Mechanical properties and fractograph of SiC foam-SiC particles-Al composites
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690MPa级低合金高强钢焊接接头组织性能娄宇航;肖红军;彭云;王爱华;田志凌;彭增华【摘要】To reveal the relationship between microstructures and mechanical properties of a 690 MPa grade high strength low alloyed (HSLA) steel,the welded joints without developing any defects were obtained by SMAW and SAW,and the mechanical properties(tensile strength,toughness,flexural strength) were measured,the microstructures were studied by OP,SEM and TEM.The results indicated that both microstructures of the welds from two welding processes mainly consisted of lath bainite and a little acicular ferrite,and the coarse grain heat affected zones(CGHAZ) revealed a predominately coarse bainite structure and a little martensite.Numerous spherical inclusions,small and uniformly distributed,were founded in both weld metals.The welded joints of the two welding processes had fine mechanical properties.At-50 ℃ both the fracture surfaces exhibited a mixed fractograph of dimples and quasi-cleavage.Impact energy of SMAW at weld interface was lower than that of SAW,but it increased more significantly with the increase of distance from weld interface.Microstructures and inclusions play an important role in welded joints.%为探讨690 MPa级低合金高强钢焊接接头组织与性能的关系,采用手工电弧焊(SMAW)和埋弧焊(SAW)获得成形良好的焊接接头,经过拉伸、冲击、弯曲试验及光学显微镜、扫描电镜和透射电镜分析,对两种焊接方法的接头组织性能进行研究.结果表明:两种焊接方法的焊缝组织主要为板条状贝氏体和少量针状铁素体,粗晶区为粗大贝氏体和少量马氏体;焊缝中含有大量分布均匀的微小球形夹杂物;两种焊接方法所得焊接接头都具有较高力学性能,-50℃的冲击断口形貌为韧窝、准解理混合型;埋弧焊焊缝冲击韧性低于手工电弧焊,手工电弧焊熔合线处冲击吸收功小于埋弧焊,但随距熔合线距离增加其值增加更快.显微组织和夹杂物是影响接头性能的主要因素.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2012(020)002【总页数】7页(P101-107)【关键词】显微组织;焊缝;热影响区;夹杂物;焊接接头性能【作者】娄宇航;肖红军;彭云;王爱华;田志凌;彭增华【作者单位】昆明理工大学材料科学与工程,昆明650093/钢铁研究总院,北京100081;钢铁研究总院,北京100081;钢铁研究总院,北京100081;钢铁研究总院,北京100081;钢铁研究总院,北京100081;昆明理工大学材料科学与工程,昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TG44具有高强度、较高韧性、良好焊接性能的低合金高强度中厚板钢广泛应用于工程机械、油气管线、大型电铲、钻井平台等领域,其需求量越来越多.低合金高强钢(HSLA)是由美国海军在20世纪80年代初为代替HY钢首先提出并研究的.20世纪90年代后,美国研制的屈服强度大于690 MPa的HSLA-100钢强韧性超过HY-100.但是,由于对焊接材料及焊接工艺的研究滞后钢的研究,焊接问题成为这类低合金高强钢面临的主要问题.许多研究人员[1-3]针对HSLA-100钢先后研制了与母材匹配的焊接材料,并通过合理的焊接工艺获得理想的焊接接头.J A Gianetto[4]研究了配套埋弧焊丝并进行埋弧焊焊接试验,结果表明焊缝金属达到规定的性能要求(Rp0.2:703 MPa、CVN:-18℃时81 J、-51℃时61 J).我国低合金高强钢的发展较国外较晚,近10年来首钢[5]、宝钢等也成功研制了690 MPa级低合金高强钢.但受高强度钢焊接难度大、工艺复杂、易出现焊接缺陷等因素影响,对这类钢材的焊接研究、特别是焊接接头性能的报道不多见.690 MP级低合金高强钢采用控制轧制和控制冷却技术,并对轧后钢板进行调质(淬火+回火)热处理,实现了较低的碳当量和低合金含量的成分设计,其基体组织由贝氏体和少量马氏体组成[6].焊接性能是评价钢材使用性能的主要标志之一,相应配套焊材的研发以及获得优良焊接接头成为发展690 MPa低合金高强钢的关键.本文在对690 MPa级低合金高强度钢配套焊材研究基础上,对中厚板(板厚30 mm)进行手工电弧焊和埋弧焊焊接试验.通过对焊接接头组织和性能进行分析研究,为690 MPa级低合金高强钢使用和发展提供一定的试验基础.试验所用690 MPa钢板的尺寸为590 mm× 230 mm×30 mm,表1为试验钢板的化学成分,其屈服强度770 MPa、抗拉强度835 MPa、-50℃低温冲击吸收功为215 J.手工电弧焊用直径4 mm的配套碱性焊条.埋弧焊用Mn-Ni-Mo系焊丝,直径4 mm,焊剂为烧结焊剂105.使用WPS-5000焊机进行手工电弧焊,使用Dimension 1250埋弧自动焊机进行埋弧焊.两种焊接方法焊前对工件进行80℃预热处理,无后热处理,焊接工艺参数见表2.所得焊接接头焊缝金属化学成分见表3.参照国家标准GB 2649—89分别对焊接接头进行取样,并按GB 2651—89进行拉伸试验、按GB 2653—89进行弯曲试验、按GB 2650—89进行冲击试验.在焊接接头取样制备金相试样,试样经砂纸研磨、抛光后,用体积分数3%的硝酸酒精腐蚀.利用LeicaMEF-4M光学显微镜观察分析焊接接头微观组织.利用HV-5型维氏硬度仪测定硬度.利用日立S-4300型冷场发射扫描电子显微镜及附带EDS分析冲击断口形貌和微区成分.利用H-800透射电镜研究微观精细结构.焊接过程中,当焊接热源离开以后熔池金属便开始凝固.熔池结晶主要依附于熔合区附近加热到半熔化状态的晶粒表面,并以柱状晶的形态向焊缝中心成长,形成柱状奥氏体晶粒.随着连续冷却过程的进行,焊缝金属由奥氏体发生组织转变,转变为铁素体、贝氏体或者马氏体等.由于熔池中冶金条件和冷却条件的不同,可得到不同的焊缝组织.根据日本铃木等提出的碳质量分数为0.034%~0.254%,抗拉强度在400~900 MPa的低合金高强钢适应的碳当量公式(1)[7],可以计算出手工电弧焊和埋弧焊焊缝熔敷金属的碳当量分别为0.25、0.28.式中:CEN是碳当量;A(C)是碳的适应系数,A(C)=0.75+0.25tanh[20(C-0.12)],tanh为双曲正切函数.根据理论经验提出的从800℃冷却到500℃的t8/5计算式(2)分别计算出手工电弧焊和埋弧焊焊缝的t8/5[7]分别为8.0、13.4 s.式中:T0为初始温度;η为焊接方法的相对热效率(SAW:1.0,SMAW:0.8);E为焊接热输入;F3为传热接头系数0.7.图1、2分别给出了两种焊接方法的焊缝、熔合区、粗晶区显微组织,图3、4给出了焊缝组织在透射电镜下的精细组织.由图1(a)、2(a)、3和4可知,两种焊接方法焊缝组织细小,原始奥氏体晶界清晰,柱状晶宽度为50 μm左右,没有晶界铁素体,以板条贝氏体为主.手工电弧焊焊缝贝氏体板条宽度0.6 μm,埋弧焊焊缝贝氏体板条宽度1 μm,组织中都存在少量粒状贝氏体和以夹杂物为形核点的针状铁素体.由图3(c)、4(c)发现,板条之间存在残余奥氏体,这主要是因为焊缝中存在Mn、Ni、Cu奥氏体形成元素,它能提高过冷奥氏体的稳定性,当焊缝冷却后在板条间形成残余奥氏体,改善焊缝韧性.由图1(b)、1(c)、2(b)、2(c)可知,两种焊接方法熔合线附近粗晶区晶粒都有粗化现象,手工电弧焊中原奥氏体平均晶粒尺寸约75 μm,埋弧焊中原奥氏体晶粒平均尺寸约100 μm,组织均为贝氏体和少量马氏体.这是因为埋弧焊t8/5大于手工电弧焊,在相同焊前预热温度和层间温度条件下,埋弧焊的热影响区高温停留时间大于后者,增加了晶粒粗化程度.分别对两种焊接方法焊接的接头进行维氏硬度测试.考虑到多层多道焊中后一道焊缝对前一道焊缝有影响作用,测试点位置选择受影响最小的后焊面表面下2 mm.从母材到热影响区、焊缝的连续打点测试,载荷为5 kg.硬度测试结果如图5所示.焊缝的硬度取决于其化学成分和冷却条件,通过熔敷金属的碳当量(CEN)和焊接条件下的t8/5反映硬度值的大小.一般情况下,随着钢中碳当量的增加,硬度增加[8].从图5可以看出,埋弧焊的焊缝硬度值明显高于手工电弧焊焊缝的硬度值且其大小在一定范围内部规则波动.经分析其原因为:1)由前面计算可知,埋弧焊焊缝熔敷金属碳当量大于手工电弧焊,而试验中t8/5的不同引起的组织变化不大,焊缝组织以板条贝氏体为主,所以前者焊缝硬度值高于后者;2)其次,由于焊接冶金反应时,焊缝金属中合金成分的分布不均匀和组织组成及形态的不均匀使焊缝截面硬度分布不均匀.埋弧焊热影响区的宽度大于手工电弧焊热影响区宽度,两者热影响区出现硬化现象,且最大值接近330 HV5,这主要是因为焊接热影响区在焊接过程中受热循环影响的作用,晶粒粗化,且在快速冷却情况下产生淬硬马氏体组织.表5给出了两种焊接方法焊接接头的拉伸、弯曲试验结果.由此可知,两种焊接方法焊接接头都具有较高的抗拉强度.手工电弧焊焊接接头断裂位置为焊缝,其强度低于母材强度,而埋弧焊焊接接头断裂位置为母材.对比可知,埋弧焊焊接接头强度性能优于手工电弧焊接头强度性能.图6给出了不同温度下两种焊接方法焊缝中心的冲击吸收功,-50℃的冲击吸收功均大于27 J.由图6可知,埋弧焊的焊缝冲击韧性明显小于手工电弧焊焊缝冲击韧性.其原因可以从焊缝显微组织、夹杂物两方面做出解释:首先,焊缝最终显微组织由化学成分和冷却速度决定,通过显微组织观察可知两种焊接方法焊缝组织主要为板条贝氏体组织,手工电弧焊贝氏体板条宽度小于埋弧焊贝氏体板条宽度.贝氏体板条宽度是有效晶粒尺寸,板条宽度越小,晶界面积越大,在一定的区域内变形进而裂纹失稳扩展所消耗的能量越大,韧性越好,所以手工电弧焊焊缝韧性高于埋弧焊焊缝韧性.其次,夹杂物韧性比基体差且不能容纳塑性变形,易造成应力集中形成微裂纹,使断裂韧度明显降低[9].通过对金相试样进行抛磨可观察到焊缝中均匀分布着小于3 μm的夹杂物.选择相同大小的视场对两种焊接方法焊缝中夹杂物数量、大小进行统计分析.所选相同大小视场中手工电弧焊中颗粒数为880个,最大直径2.3 μm,平均直径0.4 μm.埋弧焊焊缝中颗粒数1014个,最大直径为2.8 μm,平均直径为0.5 μm.图7给出两种焊接方法焊缝夹杂物尺寸和对应尺寸夹杂物占总数百分比的直方图.由图7可知,手工电弧焊焊缝夹杂物尺寸大于1.2 μm占0.44%,而埋弧焊占3.95%.由显微组织分析可知,两种焊接方法柱状晶宽度以及显微组织差别不大,而埋弧焊焊缝夹杂物数量、尺寸都大于手工电弧焊焊缝夹杂物数量和尺寸,这也是手工电弧焊焊缝低温冲击韧性高于埋弧焊焊缝的重要原因.图8给出了-50℃时两种焊接方法热影响区不同位置的冲击吸收功.由图8可知,手工电弧焊熔合线处冲击吸收功小于埋弧焊,随着距熔合线距离的增加冲击吸收功都成直线增加,但手工电弧焊冲击吸收功增长直线斜率大.热影响区晶粒粗大、淬硬组织及微观组织分布不均匀,使得韧性分布不均匀,其韧性低于母材.因为手工电弧焊热影响区宽度比埋弧焊热影响区窄,所以其热影响区冲击吸收功随具熔合线的距离增加能更快接近母材冲击吸收功水平.冲击断口由纤维区、放射区和剪切唇3个区组成,随着温度的降低,放射区的比例有所增加.图9和10分别给出了扫描电镜(SEM)下两种焊接方法焊缝和熔合线处断口中部区域典型的-50℃冲击断口形貌,断口均以穿晶断裂为主.图9为手工电弧焊低温冲击断口典型的准解理形貌,可以看到小解理刻面,河流花样、撕裂棱以及聚集分布的韧窝.解理区间存在由小韧窝组成的延性脊[10],有助于改善冲击韧性,这也正好解释断口存在解理区却同样保持较好的韧性.当然韧窝或者韧窝型延性脊在解理区中的多少也就反应断口冲击韧性值的高低,这也解释了断口形貌相似的(a)(b)冲击值却不相同.图10为埋弧焊低温冲击断口典型形貌,焊缝的断口形貌与手工电弧焊相似,而熔合线区的断口形貌以韧窝为主,由图10(b)看出断口形貌由大而浅的韧窝和连接它们的深而小的韧窝组成.由图9、10断口形貌反应的低温冲击韧性高低与图8所示结果一致.由图9和10可发现在断口韧窝内存在球形夹杂物,通过能谱分析可得出夹杂物的化学组成,见表6.1#、2#分别表示手工电弧焊断口焊缝、熔合线区,3#、4#分别表示埋弧焊断口焊缝、熔合线区.对4个区域的夹杂物成分分析如下:C、O在夹杂物中以化合物形式存在,Ca、Mg通过焊条药皮或是焊剂在焊接过程中进入接头且形成夹杂;S因为其含量很少,不易形成夹杂物,3#中的S是由于焊接过程中焊缝快速冷却S未及时逸出并与Mn等合金元素形成硫化物,S的存在降低冲击韧性; Ni不易形成氧化物,且基体中含有大量Ni,因此推断3#、4#中Ni的值来源于基体.所以夹杂物主要由C、O、Al、Si、Ti、Mn、Cr、Ca、Mg、Fe组成,并以化合物和复合物的形式存在,如SiO2、MnO、Al2 O3、TiO2及复合物等.1)通过手工电弧焊、埋弧焊两种焊接方法对690 MPa低合金高强钢中厚板进行焊接,获得具有较好成形性能的焊接接头.通过低碳微合金设计,两种焊接方法所得焊缝组织都以板条贝氏体为主,有少量以球形夹杂物为核心形核的针状铁素体.热影响区显微组织都为贝氏体和少量马氏体,因为焊接热输入大于手工电弧焊,埋弧焊粗晶区原奥氏体晶粒尺寸大于手工电弧焊原奥氏体晶粒尺寸.2)两种焊接方法焊接接头都具有较高的抗拉强度,从断裂位置看埋弧焊焊接接头强度性能优于手工电弧焊接头强度性能,埋弧焊焊缝硬度值高于手工电弧焊焊缝硬度值,这与埋弧焊焊缝金属碳当量高于手工电弧焊有关.3)两种焊接方法所得焊缝和熔合区在-50℃的冲击吸收功均大于27 J,都属于穿晶断裂.两种焊接方法接头断口形貌以韧窝、准解理形貌为主,其中冲击吸收功越大,韧窝和韧窝型延性脊分布越多.焊缝夹杂物分析表明,手工电弧焊焊缝中夹杂物数量、尺寸小于埋弧焊焊缝中夹杂物数量,这解释了其低温冲击吸收功高于埋弧焊低温冲击吸收功.【相关文献】[1] DANLEL J.PETERS.Submerged ARC welding consumables for HSLA-100 steel [D].Boston:Massachusetts institute of technology,1989:6.[2] LIU S,JOHNSON M Q,EDWARDS G R.Shielded metal arc welding consumables for advanced high strength steels[R].MT-CWR-092-013.Colorado.Center for welding and joining research Colorado school of mines golden,1992:2.[3] FRANKE G.L.Investigation of submerged arc welding with improved MIL-100Swires(lC-100)[R].MD 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weakest link of welding joint of a 980 MPa high strength steel[J].Transactions of the China Welding Institution,2011(3):77-80.[10]马成勇.新一代800 MPa级超低碳微合金钢焊材及接头组织性能研究[D].天津:天津大学,2002.MA Cheng-yong.Study on the welding material and the microstructure and properties of the welded joint in a 800MPa grade structural steel[D].Tianjin:Tianjin University,2002.。
第 37 卷第 3 期2024 年3 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 37 No. 3Mar. 2024基于高阶剪切变形理论的功能梯度板自由振动分析简化模型王壮壮,王腾,丁艳梅,马连生(潍坊科技学院建筑工程学院,山东潍坊 262700)摘要: 基于高阶剪切变形理论提出了一种功能梯度板自由振动分析的简化模型,该简化模型最显著的特点是适用于功能梯度板的振动分析,且不需要剪切修正。
相比于其他具有更多未知变量的剪切变形理论,本文提出的简化模型只包含一个控制方程,极大地减少了计算量。
基于该简化模型研究了功能梯度矩形板在简支边界条件下的自由振动,并与其他已有文献进行了比较。
结果表明,本文提出的简化模型在分析功能梯度板的自由振动行为时简单且精确。
此外,文中还通过多个数值算例分析讨论了不同的梯度指数、长宽比和边厚比对功能梯度板自由振动行为的影响。
关键词: 自由振动;功能梯度材料;简化模型;精化板理论;固有频率中图分类号: O325;TB339 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523(2024)03-0384-10DOI:10.16385/ki.issn.1004-4523.2024.03.003引言功能梯度材料通常由金属和陶瓷材料制成,但这两种材料并不是简单地堆叠层合,而是沿厚度方向呈梯度分布。
这种特殊的构造给予了功能梯度材料不同于其他层合材料的优秀性能,因此功能梯度材料在核电、航空、土木工程、机械制造等领域被广泛使用。
诸多板理论可用于功能梯度材料的力学行为分析,其中最简单的是经典板理论[1⁃4],它只包含3个变量,但是由于忽略了剪切变形和法向变形,所以经典板理论只适用于分析特别薄的板。
为了考虑剪切变形效应,Mindlin[5]开发了一阶剪切变形板理论。
但一阶剪切变形板理论局限于“横向切应力沿厚度方向为常量”假设,不能够满足板顶面和底面上的零剪应力边界条件,因此在使用时需引入一个取决于几何参数、载荷和边界条件等因素的剪切修正系数[6⁃7]。
附录一浇铸钛和金的显微结构和机械性能摘要:通过感应熔化的方法而获得的Ti21523合金,研究热处理和冷却凝固率对其显微结构和机械性能的影响和作用。
结果表明:通过增加冷却凝固率,可以使Ti21523合金的显微结构从单一化特征及大尺寸的粒状结构变成了具有优良性能的小尺寸粒状结构。
通过采用不同的方法和对不同时期的合金进行处理,合金相位逐渐在粒状晶体的内部和粒状晶体的边界上沉淀。
由于沉淀物晶相的改变,合金承受拉力的性能和伸长率同时被改良。
在σb=1. 406Gpa、δ=4. 5%时,将会获得一种具有良好性能的合金,在临界区域里使用这种合金会让我们收到满意的效果。
关键字浇铸Ti21523合金;冷却凝固率;机械性能1 介绍钛合金以其优良的机械性能,在飞机、航空航天和其它领域中,受到了人们的关注和认可,尤其是在较高特殊作用力的环境之下。
在降低航天器的质量并改进的它的运输适宜性上,该合金受到了关注。
为了满足以上两种情况,一种被叫做贝它钛的重要钛合金逐渐得到发展和优化。
由于其具有高抗力、弹性系数和伸长率等良好的综合性能,合金 Ti215V23Cr23Sn23Al(Ti21523) 已经变成了潜在的选择材料被用于在那些贝它类型合金之中。
从以上的论述中我们可以知道,Ti21523合金在室温有较好的可使用性,同时也适用于寒冷的工作环境之下。
不幸地是,由于合金的高处理成本以及诸如低可塑性和高刚度等缺点,使其在制造复杂的联合体和薄壁件时存在许多问题,成为影响其在航空航天业中广泛应用的关键所在。
为了降低其合成成本并达到其易于重新塑造的弹性,精密铸造技术被引入到了这个领域中。
但是由于铸造出来的合金其贝它晶粒较大且机械性能很低,故此Ti21523合金的使用受到了极大的限制。
由于热处理对Ti21523合金的力有影响,因此Ti21523合金还是可以改善其伸长率并提高它的机械性能的。
关于热处理对Ti21523合金的影响的研究首先在美国和前苏联开展。
多孔介质分形结构重构及热导率研究
多孔介质是一种具有复杂结构的材料,其热传导性能与其结构密切相关。
近年来,研究人员通过分形理论对多孔介质的结构进行了重构,
并探究了其热导率的变化规律。
分形理论是一种研究自相似性的数学理论,其应用于多孔介质的结构
研究中,可以将多孔介质的结构看作是由一系列自相似的基本单元组
成的。
通过对这些基本单元的重复组合,可以得到多孔介质的整体结构。
研究人员通过对多孔介质的结构进行分形重构,可以更加准确地
描述其结构特征。
研究表明,多孔介质的分形维数与其热导率密切相关。
分形维数越大,多孔介质的结构越复杂,其热导率也越高。
此外,多孔介质的孔隙率、孔径分布等结构参数也会影响其热导率。
研究人员通过对多种不同结
构的多孔介质进行实验研究,发现了多孔介质的热导率与其结构参数
之间的定量关系。
除了分形理论,研究人员还通过数值模拟等方法对多孔介质的热传导
性能进行了研究。
通过建立多孔介质的数值模型,可以模拟其热传导
过程,并探究其热导率的变化规律。
研究表明,多孔介质的热导率与
其孔隙率、孔径分布、孔隙形状等因素密切相关。
此外,多孔介质的
热导率还受到其材料本身的热导率、温度等因素的影响。
总的来说,多孔介质的热传导性能与其结构密切相关,研究人员通过分形理论和数值模拟等方法对其进行了深入研究。
未来,随着研究方法和技术的不断发展,多孔介质的热传导性能研究将会更加深入和精确。
泰勒模型在冷轧深冲钢塑性各向异性预估中的应用
刘毓舒;赵波;宓小川
【期刊名称】《上海交通大学学报》
【年(卷),期】2000(34)3
【摘要】利用泰勒理论描述了体心立方织构材料的塑性变形.一种适用于这种材料的模型是:在一定三轴应变状态下,考虑材料中存在{110}〈111〉、{112}〈111〉和{123}〈111〉3种滑移系,引入不同滑移系间临界分切应力比及机械孪晶的权重,按照泰勒理论,结合最小内功原则,确定相对主应变坐标参考系任定取向晶粒的泰勒因子(反映变形功或变形阻力).进而利用织构取向分布函数(ODF)分析法,对单晶性质进行织构计权平均,求取多晶材料宏观平均泰勒因子,最终获得反映材料深冲性能的重要参数R值.通过对IF钢的R值进行模拟计算,并与实测R值进行比较,结果满意,证明构模合理。
【总页数】3页(P326-328)
【关键词】塑性变形;泰勒模型;钢;冷轧;深冲;塑性各向异性
【作者】刘毓舒;赵波;宓小川
【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院;上海宝山钢铁(集团)公司钢铁研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG335.12;TG386.41
【相关文献】
1.高强深冲冷轧相变诱导塑性钢的开发 [J], 回云菲
2.国产深冲薄钢板塑性各向异性的预估 [J], 张庆喜;徐家桢
3.冷轧的弹性塑性模型及其在冷轧平整中的应用 [J], Onno.,F
4.深冲冷轧板塑性应变比及各向异性与织构相关性分析 [J], 王德宝;张峰;杨丽珠;方政
5.IF深冲钢织构及其对塑性各向异性的影响 [J], 刘毓舒;赵波;宓小川
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