贝氏体耐磨钢焊接组织与性能研究Word格式文档下载.docx

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（3）贝氏体钢具有高的强韧性；

（4）可在很大截面尺寸上获得优良性能；

（5）与淬火回火钢比，设备、工艺简单，成本低。

1.2贝氏体耐磨钢的应用随着贝氏体耐磨钢的不断发展与应用，人们开始注意到其表现出来的优良的强韧性，它的那些耐磨、强度是现有珠光体钢轨未曾达到的高度，珠光体钢轨必然要被贝氏体耐磨钢所取代，作为一种新型的高强度钢，贝氏体耐磨钢正逐步引起钢铁业和机械加工制造业工艺流程的变革，对推动相关科学技术进步将起到重要作用。

贝氏体钢在保证高强度的条件下，仍能保持很高的韧性，并在恶劣环境下能满足焊接性能，其领域逐渐扩大，可用于石油管线、舰船、大型结构件及海洋设施，在机械、汽车等行业，已经获得了广泛的应用。

低碳贝氏体耐磨钢具有高硬度、高韧性，且工艺简单，低成本，生产效率高。

还可应用于制作塑料模具、建筑用高强度钢筋、贝氏体钢弹簧、油田用抽油杆和作为工程结构及标准件用钢等。

材料界和工业行业都对贝氏体耐磨钢有着持续的兴趣，中国的各个特殊钢厂也都在研制开发一系列低碳贝氏体钢。

贝氏体钢所产生的经济效益对人们的生活质量有了很大的提高，其涉及的应用正在不断深入国内各重要行业3。

1.3贝氏体钢的发展与前景改革开放以来，我国钢铁工业取得了很大的进步，现今绝大多数产品已能满足国内需要。

在看到成绩的同时，也存在着严峻的挑战，如何提高我国钢铁工业的竞争力，是一项紧迫的战略任务。

包括质量、价格、成本、品种、技术竞争力等。

我国在空冷贝氏体钢技术上已在国际上处于领先水平，尤其近年来贝氏体钢突破了许多技术难关，应用上正在迅速发展，高性能、低成本、高效益、市场竞争力强的贝氏体钢新品种正在不断问世，三十年代初，美国人ECBain等发现低合金钢在中温等温下可获得一种高温转变及低温转变相异的组织，后被人们称为贝氏体，该组织具有较高的强韧性配合。

我国柯俊、徐祖耀、徐启昆、刘世楷、俞德刚、李承基、刘文西、李凤照等对贝氏体相变作出了杰出的贡献，康沫狂等在Mo-B系及Mo系贝氏体钢方面作出突出贡献4。

我国方鸿生等于70年代初，发现Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的河湾，使钢的上、下C曲线分离，Mn与B相结合，使高温转变孕育期明显长于中温转变。

以此成功地用普通元素合金化，发明出Mn-B系空冷贝氏体钢，Mn的原料价格为Mo的130125，所以它在推广应用产业化中显示突出优势，发展迅速，成为贝氏体钢发展的重要方面4。

贝氏体钢应用范围广，并具有明显的性能价格比优势，应用前景十分广阔。

目前效果显著且有待继续发展的有：

贝氏体耐磨钢球、高硬度高耐磨低合金贝氏体铸钢、工程锻造用耐磨件、耐磨用传输管材等；

正在实施的初步效果突出的有：

贝氏体弹簧钢、建筑用贝氏体高强度IV级钢筋、铁路道岔等；

有待实现的有：

工程结构用钢、贝氏体齿轮钢等，贝氏体钢的应用必将为人类发展做出前所未有的贡献5。

1.4主要研究内容及意义1.4.1主要研究内容此次实验采用手工电弧，针对贝氏体辙叉钢轨经常出现的使用时的磨损现象，对同一批贝氏体钢基体，采取对比实验。

通过改变焊条成分，加入更多的钼元素，分别用JD-960贝氏体焊条和自制的贝氏体焊条在同一焊接条件下对贝氏体耐磨钢试样进行对焊焊接，然后分别观察分析两种贝氏体钢焊接接头的焊缝、热影响区以及熔合区的金相组织，并测出接头不同区域的硬度值，对比分析贝氏体耐磨钢的焊接性能和力学性能，得出合金元素钼对性能的影响。

1.4.2实验意义实验意义进入新世纪，钢轨逐年增多的磨耗、压溃、核伤、擦伤，造成了巨大的经济损失，甚至会发生无法挽回的人身伤害事故，在铁路繁忙及重载干线，磨耗更为严重，减缓钢轨伤损、延长其使用寿命，成为一个亟待解决的技术难题。

此次实验，改变焊条药皮的成分，分析出哪种焊条配方成分能够提高贝氏体耐磨钢的焊接工艺性能，得出各种元素对焊接工艺性能的影响，对如何铁路维护节省成本，增加钢轨使用寿命提出见解，改变现有钢轨品种短缺、换轨频繁的诟病，对提高铁路运输的安全性做一定的研究，提高铁路运输的经济效益，积累实验数据，为我国研究开发新一代贝氏体耐磨钢钢轨作出自己的贡献。

2.实验方法及过程2.1技术路线技术路线如图1.1所示图1-1技术线路2.2实验材料及设备实验材料及设备实验母材：

贝氏体耐磨钢焊接材料：

自制贝氏体焊条和JD-960焊条实验设备：

（1）ZYHC-20焊条烘干机;

（2）GBT逆变式直流弧焊机;

（3）P-1型金相试样抛光机，650A型吹风机;

（4）数显显微硬度计;

（5）倒置金相显微仪;

（6）线切割机。

2.3实验原理在贝氏体转变开始之前，过冷奥氏体中的C原子发生不均匀分布，出现了许多局部富碳区和局部贫碳区。

在贫碳区中可能产生铁素体晶核，当尺寸大于该温度下的临界晶核尺寸时，这种铁素体晶核将不断长大。

由于过冷奥氏体所处的温度较低，铁原子的自扩散已经相当困难，形成的铁索体晶核，只能按共格切变方式长大（也有人认为是按台阶机制长大），而形成条状或片状铁素体。

与此同时，碳从铁素体长大的前沿向两侧奥氏体中扩散，而且铁素体中过饱和C原子不断脱溶。

温度较高时，C原子穿过铁素体相界扩散到奥氏体中或在相界上沉淀为碳化物。

温度较低时，碳原子在铁素体内部一定晶面上聚集并沉淀为碳化物。

当然，也可能有同时在相界上和铁素体内部沉淀碳化物的情况。

这种按共格切变方式（或台阶机制）长大的铁素体与富碳奥氏体（或随后冷却时的转变产物）或碳化物构成的混合物，即贝氏体6。

贝氏体相变是介于共析分解和马氏体相变之间的过渡性相变，因此，从其表象到实质所反映的特征均与相变的过渡性质密切相关。

又由于贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间，因而使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些特点，可以总结为：

贝氏体转变需要一定的孕育期，虽然在某些钢中其孕育期极短，甚至达到难以测定的程度。

钢中贝氏体可以在一定温度范围内等温形成，也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变7。

贝氏体转变是一种形核、长大过程，贝氏体长大时，与马氏体相似，在平滑试样表面有浮凸现象，这说明aFe可能是按共格切变方式长大的，但与马氏体转变不同，相变时C扩散重新分配，旺相长大速度受钢中C的扩散控制，因而很慢，可以用高温金相直接观察7。

贝氏体转变有一上限温度（Bs），也有一下限温度（Bf），奥氏体必须过冷至Bs点以下才开始形成贝氏体；

到达Bf温度则转变即告结束，贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至Bf温度，贝氏体转变也不能完全进行，随转变温度升高，转变的不完全性愈甚7。

钢中贝氏体的碳化物分布状态随形成温度不同而异，较高温度形成的上贝氏体，碳化物一般分布在铁素体条之间；

较低温度形成的下贝氏体，碳化物主要分布在铁素体条内部，在低、中碳钢中，当形成温度较高（接近Bs）时，也可能产生不含碳化物的无碳化物贝氏体，随贝氏体形成温度下降，贝氏体中铁素体的含碳量升高7。

贝氏体转变时，Fe和合金元素的原子不发生扩散，c原子发生扩散，对贝氏体转变起控制作用，上贝氏体转变速度取决于c在一Fe中的扩散，下贝氏体的转变速度取决于c在aFe中的扩散7。

所以，影响C原子扩散的因素都会影响到贝氏体形成速度。

贝氏体中的铁素体有一定的惯习面，并与母相奥氏体之间保持一定的晶体学位向关系。

上贝氏体的惯习面为（111），下贝氏体的惯习面一般为（225），贝氏体、铁素体与奥氏体之间存在KS位向关系8。

2.4自制焊条的配方表2.1自制焊条药皮药（质量分数%）成分百分比（%）大理石萤石石英钛白粉稀土硅铁钛铁中碳锰铁75硅铁中碳铬铁钼铁金属钼441493593.52.562.51.5注：

药皮重量系数为50%2.5焊接过程2.5.1焊前准备

（1）对接焊开X形坡口焊接接头坡口尺寸如下图所示图2.1X形坡口尺寸

（2）打磨清洗去除氧化皮，工件表面的任何缺陷如裂纹、气孔等都会对实验造成影响，需要用金相砂纸打磨掉，还有表面油污、铁锈要充分清洗去除，保证母材焊前各方面性能良好。

（3）焊条烘干在焊前一天将两种焊条放入焊条烘干炉烘干，烘干后的焊条焊应立即放在保温箱里，烘干的目的在于降低熔池和焊缝中的氢含量，防止焊条受潮产生气孔和冷裂纹。

（4）焊接材料焊前无需预热（5）将弧焊机接通电源，按反极性接法接好工件。

2.5.2实验参数

（1）采用直流反接，原因是直流电焊接的电弧稳定、飞溅小，不易产生气孔，容易获得优质焊缝。

（2）焊接电流120A（3）焊接速度由操作者掌握，灵活处理以保障焊缝所要求的尺寸和质量，如果过慢，热影响区会变宽，变形增大；

如果过快，会造成未焊透，未熔合等缺陷。

（4）采用平焊焊接位置2.5.3施焊将准备好的焊件用夹具固定好后置于工作台上，调整焊接参数，先对试样进行点焊定置，打火引弧后应立即将焊条从焊缝区拉开，使焊条与构件间保持24mm间隙产生电弧。

保持一定的弧长，沿中心线匀速直线前进，焊接结束后马上划圈收弧。

2.6金相组织检测焊接裂纹分析和断口分析是焊接金相分析的重要内容，已引起众多研究者的重视。

分析焊缝中可能存在的气孔、夹杂物及未焊透等缺陷也是焊接金相分析的内容,分析具有焊接缺陷的焊接接头金相试样的目的在于揭示这些缺陷的分布形态、大小和数量，以便设法减少或消除它们9。

焊接金相分析有自己本身的特点，由于焊接过程的复杂性，焊接金相研究比一般的金相研究更复杂、更困难。

焊接接头区域的金相组织变化很大，在焊接快速加热和冷却条件下的焊接接头，形成大量的非平衡组织，各区域组织相差悬殊。

通过对焊接裂纹的金相分析，可以准确地判定焊接裂纹的性质（冷裂纹或热裂纹）、微裂纹起源和扩展方向、断裂性质（脆性或韧性断裂）等，这对于针对典型产品制定合理的焊接工艺、防止焊接裂纹、提高焊接接头质量和力学性能等具有重要的意义10。

金相试样的制备：

1试样的选取，因为金相试样的选择要有代表性，此次选择的是线切割方法垂直切割焊缝的中部，切取一块长约40mm，宽约15mm的样品，试样表面光洁，精度高，便于握持和容易研磨。

2试样的磨制，分为粗磨和细磨，先把试样放在平面砂轮机上磨去试样表面明显的不规则的部分，同时用水冷却，防止试样过热引起组织变化，尽量减少倾斜，磨面四周要倒角，以免刮坏后续细磨的砂纸和抛光布，磨到表面平整后再用砂纸进行细磨。

砂纸由粗到细依次有120、180、240、320、400、500、600各号，磨制时，将砂纸平铺于厚玻璃板上，一手按住砂纸，一手拿样品在砂纸上单向推磨，用力要均匀，使整个磨面都磨到。

在调换下一号更细砂纸时，要把手、样品、玻璃板等清理干净，并与上道磨痕方向垂直磨制，磨到前道磨痕完全消失时才能更换砂纸，直到试样表面光滑，没有明显划痕为止。

3试样的抛光，将细帆布铺在抛光机抛光盘上，将磨面均匀的压在旋转的抛光盘上，并沿盘边缘到中心作径向往复运动，同时适当转动试样，抛光时不停在抛光布上滴注抛光液。

抛光后的试样表面光亮，不允许有明显划痕，试样要用清水冲洗干净，然后无水酒精冲去残留水滴，最后用吹风机吹干。

4试样的侵蚀，采用4硝酸酒精溶液对试样抛光面进行浸蚀约lOs，然后用吹风吹干。

5金相的观察，如果有腐蚀黑斑、明显划痕就需要重新抛光，直到金相图清晰显示为止。

此次实验首先用100倍镜头观察试样的全貌找到合适的视场，再用400倍镜头分析组织细节，进行金相图照相。

2.7显微硬度测试操作步骤：

（1）在硬度机试样平台上粘贴一条钢尺，将试样放在工作台上紧靠钢尺，工作台应清洁无污物，确保试样不产生移动。

（2）升高平台使压头与试样接触，慢慢向前推加载手柄，压头下降加载，加力过程中不能有冲击。

（3）红灯亮十秒以上再卸载，旋转手柄下降平台，然后慢慢改变试样位置打下一个硬度。

（4）焊接接头分为焊缝、熔合区以及热影响区三个区域，硬度点从焊缝开始，向两侧熔合区、热影响区、母材移动，每次相隔0.5mm，移动的距离要靠钢尺刻度掌握，因此试样要靠着钢尺。

（5）硬度点打完之后，继续测量硬度点的大小，将试样放在物镜的下面，下降平台，调整物镜焦距，使清晰看到硬度点的四方形，测量记录硬度点两对角线的距离，然后记录维氏硬度机上显示的硬度值。

3.实验结果与分析3.1焊条焊接工艺性能焊接工艺性能如图表3.1所示表3.1两种焊条的焊接工艺性能焊条JD-960自制贝氏体焊条施焊过程电弧稳定性稳定不太稳定焊接飞溅小较大爆炸声小小烟尘少较大熔渣观察熔渣流动性赶渣赶渣渣复盖性全全脱渣性容易容易渣壳内松孔程度松孔少松孔无熔渣颜色黑褐色黑色焊缝外表焊波及成形美观尚可外表有无麻点压坑无无外表有无气孔裂纹少较少由上表的记录可知自制的焊条总体上与标准焊条性能上差别不大，自制焊条还减少了渣壳内的气孔，但是自制焊条焊接时不易引弧，主要原因是焊条焊接端的焊芯被药粉覆盖，电弧不太稳定可能是人为操作不够成熟造成的，还有就是飞溅较大，应该是电流不稳定的原因11。

3.2金相组织分析3.2.1母材母材组织如图3.110mm图3.1母材母材组织为粒状贝氏体，白色网状的是铁素体，暗黑色为富碳奥氏体岛，如图3.1所示。

母材距离焊缝比较远，温度变化相对较小，焊接过程中基本不发生相变过程，因此保留其原始组织。

在奥氏体冷却到上贝氏体转变温度区，析出铁素体后，由于碳扩散到奥氏体中，形成奥氏体富碳区，不再转变铁素体。

这些奥氏体区域一般呈粒状或长条状，分布在铁素体基体上。

这种富碳奥氏体在冷却或等温过程中，可以部分的发生转变，形成所谓的M-A组织，即为粒状贝氏体。

3.2.2焊缝焊缝是焊接接头的主体。

焊缝金属通常由母材和焊材经过熔化、结晶凝固而形成。

两种贝氏体焊条焊接接头的焊缝组织如图3.2所示（a）焊缝组织（JD-960焊条）（b）焊缝组织（自制贝氏体焊条）图3.2焊缝组织是粒状贝氏体，焊条熔化后，焊缝的含碳量随之下降，合金元素含量随之上升，铬、镍、锰、硼等元素的加入使贝氏体的转变温度下移，C曲线右移，钢的临界冷却速度得到降低，使钢的淬透性明显增加，在贝氏体转变温度区间内，奥氏体成分分布不均匀，形成富碳区和贫碳区，而在铁素体形成之后，过饱和的碳将从铁素体向奥氏体中扩散，在合金元素影响下，富碳的奥氏体岛可以转变为富碳M和残余奥氏体，即M/A组织。

这些块状铁素体基体上的M/A在焊缝中呈粒状，形成粒状贝氏体12。

焊缝区域内有柱状晶，生长方向与散热最快的方向大致相同，也就是于熔合线垂直向焊缝中心发展。

在焊缝冷却过程中，主要依靠熔合区未熔化的基体金属晶粒表面非均匀形核。

两种接头的焊缝组织虽然基本上都是粒状贝氏体，但由于自制焊条加入更多的钼元素，可看出使的自制焊条的焊缝组织晶粒更加细化。

分析钼对焊缝组织的影响为：

1钼元素使焊缝组织内先共析铁素体的体积分数逐渐减少，最终完全消失，使针状铁素体先增多后减少，二次相铁素体随钼含量的增加而先减少后增多。

2通过电弧热循环发生冶金反应形成氮化物和碳化物，充当外来核心的作用，起到细化晶粒的作用。

3成排二次相的铁素体团组织逐渐替换掉原来的等轴铁素体晶粒，使细晶区晶粒大小分布不均。

4钼含量的增加使奥氏体晶界的铁素体含量逐渐降低直至几乎消失。

并且使粗晶区晶粒发生细化13。

3.2.3熔合区熔合区是焊缝和母材的交界区，也称为半熔化区，是焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域。

熔合区很窄，两侧分别为经过完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区14。

两种贝氏体焊条焊接接头的熔合区组织如图3.3所示：

（a）熔合区组织（JD-960焊条）（b）熔合区组织（自制贝氏体焊条）图3.3图（a）组织为粒状贝氏体+针状贝氏体+碳化物贝氏体+马氏体组织；

图（b）组织为粒状贝氏体+碳化物贝氏体+针状贝氏体+马氏体组织。

焊接时熔合区的母材被奥氏体化，但在随后冷却过程中，奥氏体还是得到了粒状贝氏体，并且由于焊接的冷却速度很快，所得到的粒状贝氏体比母材更细小。

金属处在部分熔化状态，化学成分与组织非常不均匀，冷却后得到的组织为过热组织。

尽管熔合区很窄，在金相观察时很难划分出来，但由于产生过热组织，会产生不利的组织带，导致该区域塑性和韧性下降，成为焊接接头中的薄弱环节。

在很多情况下，熔合区经常是使接头脆性破坏或产生裂纹的发源地15。

两种接头熔合区组织基本上相同，不过JD960焊条焊接接头过饱和碳较多且晶粒相对较粗。

原因就是我们在自制焊条里加入了更多的钼，反应所形成的碳化物起到外来形核的作用，细化了晶粒，使针状贝氏体的尺寸变小，碳化物贝氏体过饱和碳量也明显减少。

3.2.4热影响区焊接热影响区是焊接过程中，母材因受热影响（但未熔化）而发生组织和力学性能变化的区域。

由于焊接热影响区不同部位所受热作用的不一致性，造成其内部组织和性能的分布不均匀，以致可能使其成为焊接接头的最薄弱环节16。

两种贝氏体焊条焊接接头的热影响区组织如下图3.4所示10m10m（a）热影响区组织（JD-960焊条）（b）热影响区组织（自制贝氏体焊条）图3.4图（a）组织为粒状贝氏体图（b）组织为粒状贝氏体在焊接过程中，由于加热瞬时性和局部性，使焊缝附近的母材在焊接过程中受到特殊热循环作用，其特点是升温速度快，冷却速度也快，也就形成了组织和性能都不同于母材的焊接热影响区。

热影响区的组织是粒状贝氏体。

由于其距离焊缝较近，温度较高，晶粒结晶而使得该区域的组织比较粗大，粒状贝氏体是在以一定速度连续冷却后或在稍高于上贝氏体相变区高温范围内等温时获得的，由块状铁素体和富碳奥氏体所组成的，呈粒状、岛状或长条状的富碳奥氏体不连续地分布在块状铁素体的基体上。

富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下三种情况：

部分或全部分解为铁素体和碳化物的混合物；

部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，常常是孪晶马氏体；

全部保留下来，成为残余奥氏体17。

在焊接过程中，热影响区的不同部位经历了不同的焊接热循环，距熔合区越近，加热的峰值温度就越高，加热速度和冷却速度也越大，根据经历的热循环的不同，热影响区可分为粗晶区、细晶区、临界区和亚临界区等。

粗晶区又称过热区，由于加热温度很高，晶粒发生急剧长大。

细晶区又称相变重结晶区或正火区，由于在加热和冷却过程中发生相变重结晶，因而组织得以细化17。

两种接头热影响区组织基本相同，原因是此次实验的焊接工艺相同，而且是对同一批次的贝氏体钢的母材进行实验，因此热循环作用相同，而且母材没有熔化，合金元素无法进入到热影响区中，对其产生影响。

3.3显微硬度分析3.3.1JD-960焊条的焊接接头显微硬度JD-960焊条焊接接头显微硬度如表3.2所示：

表3.2JD-960焊条焊接接头显微硬度焊缝熔合区离焊缝的距离（mm）00.511.522.533.544.555.5显微硬度（HV）385412418405411467512547569654625588热影响区母材离焊缝的距离66.577.588.599.51010.5（mm）显微硬度（HV）521487468491525482439412431445JD-960焊条焊接接头硬度曲线如下图3.5所示：

图3.5JD-960焊条焊接接头硬度曲线焊缝与母材硬度基本相同。

熔合区有针状贝氏体和碳化物存在，使该区域硬度值显著增大，主要原因是：

等温处理得到上贝氏体组织时，冲击韧性显著下降，这种现象为贝氏体脆性，是由铁素体中的碳化物分布不均匀造成的。

另外在此相变温度范围内硬度值增大，说明贝氏体脆性还与过冷奥氏体转变不完全，冷却过程中会转变为马氏体有关。

针状贝氏体中小的碳化物不易产生裂纹，就算产生了裂纹也很难达到临界尺寸。

因此裂纹不易扩展而且容易被抑制，就会形成新的裂纹，降低了韧脆转变的温度。

硬度增大还与马氏体组织有关。

由于针状贝氏体的作用使显微硬度逐渐增大，距离焊缝8.5mm时硬度值最大。

热影响区分为过热区、正火区和部分相变区三个区域，在过热区硬度值很低，原因是此区域晶粒粗大，成分不均匀。

在正火区组织晶粒比较细小，机械性能提高，所以硬度上升。

在距焊缝11.0mm是部分相变区，成分不均匀机械性能降低，硬度值减小18。

最外面为母材，组织为粒状贝氏体，硬度值与焊缝区域大致相同。

3.3.2自制焊条的焊接接头显微硬度自制焊条焊接接头显微硬度如表3.3所示表3.3自制焊条的焊接接头显