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喷丸压力和时间对304不锈钢管焊接接头组织性能的影响
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2020/4/28 阅读:635

  浙江宏盛特钢有限公司采用不同的喷丸压力和喷丸时间参数,对304不锈钢管焊接接头进行高能喷丸处理。通过X射线衍射方法检测了试样表层的晶粒尺寸和组织,并用显微硬度计测量了试样表层的显微硬度。结果表明,经高能喷丸处理后,304不锈钢管焊接接头表层晶粒明显细化,达到纳米级,随着喷丸压力或喷丸时间的增加,晶粒尺寸逐渐变小,表层硬度随之增加;高能弹丸强烈冲击,使焊接接头表层产生塑性变形,并诱发马氏体相变,随着喷丸压力增大或喷丸时间增加,马氏体相比例逐渐增大。高能喷丸利用高速气流夹带金属弹丸,轰击构件表面,使其发生组织和力学性能变化,是一种有效的表面强化技术。与一般机械喷丸不同,高能喷丸采用金属弹丸,其强度和硬度更高,轰击过程中弹丸不易破碎,同时,夹带金属弹丸的气流速度更快。因此,高能喷丸轰击金属表面的能量比一般机械喷丸大,表面强化效果更好。

 

  目前,采用高能喷丸技术使材料获得优异性能的研究有很多,宏盛特钢采用高能喷丸技术处理不锈钢管焊接接头的表面,对处理试样进行XRD、TEM、SEM分析,结果表明,焊接接头的表面经高能喷丸处理后形成了尺寸均匀且取向随机分布的纳米晶粒;焊接接头焊缝、热影响区、母材这三个区域的表层硬度一致,且远高于处理前试样的硬度;通过疲劳试验还表明高能喷丸提高了焊接接头的疲劳强度。王天生等通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢表面进行高能喷丸处理,对处理后的试样表面进行XRD、TEM分析。结果表明:高能喷丸实现了试样表面纳米化,改善了试样在NaCl溶液中阳极动电位极化曲线,形成了明显的钝化膜,有效地提高了试样的耐腐蚀性能。刘阳等对Q235钢进行高能喷丸处理,结果显示处理后试样表面硬度提高,同时表面粗糙度增加,材料减摩耐磨性明显提高。采用高能喷丸处理技术处理低碳钢表面,采用XRD技术对经过30分钟喷丸处理的试样进行表征,结果发现,表层晶粒平均尺寸为30nm左右,平均微观应变达到0.01%~0.1%,材料的屈服强度显著增强。对低合金钢进行高能喷丸处理,采用XRD技术分析发现试样表层获得了纳米晶层,对试样进行残余应力分析发现残余应力的厚度明显增加,试样表层显微硬度提高了23%。等对镍合金表面采用高能喷丸处理,将试样低温退火后发现该合金在盐酸中的耐腐蚀性能明显提高。总结国内外的研究结果可以得出:通过表面高能喷丸处理,可以显著提高材料的力学性能、疲劳性能、耐腐蚀性能和摩擦性能。但目前对于高能喷丸工艺参数对304不锈钢管焊接接头表面性能的影响规律和机理,尚缺少系统的研究。

 

  宏盛特钢采用不同喷丸压力和喷丸时间对304不锈钢管焊接接头进行高能喷丸处理,研究不同喷丸工艺参数对高能喷丸强化304不锈钢管焊接接头效果的影响和机理。

 

一、试验材料及方法

 

试样材料取自304不锈钢管,厚度2mm,钢管焊接采用等离子焊,单面焊双面成型。高能喷丸在气动式喷丸机上进行,采用不锈钢弹丸,直径0.5mm,喷嘴到试样表面的距离150mm。为了研究喷丸压力和喷丸时间对焊接接头性能的影响,将试样分为两组,第一组固定喷丸时间为5分钟,喷丸压力分别为0、0、3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55和0.6MPa;第二组固定喷丸压力为0.5MPa,喷丸时间分别为0、1、2、3、5和8分钟。高能喷丸处理后的试样经过无水乙醇清洗,采用X射线衍射仪对试样表面进行物相分析,根据显微组织的XRD图谱计算得到各试样的晶粒尺寸和点阵畸变。为了分析试样表层的显微硬度,将高能喷丸处理后的试样沿纵向剖开,纵向断面经过打磨和抛光,在显微硬度计上测试显微硬度,试验载荷为200g,加载时间为10秒,测试点分布在距表面0~500μm的表层。

 

二、试验结果

 

1. 高能喷丸压力对材料表面性能的影响

 

  喷丸压力决定了弹丸轰击试样表面的速度,是影响喷丸能量大小的直接因素,第一组试样固定喷丸时间为5分钟,喷丸压力分别为0、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6MPa。不同喷丸压力处理后焊接接头试样表面的XRD图谱如图所示。从图中可以看出未处理焊缝试样表层为奥氏体相,随着喷丸压力的逐渐增大,奥氏体相逐渐减少。当喷丸压力达到0.35MPa时伴随有马氏体相的出现。当喷丸压力为0.5MPa时,马氏体是主要组成相,奥氏体成为少量残留相,即随着喷丸压力升高,马氏体相逐渐增加而奥氏体相慢慢减少。这是由于在喷丸过程中,高速弹丸轰击焊接接头试样表面,使之产生强烈的塑性变形,诱发马氏体相变。

 

  经高能喷丸处理后,试样的衍射峰发生了宽化,表明高能喷丸处理后试样表层的晶粒比未处理试样小,点阵发生畸变。根据图中衍射峰的半峰宽,扣除仪器宽化效应,由物理宽化计算出各试样的晶粒尺寸和点阵畸变。根据半峰宽和衍射角测量数据,采用数值方法求解得到点阵畸变和晶粒尺寸。不同喷丸压力处理后试样晶粒尺寸和晶格畸变的结果列于表。由表看出,经高能喷丸处理后,试样表层晶粒明显细化,晶粒尺寸达到了纳米级(20.3~45.5nm),实现了表面纳米化。在喷丸时间5分钟,喷丸压力为0.5MPa时,试样表层晶粒尺寸最小,为20.3nm,晶格畸变最大,达到0.533%。当喷丸压力小于0.5MPa时,随着喷丸压力的增大晶粒尺寸逐渐减少,晶格畸变相应增大;当喷丸压力达到0.5MPa后,随着喷丸压力增加,晶粒尺寸和晶格畸变均趋于恒定。高能喷丸处理使试样表层发生了强烈的塑性变形,随着喷丸压力增加,塑性变形程度增大,原子间的平衡状态遭到破坏,晶格发生了强烈扭曲。到一定喷丸压力后,由于纳米晶结构基本稳定,晶粒将不再细化。试样纵向断面的显微硬度分布采用显微硬度计测量,测点分布如图所示。当喷丸时间为5分钟,不同压力下试样表层维氏显微硬度沿厚度分布见图。从图中可以看出,当喷丸压力从0~0.6MPa变化时,各试样表面的显微硬度分别为422、458、505、561、716、709、707和726HV0.2,最高硬度值比未处理试样提高了1.5倍。随着喷丸压力升高,试样表层的显微硬度增大,但当压力大于0.45MPa后,硬度分布曲线趋于一致,可见0.45MPa以后喷丸压力对硬度影响很小。对于一定喷丸压力,显微硬度在表面最大,随着距离表面深度的增加,显微硬度迅速下降并趋于稳定,最终保持在310HV0.2左右。

 

 2.高能喷丸时间对材料表面性能的影响

 

   高能弹丸轰击金属表面,使之产生塑性变形,轰击作用持续一定时间后,金属表面的塑性变形逐渐累积,使晶粒不断得到细化,即喷丸时间直接影响金属表面塑性变形的程度。为了研究喷丸时间对材料表面性能的影响,第二组试样固定喷丸压力不变为0.5MPa,喷丸之间从0~8min变化。不同喷丸时间下焊接接头试样的XRD图谱。从图中可以看出,未处理焊缝试样表层为奥氏体相,当喷丸时间为1分钟时开始出现马氏体相。随着喷丸时间的增加,马氏体相逐渐增加,奥氏体相逐渐减少。当喷丸时间达到3分钟后,马氏体已是主要组成相,奥氏体已成为少量残留相。由图可见,经过一定时间高能喷丸处理后,试样的衍射峰均发生了宽化。根据图中衍射峰的半峰宽,扣除仪器宽化效应,由物理宽化计算出各试样的晶粒尺寸和晶格畸变,其结果列于表。表显示,经过一定时间高能喷丸处理后,试样表层晶粒明显细化,晶粒尺寸均达到了纳米级。当喷丸压力为0.5MPa,喷丸时间少于5分钟时,随着喷丸时间的增加晶粒尺寸逐渐减少,点阵畸变逐渐增大。喷丸时间超过5分钟后,纳米晶结构达到稳定,随着喷丸时间的增加晶粒尺寸变化不大。当喷丸压力为0.5MPa时,不同喷丸时间下试样维氏显微硬度沿厚度分布情如图。从图中可以看出,不同喷丸时间下各试样表面处的显微硬度分别为422、561、698、719、730和787HV0.2,最高硬度值比未处理试样提高了1.5倍。随着喷丸时间增加,试样表面处的显微硬度也随之增加。每一个试样显微硬度分布呈现同样变化趋势:随着距离表面深度的增加,试样表层显微硬度迅速下降并趋于稳定,最终保持在310HV0.2左右。

 

三、分析讨论

 

   通过上述实验可知,304不锈钢管焊接接头经高能喷丸后,表面晶粒得到细化,点阵发生畸变,同时诱发马氏体相变,表层硬度得到显著提高。304不锈钢管焊接接头在成形过程中,由于种种原因导致原子排列遭到破坏,形成了位错缺陷。304不锈钢管由于层错能较低,限制了位错的交滑移,试样在高能喷丸处理过程中,位错只能在奥氏体相面滑移,并相互交割形成网状结构。位错在晶界处堆积形成位错塞积群,位错塞积群内产生的应力集中摧毁晶界,发生孪生变形,产生单系孪晶,单系孪晶会继续过渡到多系孪晶。不同的孪晶系相互交割将晶粒细化,同时在多系孪晶交割处积聚了较高的变形储存能,克服了马氏体相变的阻力,从而诱发了马氏体相变。随着喷丸压力增大或喷丸时间的增加,表层产生的应力应变增加,孪晶系相互交割不断加剧,晶粒不断细化,最终在试样表面形成了等轴、随机取向的马氏体纳米晶,应变诱发马氏体相也增多。试样纵向断面的显微硬度分析结果表明,随着喷丸压力增大或喷丸时间的增加,显微硬度不断升高。结合分析结果,导致显微硬度升高的原因有3个:一方面由于高能喷丸处理使试样表层发生强烈的塑性变形,随着喷丸压力增大或喷丸时间的增加,塑性变形程度增加,晶体对滑移的阻力愈来愈大。从位错理论来看,塑性变形导致位错密度增加,即产生了位错强化效应。根据强度可知,位错密度越大,材料强度越高,即硬度越高。另一方面,高能喷丸处理后晶粒得到细化,根据纳米材料强度晶粒越小,金属材料强度越高,硬度越高,即产生了细晶强化效应。最后,由于在塑性变形过程中形变诱发的马氏体相增多,引起材料硬度提高,即产生了马氏体相变强化效应。所以在位错强化、细晶强化和马氏体相变强化的共同作用下导致材料表面硬度的提高。

 

四、结论

 

1. 高能弹丸强烈冲击,使焊接接头表层产生塑性变形,并诱发马氏体相变,随着喷丸压力增大或喷丸时间增加,马氏体变为主要组成相,奥氏体则成为少量残留相;

 

2. 经高能喷丸处理后,304不锈焊接接头表层晶粒明显细化,达到纳米级,随着喷丸压力增大或喷丸时间的增加,晶粒尺寸逐渐变小,晶格畸变随之增加;

 

 3.高能喷丸过程中,在位错强化、细晶强化和马氏体相变强化的共同作用下导致试样表层硬度显著提高。随着喷丸压力增大或喷丸时间增加,表层硬度也随之增加。

 
 

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