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超高碳钢的压焊顶锻行为的模拟研究

摘要

本文介绍了超高碳钢（UHCS）的发展及国内外研究现状，对其应用领域进行了展望。

顶锻是决定钢轨闪光焊及气压焊接头质量的关键工序。

本实验采用Gleeble-1500D热模拟实验装置,对超高碳钢加压顶锻行为进行研究,此技术用电阻加热方式进行焊接模拟,其高能量密度热源低热量输入的快速焊接方法具有极强的热应力应变模拟功能，而且不需要焊材，不开坡口，避免了选取焊材难与母材性能匹配的问题。

通过实验，确定了主要工艺参数的最佳组合。

测定了焊接接头的硬度、抗拉强度，并利用图像分析仪分析了焊缝及其热影响区的微观组织。

研究结果表明，最佳工艺参数组合是：

加热峰值温度为1100℃，加热速度250℃/s,顶锻量为8cm，顶锻速度为3cm/s。

焊后其焊缝硬度可达到HV254.3左右，接头硬度不低于母材，焊接热影响区（HAZ）未出现软化。

焊后拉伸强度达到184.349MPa。

焊缝热影响区的组织为珠光体+铁素体，其中珠光体为呈超细均匀分布的，硬度高于母材，铁素体部分呈针状分布。

关键词：

超高碳钢，顶锻压焊,顶锻变形，热模拟

SimulationStudyoftheUpendingPressureWelding

onUltra-HighCarbonSteel

ABSTRACT

Thisarticleintroducestheactualitiesofdevelopmentandresearchofultra-highcarbonsteel（UHCS）,andforecastsitsapplicationareas.Theupendingiskeyworkingprocedurefortherailjointsqualityofflashweldingandairpressurewelding.Inthispaper,thebehaviorofupendingpressureweldingforUHCSwasstudiedbyusingGleeble-1500Dthermalsimulationequipmennt,inthisprocesstheupendingpressureweldingwassimulatedthroughresistanceheating,thespeedinessweldingmethodthatishighenergydensityheaterandlowquantityofheatfeedpossessesverystrongheatstress-strainsimulationfunction.,andthat,itisnoneedweldingmaterialnocuttingslope,avoidingthematchingdifficultybetweenweldingmaterialandbasemateria.Thebestcombinationofmaintechnicsparameterswereconfirmedbytest.thehardnessandtensilestrengthofjointsweredetermined,themicrostructureofweldandheataffectedzonewereanalysedbyusingimageanalysisapparatus.

Theresultsshowthattheoptimumprocessparametersare:

heatingpeaktemperature1100°C,theheatingrate250°C/s,upendingcapacity8cm,upendingspeed3cm/s.TheweldingseamhardnesscanachieveHV254.3,thejointshardnessisnolessthebasematerial,weldingheataffectedzone（HAZ）didnotsoften,thetensilestrengthreached184.349MPaafterwelding,theorganizationsinweldheataffectedzonearepearlite+ferriteandpearlitethatissuperfineanddistributeevenly,thehardnessofHAZisabovebasematerials,thedistributionofsomeferritewasneedleform.

KEYWORDS:

ultra-highcarbonsteel,upendingpressurewelding,upendingdeformation,thermalsimulation

§2.1.1UHCS的制备工艺..........................6

§2.1.2UHCS的化学成分及组织....................6

第三章超高碳钢的压焊顶锻行为的模拟12

§3.1.1接头的抗拉强度..........................12

第一章绪论

§1.1引言

超高碳钢的含碳量在1.0%～2.1%（质量分数,下同）[1,2],超过了传统高碳钢的含碳量。

它的处理工艺与传统高碳钢不同,该钢在奥氏体化加热时需形变处理以获得较多的位错亚结构,完全奥氏体化淬火后经高温回火获得弥散球状渗碳体和铁素体基体。

由于有大量的超细碳化物,在二次加热过程中碳化物将阻碍奥氏体晶粒长大,获得超细奥氏体晶粒。

细小的奥氏体晶粒在不同的冷却条件下可获得所需的超细基体组织,如空冷可获得超细珠光体,淬火可获得超细马氏体。

由于采用传统方法制备出的超高碳钢具有极高的脆性，其工业化应用在过去一直被人们所忽视。

然而近三十年来的研究结果表明,当采用适当制备工艺使该材料获得超细铁素体（0.4～2.0μｍ）基体上分布着超细粒状渗碳体（0.2～1.0μｍ）组织，具有该组织的超高碳钢称为超细晶超高碳钢。

该材料不仅在中、高温下具有高变形速率下的超塑性特性,还在室温下具有高达1000MPa以上的强度和高达35%左右的塑性,并且通过适当的热处理工艺还可使其硬度提高至HRC65～68以上[3-5]。

晶粒细化是提高金属材料强度和韧性的有效方法之一，获得超细晶组织也一直是材料科技工作者梦寐以求的目标。

研究发现，采取各种形变热处理工艺使超高碳钢的组织得到充分细化后，该钢除了具有高强度和一定的韧性之外，还具有良好的超塑性，从而大大拓宽了超高碳钢的应用前景[6]。

后来在1999年日本的K.Tsuzaki等人提出珠光体+淬火+回火的普通热处理工艺，这种不经过形变的普通热处理工艺被称为是制备超细晶超高碳钢最经济实用的工艺。

§1.2国内外超高碳钢研究现状

20世纪70年代中期以来,斯坦福大学O.D.Sherby[7]、美国LawrenceLivemore国家实验室[7-11]和日本[12]等国学开展了一些研究,当采用适当制备工艺获得超细铁素体基体上分布着超细粒状渗碳体组织后,该材料不仅具有高的超塑性和良好的综合力学性能,而且利用其高温下良好的固态连接特性,还可与自身及其它金属材料（黄铜、铝青铜等）连接制备成新型高性能层状复合材料,具有较好的市场前景。

而国内至今对其研究甚少。

但史海生等人采用的具有快速凝固特点的喷射成形技术[13]，制取的含3%Si的UHCS不仅具有优良的显微组织，同时还具有非常独特的超塑性。

然而，限于喷射成形工艺自身的特点或设备上有待完善的原因，目前由喷射成形工艺获得的UHCS坯料中难免存在一些孔洞，还需要进行致密化处理才能愈合。

一、材料制备研究

从国外近三十年来的研究结果看,UHCS的超细晶制备工艺分为：

形变热处理、普通热处理和粉末冶金3大类。

1.形变热处理

通过塑性变形与相变相结合实现UHCS组织细化的一类方法。

由该方法衍生出的各种制备工艺。

高温形变热处理工艺[14],由奥氏体（A）均匀化、A+渗碳体（Fe3C）区的连续形变和铁素体（F）+Fe3C区的再等温形变3步组成,最终形成超细F+粒状Fe3C组织。

2.普通热处理

近年来国外发展的普通热处理工艺主要有循环淬火球化退火+淬火+回火和淬火+回火3种。

相比而言,第1种工艺最简单,但周期长、温度控制要求高；第2种工艺易使Fe3C相球化,适用成分范围更宽；第3种工艺获得的组织中F晶界多为大角度,有利于提高超塑性和室温性能,但材料碳含量不能过高,否则难以碎断网状Fe3C。

与形变热处理工艺相比,该类工艺成本低,对材料的成分有一定限制。

3.粉末冶金

该工艺是将制备出的超细晶UHCS粉末置于热等静压机中,升温至烧结温度后加压,使其致密化至理论密度而获得块体超细晶CHCS的方法。

与其它工艺相比该工艺特别适用于含碳高于2.1%铁基合金的制备,且超塑性高于铸锭法[15]。

但存在生产成本高,模具费用大,对制品的尺寸和形状有限制等题。

二、超塑性研究

所有成分的超高碳钢在A1温度附近均具有超塑性[16]。

原因在于随着碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大。

这种细小弥散分布的第二相质点可以有效阻碍超塑变形过程中基体组织的长大，故超高碳钢的超塑性属于细晶结构超塑性。

合金元素对超高碳钢的超塑性具有重要的影响[17,18],首先表现在对铁-碳相图的影响。

如硅的加入,共晶点和共析点都左移,而共晶和共析温度升高,使转变温度成为一个温度区间,扩大并稳定了两相区的温度范围,这对于超塑性变形是有利的。

现有的一些研究结果表明,晶界滑移是超高碳钢超塑性的主要变形机制,晶格扩散以及位错滑移蠕变对超塑性起协调变形作用。

三、力学性能研究

UHCS作为结构材料有大的发展前景和市场。

UHCS可被加工成锭、薄板和棒,并代替部分共析钢应用于耐磨件、工模具、汽车和铁轨等领域[19,20]。

在相同的组织条件下,如球化组织、珠光体、回火马氏体等,超高碳钢比共析钢具有更高的强度,且塑性也略有提高。

因为随着碳含量的增加,通过热加工等工艺,可使组织进一步细化,从而提高UHCS的强度。

UHCS比低碳钢、高强钢和双相钢具有更优良的室温力学性能,如图1-1所示。

图1-1UHCS与低碳钢、高强钢和双相钢的室温力学性能比较[21]

通过热处理UHCS可获得不同的显微组织,如马氏体、回火马氏体、贝氏体、珠光体等[22]。

一般来说,晶粒越细,室温综合力学性能越好,例如,具有细小贝氏体组织的1.0C-1.5CrUHCS的抗拉强度为1.81GPa,伸长率为18%[23]。

对于马氏体组织,马氏体针叶的大小直接影响UHCS的力学性能。

1.8C-1.6AlUHCS的原始组织为细小的球化组织,1000℃淬火时,大部分碳化物溶解,奥氏体晶粒迅速长大,所获得的马氏体也较粗大,这种组织虽然具有高的强度和硬度,但室温压缩塑性很差。

当800℃淬火时,碳化物不溶解,可获得光镜下不可分辨的马氏体组织和亚微M尺寸的碳化物,该组织具有优良的室温性能:

压缩应变为26%,断裂强度为4.69GPa[23]。

§1.3超高碳钢发展及应用领域展望

UHCS作为一种新兴的结构材料,具有广阔的潜在应用前景。

日本钢铁研究委员会委员长牧正志认为,F与Fe3C是钢的最基本组织,利用占共析组织12%的Fe3C强化是当今钢铁研究的一个重要方向。

而超细晶UHCS的研究就是利用