化解析模型和Irwin数值模 型分别计算了不同裂纹长度下的裂纹尖端塑性区尺寸。在小规模屈服(SSY)近似的有效范围内,采用CO

6、C和弹性应力强度因子解释 了塑性区尺寸的影响。 采用高循环疲劳情况下的实验方法确定了弹性应力强度因 子的变化在控制裂纹尖端局部塑性流动中的作用和 FCPR。研究发现，在4-5 mm的塑性区尺寸范围内，对于特定的弹性应力强度因子， 所有焊缝塑性区尺寸的数值和解析结果之间存在良好的一致性。 对于高载荷和更 大的裂纹长度，由于在高裂纹尺寸时的快速诱导塑性，实验获得的COD值比计算 值高 15-19%。由于巨大的热过程差异和微观组织的不均匀性 , 不同焊缝区域界面韧性的突 然损失会导致接头的严重失效。在冲击载荷的作用下 , 采用适当的化学成分和焊 缝冷却速度，通过局部控制S铁素体的形貌和析出以及铁素体数量，研究了 SS304L不锈钢SMAWI缝的稳定性。基于不同化学成分和冷却速度情况下不同焊缝区域和界面的铁素体形貌和 铁素体数量 , 得出了界面上获得良好韧性的最佳化学成分和冷却速度值。讨论了 局部奥氏体-铁素体比值S/ 丫与焊缝上相应的韧性值，以预测其合适的范围。铁素体-奥氏体比值、化学成分和冷却速率的推