低合金钢表面耐蚀层堆焊工艺及堆焊层组织性能研究-材料物理与化学专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 致谢 本论文是在导师委福祥副教授悉心指导下完成的，没有委老师的指导和鼓励， 论文是不可能顺利完成的。在攻读硕士学位期间，尤其是在课题的研究期间，委 老师渊博的知识，严谨的学风，务实的工作态度给我留下了深刻印象，为我今后 的学习和工作树立了良好的榜样。借此，谨向委老师表示衷心的感谢和深深的敬 意！ 感谢在实验研究中给我提供指导和帮助的各位老师，以及蒋家强、李祥、王 强、耿浩等各位师兄弟们在学习和生活上给予我的关心和帮助，正因为你们，我 的研究生生活才那么丰富多彩，在此表示最诚挚的谢意。 感谢我的父母及家人，是他们的支持和关爱才让我获得如此珍贵的学习机会， 并取得今日的成绩。 最后，对百忙之中参与论文评审和答辩的各位专家和教授表示深深的感谢。 摘要 奥氏体不锈钢因其良好的耐腐蚀和抗高温性能，广泛应用于高温锅炉零件和 耐热管道的制造。由于使用奥氏体不锈钢制造机械零部件成本较高，常采用在低 合金钢上堆焊一层奥氏体不锈钢的方法，来替代整体使用奥氏体不锈钢材料，该 技术广泛应用于能源、化工、石油等领域。但由于两种材料的性能差异较大，易 在材料结合处产生裂纹甚至气孔等缺陷，严重影响工件性能及其寿命。 结合企业的科研攻关项目和生产效率的实际需求，本文采用不同过渡层厚度 的实验方案，通过熔化极活性气体保护焊(MAG)，在低合金钢 Q345 上堆焊奥氏 体不锈钢，其过渡层和耐蚀层材料分别为 ER309L 和 ER347L 不锈钢焊丝。通过 对堆焊层试样进行弯曲、剪切、显微硬度、金相组织、断口扫描、熔盐腐蚀和腐 蚀产物的试验分析，综合评价两种材料堆焊层的力学性能及耐蚀性能。结果表明： 无过渡层试样，有裂纹或微小裂纹产生，有过渡层试样没有裂纹及开裂现象，可 见过渡层设计提高了堆焊层的性能；剪切试验显示过渡层与母材的剪切强度低于 耐蚀层与母材的剪切强度；剪切断口均显示以韧窝状为主的韧性断裂形貌，并且 有过渡层试样韧窝形状大而深，表明该试样塑韧性较好；试样的显微硬度值变化 趋势相同，堆焊层硬度值最小(约为 125HV)，母材硬度值最大，熔合区硬度值也 较大(约为 190HV)，这主要是熔合区存在碳迁移所致；金相实验发现堆焊层组织 主要以铁素体和奥氏体为主，还存在微量 Cr 的碳化物脆性相，其中铁素体大多 呈条状和块状分布，能够显著提高堆焊层的塑韧性；熔盐腐蚀后的扫描电镜图片 显示无过渡层试样的热腐蚀现象比较严重，熔合线附近裂纹明显，腐蚀层较为疏 松，组织很不均匀，有过渡层试样热腐蚀程度较小；腐蚀产物的 X 射线结果表 明有过渡层试样的抗腐蚀 Cr2O3 氧化膜完整，能有效防止腐蚀的进一步加深；所 以，有过渡层的试样堆焊层与母材的连接性及耐蚀性较好，但过渡层的厚度影响 较小。 采用有限元软件 MSC.Marc 进行数值模拟，通过利用 Marc 单元和热-结构耦 合功能分析进行焊接过程仿真，给出沿焊缝不同方向的三维残余应力分布曲线， 对比不同过渡层厚度残余应力及应变的不同，确定不同厚度过渡层试样的焊接残 余应力分布规律。结果表明，堆焊厚度相同时，过渡层厚的试样残余应力值较大， 其最大值分别为 409MPa、429MPa、432MPa、446MPa，即随着过渡层厚度的增 加，残余应力值变大。 关键词：Q345；奥氏体不锈钢；堆焊；高温腐蚀；残余应力模拟 I II Abstract Austenitic stainless steel is widely used in the manufacturing process of high temperature boiler parts and pipes which is attributed to its super physical performance, such as good corrosion resistance and high temperature resistance. However, the cost of austenitic stainless steel fabrication process is relatively higher than other counterparts which largely hinder the large scale application of this kind of materials. Generally, a common approach, overlaying a austenitic stainless steel layer onto the low alloy steel surface, was developed to substitute the use of total