深冷處理改善金屬焊接接頭力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

景轉(zhuǎn)珍 劉翠榮 吳志生 賈月靜

(太原科技大學(xué)，山西030024)

深冷處理又稱超低溫處理，是指以液氮為制冷劑，在-130℃以下對(duì)材料進(jìn)行處理而達(dá)到給材料改性的一種新方法，它是常規(guī)冷處理的一種延伸。深冷處理于1939年由蘇聯(lián)科學(xué)家提出，20世紀(jì)60年代后期，美國學(xué)者發(fā)現(xiàn)深冷處理工藝在工具材料及其它工業(yè)領(lǐng)域中具有重大的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)深冷處理的模具鋼與未經(jīng)深冷處理的模具鋼相比，雖然硬度增加有限，但工件的抗磨損能力卻顯著提高，耐磨性比原來提高了2.0～6.6 倍，且經(jīng)-190℃深冷處理的模具鋼工件的耐磨性是經(jīng)-84℃ 冷處理的2.6倍。20世紀(jì)70年代，隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展和液氮的廣泛應(yīng)用以及發(fā)現(xiàn)了越來越多的關(guān)于深冷處理對(duì)刀具和其它零部件等帶來的益處，全世界對(duì)深冷處理技術(shù)的研究和應(yīng)用更加深入。目前，深冷處理不僅用于高速鋼、軸承鋼、工模具鋼的處理，以提高材料的耐磨性和韌性[1～3]；同時(shí)深冷處理還用于對(duì)鋁合金、銅合金、硬質(zhì)合金、塑料和玻璃等材料進(jìn)行改性，以改善材料的均勻性和提高尺寸穩(wěn)定性，減少變形和提高其使用壽命等[4～6]。表1、2為部分常用模具材料、高速鋼經(jīng)深冷處理后耐磨性變化和性能變化實(shí)例[7～8]?？梢钥闯?，深冷處理對(duì)于不同材料的零部件和工具產(chǎn)生了不同的效果。零部件和工具的使用壽命顯著提高。

表1 模具深冷處理前后的壽命變化Table 1 The lifetime change of moulds before and after deep cryogenic treatment

表2 高速鋼刀具深冷前后的對(duì)比情況Table 2 The lifetime change of high speed steel cutter before and after deep cryogenic treatment

1 深冷處理工藝

深冷處理一般采用液氮作為制冷劑，它不僅制冷溫度低(可達(dá)-196℃)，而且經(jīng)濟(jì)方便，對(duì)環(huán)境無污染。以液氮為制冷劑進(jìn)行深冷處理可分為兩種方式。一種是液體法，即液氮浸泡式制冷。它是將工件直接放入裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度，并在此溫度下保溫一定時(shí)間，最后回復(fù)至室溫完成深冷處理。采用液氮直接深冷的處理工藝，由于液氮直接與被處理工件接觸，降溫速率很快，會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，產(chǎn)生熱沖擊作用，容易對(duì)工件材料造成組織損害，甚至對(duì)某些材料產(chǎn)生低溫快冷脆斷現(xiàn)象，而且工件在降溫過程中降溫速率難以控制，影響工藝的可控性。另一種方法是氣體法，即利用液氮的汽化潛熱或低溫氮?dú)庵评?。氮?dú)饨?jīng)噴管噴出后在深冷箱中汽化，利用汽化潛熱及低溫氮?dú)馕鼰嶙饔檬构ぜ禍?。通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深冷處理溫度的調(diào)整，精確控制，且無熱沖擊作用，在研究中被廣泛采用。

目前， 國內(nèi)外對(duì)黑色金屬的深冷處理工藝一般采用兩種方法。一種是深冷-急熱法，即深冷后快速升溫的處理工藝；另一種為冷-熱循環(huán)處理法。兩種方法均可以降低材料的內(nèi)應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，減少加工變形，提高強(qiáng)度和韌性，改善力學(xué)性能。但兩種方法相比較而言，后者較前者的處理效果好一些。其中，深冷-急熱法降低殘余應(yīng)力的主要原因是在深冷處理過程中殘余應(yīng)力的相互抵消。而材料原有的殘余應(yīng)力和在深冷處理過程中產(chǎn)生的應(yīng)力一般不會(huì)相等，因此深冷-急熱法處理效果相對(duì)較差，而且在深冷-急熱處理過程中的急速加熱將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，可能會(huì)使材料的局部組織受損，導(dǎo)致工件的變形和撓曲。冷-熱循環(huán)法降低應(yīng)力的主要原因是材料發(fā)生塑性變形釋放了一部分彈性應(yīng)變。每次冷-熱循環(huán)均會(huì)產(chǎn)生變形從而使材料原有的殘余應(yīng)力降低，經(jīng)多次冷-熱循環(huán)處理，殘余應(yīng)力消除比較徹底，材料力學(xué)性能可得到較大改善。

深冷處理的主要優(yōu)點(diǎn)是可以增強(qiáng)材料的抗磨性、強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性，提高材料的抗腐蝕性和抗疲勞強(qiáng)度；經(jīng)過一次深冷處理可以保證被處理材料始終具有被提高的力學(xué)性能；不引起外形尺寸變形；可以消除內(nèi)應(yīng)力；提高材料穩(wěn)定性；處理成本低廉，可以取得與其他表面處理相同的結(jié)果(如鍍鈦、鉻、泰弗龍)；可以產(chǎn)生更加緊密的分子結(jié)構(gòu)，從而在較大的接觸面上降低摩擦力、發(fā)熱和磨損。

2 金屬焊接接頭的性能

焊接是一種重要的材料加工方法，焊接結(jié)構(gòu)不受外形尺寸限制，可以方便地拼成尺寸很大的工程結(jié)構(gòu)。接頭工作效能較高，具有設(shè)計(jì)簡單、制作周期短、經(jīng)濟(jì)效益好等一系列優(yōu)點(diǎn)[9～11]，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于化工、能源、橋梁、造船、動(dòng)力及航空等工業(yè)生產(chǎn)中。然而由于實(shí)際焊接工藝的特殊性和焊接區(qū)冶金反應(yīng)的復(fù)雜性，焊接區(qū)易于產(chǎn)生微裂紋、微氣孔、偏析、非金屬夾雜等焊接缺陷。焊接加工的特點(diǎn)為加熱溫度高，加熱速度快，高溫停留時(shí)間短，自然條件下冷卻，冷卻速度也非?？?，因此，凡是與擴(kuò)散有關(guān)的過程都很難充分進(jìn)行。焊接加熱的另一特點(diǎn)是溫度場分布極不均勻，緊靠焊縫的高溫區(qū)內(nèi)接近于熔點(diǎn)，遠(yuǎn)離焊縫的低溫區(qū)內(nèi)接近于室溫。而且，峰值溫度越高的部位，加熱速度愈快，冷卻速度愈大。因此焊接過程中，在形成焊縫的同時(shí)不可避免的使其附近的母材經(jīng)受了一次特殊的熱處理，形成了一個(gè)組織和性能極不均勻的焊接熱影響區(qū)，使一些部位的組織和性能變的很壞，從而就決定了焊接接頭的組織與性能的不均勻性。例如熔合區(qū)中存在重結(jié)晶以及晶粒的長大，化學(xué)成分與組織極不均勻，冷卻后的組織為過熱組織，使該區(qū)塑性和韌性下降，性能惡化，成為焊接接頭中的薄弱地帶。此外焊接接頭還存在應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力，同時(shí)由于焊縫區(qū)的最終組織為鑄態(tài)組織，易形成氣孔、縮松等焊接缺陷，致使焊接接頭強(qiáng)度大大降低，影響了結(jié)構(gòu)的完整性，容易引起結(jié)構(gòu)失效，常常造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，焊接接頭疲勞強(qiáng)度一般低于母材，止裂性能差，裂紋擴(kuò)展很容易穿過焊縫，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。另據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，金屬結(jié)構(gòu)由于疲勞而失效約占80%～90%，其中約70%～80%是由焊接件的疲勞失效造成的[12]。表3為焊接接頭的力學(xué)性能測試實(shí)例。

表3 焊接接頭的力學(xué)性能測試實(shí)例Table 3 The testing example of mechanical property of welded joint

3 深冷處理改善焊接接頭性能的研究現(xiàn)狀

目前，深冷處理作為最新的材料強(qiáng)韌化處理工藝之一，隨著對(duì)它的研究日益成熟，應(yīng)用也日益廣泛。許多學(xué)者依據(jù)深冷處理對(duì)金屬作用機(jī)理的研究，并針對(duì)焊接構(gòu)件中普遍存在的焊接接頭軟化問題，開始研究采用深冷處理技術(shù)來改善焊接接頭的力學(xué)性能。

宋時(shí)蘭等[13]對(duì)圓環(huán)鏈進(jìn)行連續(xù)閃光對(duì)焊焊接，焊后采用了兩種熱處理工藝來進(jìn)行比較，一種是常規(guī)熱處理工藝，一種是深冷處理工藝(即相同的常規(guī)熱處理后進(jìn)行了深冷處理)。隨后對(duì)焊接接頭進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，并分別用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織及微觀斷口形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)深冷處理后，焊縫沖擊韌性比常規(guī)熱處理工藝提高28.39%。深冷處理不僅使焊縫沖擊韌性提高，而且使焊縫與母材的差別減小。通過對(duì)微觀組織及斷口形貌觀察與分析，表明深冷處理可使焊縫的組織細(xì)化，使焊縫區(qū)的綜合性能提高，從而使圓環(huán)鏈的壽命大大提高。

吳志生等[14]對(duì)5A06鋁合金MIG焊焊接接頭做了深冷處理試驗(yàn)，之后進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和金相組織觀察。研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理后，5A06鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度提高，其中深冷4 h抗拉強(qiáng)度提高幅度最高。與未深冷處理的焊接接頭相比，抗拉強(qiáng)度提高了15.25%。從微觀組織來看，深冷處理后焊縫區(qū)晶粒得到細(xì)化，第二相在基體中彌散析出，強(qiáng)韌性提高，接頭的力學(xué)性能得到改善。

吳劍謙等[15]對(duì)400 MPa超細(xì)晶粒鋼手工電弧焊焊接接頭進(jìn)行了深冷處理試驗(yàn)，之后進(jìn)行了焊接接頭性能檢測。結(jié)果表明，焊接接頭強(qiáng)度和韌性均有所提高，但效果不明顯。究其原因?yàn)樵囼?yàn)用材料為400 MPa超級(jí)鋼，它是在Q235鋼基礎(chǔ)上通過控制軋制工藝使其晶粒極度細(xì)化而獲得的，材料中碳含量及合金含量都很少，原始組織主要為鐵素體和珠光體，深冷處理過程中不會(huì)發(fā)生明顯的組織轉(zhuǎn)變和超微細(xì)碳化物的析出，因此深冷處理過程不會(huì)造成接頭性能的明顯提高。

趙洪運(yùn)等[16]對(duì)400 MPa超級(jí)鋼等離子弧焊焊接接頭進(jìn)行了深冷處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，深冷處理后組織形態(tài)沒有明顯變化，焊接接頭經(jīng)深冷處理后硬度有一定的增加，但不是很明顯。這是因?yàn)?00 MPa超級(jí)鋼碳含量和合金含量低，殘余奧氏體量小，故深冷處理硬化效果不明顯。強(qiáng)度有一定程度提高，但提高幅度不大，韌性有一定程度提高。深冷處理可以改善焊接接頭綜合性能。

4 結(jié)語

目前，對(duì)焊接接頭進(jìn)行深冷處理的研究還處于初級(jí)階段，但現(xiàn)有的研究結(jié)果均表明，深冷處理可以改善焊接接頭的力學(xué)性能，是改善焊接件使用性能和使用壽命的一種重要措施。焊后深冷處理不僅可以消除或降低結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的尺寸，而且能改善焊接接頭的金相組織，提高焊接接頭的各項(xiàng)性能。因此，深入研究深冷處理改善金屬構(gòu)件焊接接頭力學(xué)性能的微觀機(jī)理及進(jìn)一步確定合理的焊接接頭深冷處理工藝是我們一個(gè)重要的研究方向，并具有很好的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

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