周岁生日碾压形变热处理对纯镍N6焊缝组织与性能的影响
柴廷玺1,2，王希靖1,2，王博士1,2，张金银2，刘骁2，王江3
(1．兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050； 2. 兰州理工大学材料科学与工程学院 甘肃 兰州730050；3．金川集团股份有限公司，金昌 737100)
赞美诗歌1300首摘 要：本文以纯镍N6焊缝为主要研究对象，采用碾压形变热处理装置对纯镍焊缝进行碾压形变热处理工艺研究，借助光学显微镜(OM)、 扫描电镜(SEM)、显微硬度计以及静态应变测量系统等手段分析纯镍焊缝的组织、性能。结果表明：碾压形变热处理温度从300℃升高到500℃，焊缝抗拉强度从329.62 MPa 升高到335.12 MPa ，增长了1.7%，焊缝断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势，400℃时焊缝断后伸长率最高48.44%，比300℃时焊缝断后伸长率增长了5.2%。断后伸长率的增长率高于抗拉强度的增长率，表明碾压形变热处理对提高纯镍焊缝塑性十分有效。碾压形变热处理可细化焊缝晶粒，晶粒度从未经碾压形变热处理时的5.5级升高到平均6.1级；同时有效降低了纯镍焊缝的焊接残余应力，焊缝纵向残余应力σx 下降幅度最高达66.86%，横向残余应力σy 下降幅度最高达65.87%。综合分析表明碾压形变热处理可以使焊缝组织均匀，细化晶粒、降低焊缝残余应力，对改善焊缝组织，提高焊缝性能有积极作用，能够得到纯镍焊缝的高强度、高塑性的良好匹配。 关键词：碾压形变热处理；纯镍焊缝；显微组织；力学性能 doi: 10.13373/jki.cjrm. XY15091901
中图分类号：TG441.8 文献标识码：A 文章编号：
Effects of Thermomechanical Treatment with Roller Compaction on Microstructures and Properties of Welded Joint of Pure Nickel
Chai Tingxi
1,2
,Wang Xijing
1,2
,Wang Boshi
1,2
, Zhang Jinyin 2,Liu Xiao 2, Wang Jiang 3
(1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonterrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China; 2.College of Material Science and Technology, La
nzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 3.Jinchuan group co., LTD, Jinchang 737100, China)
Abstract: Pure nickel N6 welds, as the main rearch objects, were studied for the process of thermomechanical treatment with roller compaction using the thermomechanical treatment with roller compaction device and the microstructures and properties of welds were investigated with the help of analysis methods such as optical microscopy (OM), scanning electronic microscopy (SEM), microhardness tester and static strain measurement system. The results shows that with the rolling temperature increasing from 300 to 500 the tensile strength of ℃℃welds incread from 329.62 MPa to 335.12 MPa, increasing by 1.7%. And the fracture elongation of welds shows the trend of first increasing and then decreasing, which reached maximum 48.44% at 400 with increasing 5.2% ℃than that at 300. The growth rate of the fracture elongation ℃is higher than the tensile strength which indicates that thermomechanical treatment with roller compaction on improving the plasticity of the welds was very effective. The thermomechanical treatment with roller compaction can refine the weld grains with the grain size increasing from 5.5 grade to 6.1 grade under the effect of process, and simultaneously reduce the residual stress of the welds with the descent range of the longitudinal residual stress (σx ) and the transver residual stress (σy ) reaching
1
收稿日期：2015-9-19 修订日期
基金项目：甘肃省科技支撑计划资助项目(1104GKCA051)
作者简介：柴廷玺（1986-），男，博士生。主要从事焊接设备与工艺方面的研究工作.Email : 通讯作者：王希靖（1956-），男，甘肃人，教授，博士研究生导师。主要从事焊接设备及其自动化、搅拌摩擦焊技术及焊接质量控制方面的研究工作. Email :wangxj@lut
网络出版时间：2016-10-13 13:49:08
网络出版地址：wwwki/kcms/detail/11.2111.TF.20161013.1349.002.html
maximum 66.86% and 65.87%, respectively. The comprehensive analysis shows that the thermomechanical treatment with roller compaction can make microstructure uniform, refine grain, reduce the residual stress with a positive effect on improving the weld organization and enhancing the weld performances and further obtain the welds with good matching connection between high strength and high plasticity.
Key words: thermomechanical treatment with roller compaction; pure nickel weld; microstructure; mechanical properties
镍及镍基合金具有独特的抗高温腐蚀性能、 优异的强塑性和良好的冷热成型，被广泛应用于化工、电子、机械制造、石化、海洋、航空航天等领域，而且纯镍还可以用于制造电焊条。近年来镍基合金材料应用领域不断扩
[1-2]解H 2、O 2率低，出物增多纯镍N6义。
1实 验1.1 试验采用厚度为6 mm 的纯镍N6板材进行穿孔等离子焊接，焊接试板尺寸为200 mm × 100 mm ×6 mm ，焊接方式是沿试板长度200 mm 的方向上对接，采用I 型坡口。N6化学成分、力学性能如表1、2所示；试验采用PHM-500型等离子弧焊机，焊接工艺参数见表3。
表1化学成分 (质量分数，%)
Tab.1 Chemical composition (mass fraction,% )
Si C S Fe Ni Ti Al
0.073 0.081 0.015 0.062 99.7-99.80.056Bal
表2 纯镍N6力学性能
Tab.2 Mechanical property of N6 Performance index牙型角
Remark
Strength of extension
σb /Mpa
300-600 Annealed condition 500-900 Cold working state Elongation 10-40 Annealed condition 经不同温度碾压形变热处理的纯镍焊缝，按国标GB/T2651-2008[7]加工成标准拉伸试样，每组参数取两个拉伸试样，采用岛津AG-10TA 型万能材料试验机测试焊接接头的抗拉强度及断后伸长率；沿垂直于焊缝方向切割制成金相试样，采用10 ml 蒸馏水﹑50 ml 硝酸﹑50 ml 冰醋酸混合溶液腐蚀金相试样，然后采用MeF3金相显微镜观察焊缝微观组织，QUANTA FEG 450型扫描电子显微镜对
焊缝拉伸断口进行SEM 分析；在HX-1000TM
型显微硬度计上测试焊接接头不同区域的显
微硬度；使用DH3815静态应变测量系统测试焊缝的焊接残余应力。
nickel plate
Rolling roller
图1 碾压试验示意图
Fig. 1 Diagrammatic sketch of compaction test
2结果及讨论
2.1 焊缝外观形貌
从图
中，间。
图2焊缝外观形貌 2.2 图纯镍母材表现为奥氏体等轴晶组织，晶粒细小且均匀。图3(b)、(c)、(d)为经不同温度(300℃、400℃、500℃)碾压形变热处理的填丝焊焊缝显微组织形貌，焊缝晶粒粗大，经碾
压形变热处理后，焊缝晶粒逐渐细化拉长，晶粒度增大，晶粒尺寸减小，说明碾压形变热处理在可细化焊缝晶粒，焊缝晶粒度级别如图4所示。金属材料在再结晶温度以下形变，母相不发生再结晶，而产生大量晶体缺陷或发生回复。回复过程中金属显微组织不发生变化，而性能会略有改变，但变化范围较小[8]。根据以上分析可知，碾压形变热处理
通过碾压作用破碎了焊缝粗大的柱状晶，使焊缝晶粒细化，改善焊缝力学性能。焊缝晶粒度从未经碾压形变热处理时的5.5级提高到平均6.1级。塑性变形工艺中的压力对金属材料晶粒的细化和强化具有明显作用，当压力较小时，大部分晶
粒沿碾压方向被拉长，部分大尺寸晶粒在压力作用下发生剪切破碎，随着压力增大，拉长变形的晶粒基本全部剪切破碎，基体组织从中心到边缘分布趋于均匀[9-10]。
图3 母材及焊缝的显微组织
Fig.3 Microstructure of ba metal and welds
卡尔维特
看出，经降趋势，但下降幅度很小。这是因为奥氏体形变过程中碳化物析出，碳含量减少，导致焊缝强度下降[11]；随着碾压形变热处理温度升高，纯镍金属内部点缺陷、原子、位错活动能力增大，纯镍金属内部空位、位错密度减小，内应力消除，导致焊缝强度略有下降。当碾压纯形变处理温度从30
0℃提高到500℃时，焊缝抗拉强度从329.62 MPa 升高到335.12 MPa ，增长了 1.7%，升高到一定程度趋于稳定。热处理温度为500℃时，焊缝抗拉强度最高。从图5(b)看出，经碾压形变热处理，焊缝断后伸长
率大幅提高，从未碾压时的43.8%提高到400℃时的最高48.44%，增长幅度达10.6%。随碾压形变热处理温度升高，断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势，达到一定范围趋于稳定。碾压形变热处理温度为400℃时，焊缝的断后伸长率最高为48.44%，比300℃时的焊缝断后伸长率增长了5.2%。
根据以上分析可知，随碾压形变热处理温度升高，焊缝抗拉强度逐渐升高，断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势。但断后伸长率的增长率（5.2%）高于抗拉强度的增长率（1.7%），说明
[12]
；2T e n s i l e s t r e n g t h R m /M P a
E l o n g a t i o n a f t e r f r a c t u r e A /%
图5 焊缝力学性能
Fig.5 Mechanical properties of welds
（a ）tensile strength ；（b ）elongation after fracture
2.4 焊缝显微硬度
对碾压热处理的焊接接头进行显微硬度测试，每隔1 mm 打点，载荷0.2 Kgf ，加载时间15 s ，打点方向从右至左，结果如表4和图6所示。不同碾压热处理温度的焊缝显微硬度最高值均出现在焊缝区域，数据反映出由于母材未经过碾压热处理，焊接接头的显微硬度基本未发生变化。
从图6看出：经三种温度碾压形变热处理的焊接接头显微硬度变化趋势一致，母材的显微硬度基本未发生变化，焊缝硬度最高。这与
V i c k e r s h a r d n e s s /H V
The distance from the center of the weld D/mm
图6 焊接接头显微硬度
Fig. 6 Hardness distribution of welded joints
2.5 拉伸断口
香煎鲳鱼
图400℃、示。
图7 拉伸断口形貌
套圈圈
2.6 试验采用盲孔法测量焊缝区的焊接残余应力，表5为应变释放系数，A 、B 为负数是因为释放应变与原残余应力符号相反。焊接残余应力测量结果如表6。其中纯镍N6的泊松比μ=0.31，弹性模量E=210 GPa ，d 0=2 mm ，d=5 mm ，钻孔深度1.2d 0（2.4 mm ）。
表5 应变释放系数（με/MPa ）
Tab.5 Strain relea factor （με/MPa ）
Strain relea factor A B
Calculated values
-4.990×10- 7 -1.284×10-6
从表5看出，未经碾压焊缝的纵向残余
应力σx 为307.43 MPa ，横向残余应力σy 为
168.863 MPa 。经300℃碾压热处理焊缝的σx 、σy 下降幅度分别为51.01%、55.56%；经400℃碾压热处理焊缝的σx 、σy 下降幅度分别为39.29%、65.87%；经500℃碾压热处理焊缝的σx 、σy 下降幅度分别为66.86%、36.90%。填丝焊焊缝经碾压形变热处理后，焊接残余应力明显降低。这是因为焊缝区金属被快速加热，发生局部熔化，焊接区金属受热而发生膨胀，热膨胀受到周围较冷金属的约束，造成弹性热应力，受热区温度升高
（1）碾压形变热处理工艺对优化填丝焊焊缝组织、改善性能有积极作用。随碾压形变热处理温度升高，焊缝抗拉强度逐渐升高，断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势。但断后伸长率的增长率（5.2%）高于抗拉强度的增长率（1.7%），碾压形变热处理工艺对提高纯镍焊缝塑性十分有效。
（2）合理碾压形变热处理通过碾压作用破碎了焊缝区粗大的柱状晶，细化焊缝晶粒，焊缝晶粒度从未经碾压形变热处理的5.5级上高到思念一个人的诗句
>母乳少
