材料加工工程专业优秀论文材料加工工程专业优秀论文 FeAlFeAl 熔焊接头区组织结构及应力熔焊接头区组织结构及应力分布研究分布研究关键词：金属间化合物关键词：金属间化合物 组织结构组织结构 有序结构有序结构 应力分布应力分布 熔焊接头性能熔焊接头性能 高脆性材高脆性材 料料摘要：Fe3Al 金属间化合物独特的性能使其具有很好的应用前景，但由于 Fe3Al 属脆硬材料，其熔焊具有很大难度。本文采用填丝钨极氩弧焊（TIG）和焊条电 弧焊（SMAW）针对 Fe3Al 以及 Fe3Al/18-8 钢和 Fe3Al/Q235 钢的焊接性进行试 验研究。以扫描电镜（SEM） 、透射电镜（TEM） 、高温差示扫描量热仪（DSC）和 ANSYS 有限元分析软件等为主要研究手段，以钨极氩弧焊（TIG）接头为研究重 点，揭示 Fe3Al 焊接区微观组织结构与接头性能的内在联系。 系列工艺性试 验结果表明，钨极氩弧焊（TIG）采用 Cr23-Ni13 填充材料，焊接热输入 5.5- 6.9 kJ/cm；焊条电弧焊（SMAW）采用 E310-16 型焊条，焊接热输入 9.8- 11.5kJ/cm，可获得组织性能良好的 Fe3Al 焊接接头。其中，Fe3Al/Q235 接头 的剪切强度最大（591.1MPa） ，Fe3Al/18-8 接头次之，FeaAl/Fe3Al 接头最小 （127.3MPa） 。 以接头特征区域划分为主线，展开显微组织、微观结构、裂 纹和断口的针对性研究。Fe3Al 接头特征区域包括均匀混合区（HMZ） 、不均匀 混合区（PMZ） 、部分熔化区（PFZ）和热影响区（HAZ） 。Fe3Al/18-8 和 Fe3Al/Q235 的 HMZ 以 为基体，晶界上有片状先共析铁素体析出。Fe3Al/18- 8 接头 PMZ 存在残余 ML 和 Fe3Al 小岛；宽约 30m 的富奥氏体带以 50- 70#176;的角度沿 PFZ 分布。Fe3Al/Fe3Al 的 HMZ 由大块 -Fe（Al）固溶 体组成，PMZ 形成 Fe3Al 熔化滞留层。Fe3Al 焊接裂纹起源于 PFZ，并沿 PFZ 及 HAZ 扩展。Fe3Al/18-8 和 Fe3Al/Q235 钢接头剪切断口以穿晶解理断裂为主， Fe3Al/Fe3Al 接头断口为沿晶断裂。 Fe3Al/18-8 接头区的相结构由 Fe3Al、-（Fe，C） 、FeAl、-Fe（Al） 、Ni3Al 和（Cr，Fe）7C3 组成； Fe3Al/Q235 接头区的相结构包括 Fe3Al、FeAl、Fe4Al13、-Fe（Al） 、NiAl 和（Fe，Cr） ；Fe3Al/Fe3Al 接头区相结构相对简单。Fe3Al/18-8 接头 HMZ 中上 贝氏体 相内部具有高密度位错亚结构， 板条宽度在 0.3m 左右， 相和 相之间存在（110）（111）、110101 的位相关系。下贝氏 体 相板条宽度在 0.2-0.5m 之间。PMZ 中的 ML 板条宽度约为 40hm，残余 薄膜宽度为 10-20nm。Fe3Al/Fe3Al 接头 PMZ 中 -Fe（Al）相和 Fe3C 相之 间存在（100）Fe3C（110）-Fe（Al） ；100Fe3c/110-Fe（Al）的位 相关系。 揭示焊接条件下 Fe3Al B2 与 DO3 有序结构转变的两种模式：位错 密度较大处为间隔转变模式；位错密度较低处 DO3 结构从 B2 结构中呈球形析出 转变模式，并以间隔转变模式为主。DO3-B2 相变温度和热焓变化焊后出现不同 程度的降低，且焊接热输入越小，降低幅度越大，DO3-B2 转变逐渐向低温发展。 在表征分析、热力学分析的基础上，建立 DO3-B2 转变的数学模型，通过控制焊 接热输入，可获得 DO3 与 B2 结构比例不同的 Fe3Al 接头，适用不同的工作条件。在组织结构分析的基础上，对 Fe3Al/18-8 接头的应力分布进行研究。将 Fe3Al/18-8 接头应力区划分为应力突变区、应力过渡区和应力稳定区，分析熔 合区、焊缝及热影响区不同截面的应力分布。Fe3Al 侧熔合区为应力集中区域， 在应力突变区主要受 y 拉应力作用，y 峰值约为 x 峰值的 2 倍；在应力稳定区主要承受 x 拉应力；焊缝应力突变区主要承受 y 压应力，应力稳定 区主要受 x 拉应力作用；Fe3Al 热影响区应力突变区主要承受 y 拉应力， 应力稳定区则主要为 x 压应力。 本文解决了 Fe3Al 脆性材料熔焊时的裂纹 问题，特别是在不预热条件下的焊接裂纹问题，为 Fe3Al 金属间化合物的应用 打下良好试验和理论基础。本文提出焊接区组织结构与应力分析相结合，以特 征区域为研究主线的研究思路，采用表征分析、热力学分析与数学分析相结合 的研究手段，为高脆性材料的焊接研究提供思路。正文内容正文内容Fe3Al 金属间化合物独特的性能使其具有很好的应用前景，但由于 Fe3Al 属脆硬材料，其熔焊具有很大难度。本文采用填丝钨极氩弧焊（TIG）和焊条电 弧焊（SMAW）针对 Fe3Al 以及 Fe3Al/18-8 钢和 Fe3Al/Q235 钢的焊接性进行试 验研究。以扫描电镜（SEM） 、透射电镜（TEM） 、高温差示扫描量热仪（DSC）和 ANSYS 有限元分析软件等为主要研究手段，以钨极氩弧焊（TIG）接头为研究重 点，揭示 Fe3Al 焊接区微观组织结构与接头性能的内在联系。 系列工艺性试 验结果表明，钨极氩弧焊（TIG）采用 Cr23-Ni13 填充材料，焊接热输入 5.5- 6.9 kJ/cm；焊条电弧焊（SMAW）采用 E310-16 型焊条，焊接热输入 9.8- 11.5kJ/cm，可获得组织性能良好的 Fe3Al 焊接接头。其中，Fe3Al/Q235 接头 的剪切强度最大（591.1MPa） ，Fe3Al/18-8 接头次之，FeaAl/Fe3Al 接头最小 （127.3MPa） 。 以接头特征区域划分为主线，展开显微组织、微观结构、裂 纹和断口的针对性研究。Fe3Al 接头特征区域包括均匀混合区（HMZ） 、不均匀 混合区（PMZ） 、部分熔化区（PFZ）和热影响区（HAZ） 。Fe3Al/18-8 和 Fe3Al/Q235 的 HMZ 以 为基体，晶界上有片状先共析铁素体析出。Fe3Al/18- 8 接头 PMZ 存在残余 ML 和 Fe3Al 小岛；宽约 30m 的富奥氏体带以 50- 70#176;的角度沿 PFZ 分布。Fe3Al/Fe3Al 的 HMZ 由大块 -Fe（Al）固溶 体组成，PMZ 形成 Fe3Al 熔化滞留层。Fe3Al 焊接裂纹起源于 PFZ，并沿 PFZ 及 HAZ 扩展。Fe3Al/18-8 和 Fe3Al/Q235 钢接头剪切断口以穿晶解理断裂为主， Fe3Al/Fe3Al 接头断口为沿晶断裂。 Fe3Al/18-8 接头区的相结构由 Fe3Al、-（Fe，C） 、FeAl、-Fe（Al） 、Ni3Al 和（Cr，Fe）7C3 组成； Fe3Al/Q235 接头区的相结构包括 Fe3Al、FeAl、Fe4Al13、-Fe（Al） 、NiAl 和（Fe，Cr） ；Fe3Al/Fe3Al 接头区相结构相对简单。Fe3Al/18-8 接头 HMZ 中上 贝氏体 相内部具有高密度位错亚结构， 板条宽度在 0.3m 左右， 相和 相之间存在（110）（111）、110101 的位相关系。下贝氏 体 相板条宽度在 0.2-0.5m 之间。PMZ 中的 ML 板条宽度约为 40hm，残余 薄膜宽度为 10-20nm。Fe3Al/Fe3Al 接头 PMZ 中 -Fe（Al）相和 Fe3C 相之 间存在（100）Fe3C（110）-Fe（Al） ；100Fe3c/110-Fe（Al）的位 相关系。 揭示焊接条件下 Fe3Al B2 与 DO3 有序结构转变的两种模式：位错 密度较大处为间隔转变模式；位错密度较低处 DO3 结构从 B2 结构中呈球形析出 转变模式，并以间隔转变模式为主。DO3-B2 相变温度和热焓变化焊后出现不同 程度的降低，且焊接热输入越小，降低幅度越大，DO3-B2 转变逐渐向低温发展。 在表征分析、热力学分析的基础上，建立 DO3-B2 转变的数学模型，通过控制焊 接热输入，可获得 DO3 与 B2 结构比例不同的 Fe3Al 接头，适用不同的工作条件。在组织结构分析的基础上，对 Fe3Al/18-8 接头的应力分布进行研究。将 Fe3Al/18-8 接头应力区划分为应力突变区、应力过渡区和应力稳定区，分析熔 合区、焊缝及热影响区不同截面的应力分布。Fe3Al 侧熔合区为应力集中区域， 在应力突变区主要受 y 拉应力作用，y 峰值约为 x 峰值的 2 倍；在应力 稳定区主要承受 x 拉应力；焊缝应力突变区主要承受 y 压应力，应力稳定 区主要受 x 拉应力作用；Fe3Al 热影响区应力突变区主要承受 y 拉应力， 应力稳定区则主要为 x 压应力。 本文解决了 Fe3Al 脆性材料熔焊时的裂纹 问题，特别是在不预热条件下的焊接裂纹问题，为 Fe3Al 金属间化合物的应用 打下良好试验和理论基础。本文提出焊接区组织结构与应力分析相结合，以特征区域为研究主线的研究思路，采用表征分析、热力学分析与数学分析相结合 的研究手段，为高脆性材料的焊接研究提供思路。 Fe3Al 金属间化合物独特的性能使其具有很好的应用前景，但由于 Fe3Al 属脆 硬材料，其熔焊具有很大难度。本文采用填丝钨极氩弧焊（TIG）和焊条电弧焊 （SMAW）针对 Fe3Al 以及 Fe3Al/18-8 钢和 Fe3Al/Q235 钢的焊接性进行试验研 究。以扫描电镜（SEM） 、透射电镜（TEM） 、高温差示扫描量热仪（DSC）和 ANSYS 有限元分析软件等为主要研究手段，以钨极氩弧焊（TIG）接头为研究重 点，揭示 Fe3Al 焊接区微观组织结构与接头性能的内在联系。 系列工艺性试 验结果表明，钨极氩弧焊（TIG）采用 Cr23-Ni13 填充材料，焊接热输入 5.5- 6.9 kJ/cm；焊条电弧焊（SMAW）采用 E310-16 型焊条，焊接热输入 9.8- 11.5kJ/cm，可获得组织性能良好的 Fe3Al 焊接接头。其中，Fe3Al/Q235 接头 的剪切强度最大（591.1MPa） ，Fe3Al/18-8 接头次之，FeaAl/Fe3Al 接头最小 （127.3MPa） 。 以接头特征区域划分为主线，展开显微组织、微观结构、裂 纹和断口的针对性研究。Fe3Al 接头特征区域包括均匀混合区（HMZ） 、不均匀 混合区（PMZ） 、部分熔化区（PFZ）和热影响区（HAZ） 。Fe3Al/18-8 和 Fe3Al/Q235 的 HMZ 以 为基体，晶界上有片状先共析铁素体析出。Fe3Al/18- 8 接头 PMZ 存在残余 ML 和 Fe3Al 小岛；宽约 30m 的富奥氏体带以 50- 70#176;的角度沿 PFZ 分布。Fe3Al/Fe3Al 的 HMZ 由大块 -Fe（Al）固溶 体组成，PMZ 形成 Fe3Al 熔化滞留层。Fe3Al 焊接裂纹起源于 PFZ，并沿 PFZ 及 HAZ 扩展。Fe3Al/18-8 和 Fe3Al/Q235 钢接头剪切断口以穿晶解理断裂为主， Fe3Al/Fe3Al 接头断口为沿晶断裂。 Fe3Al/18-8 接头区的相结构由 Fe3Al、-（Fe，C） 、FeAl、-Fe（Al） 、Ni3Al 和（Cr，Fe）7C3 组成； Fe3Al/Q235 接头区的相结构包括 Fe3Al、