1、太原理工大學畢業設計（論文）任務書第1頁畢業設計（論文）題目：twip鋼激光焊接性能研究畢業設計（論文）要求及原始數據（資料）：1 原始數據材 料：twip鋼冷軋和熱處理鋼板，尺寸為35150mm，厚度t = 0.9mm第2頁2. 論文要求：畢業論文要求學生綜合應用大學四年所學知識，學會處理實際問題的能力。本次畢業論文要求學生在設計過程中進一步掌握查閱文獻、使用常規計算機軟件、英文翻譯及科技論文寫作等方面的能力。2.1 查資料查閱twip性能和焊接對其影響的相關文獻資料，并作詳細摘錄；查閱twip鋼激光焊接相關英文資料并翻譯。2.2 寫文獻綜述報告 報告內容應充實，文字表達應條理清楚、段落分明

2、。2.3 激光焊接對冷軋和熱處理twip鋼的影響（1） 產生的缺陷（2） 對延伸性與硬度的影響（3） 實驗結果分析（a） 兩者對比分析（b） 分別于母材對比分析2.4 制作合格的各種檢測試樣2.5 對金相試樣進行組織觀察并拍照2.6 對試驗結果進行認真分析和科學處理，并寫出畢業論文。2.7論文要求數據真實可靠，圖文清晰，論據充分，書寫工整。第3頁畢業設計（論文）主要內容：中文摘要英文摘要目錄1. 文獻綜述2. 實驗內容2.1實驗材料（成分、原始組織）2.2實驗方案（試件尺寸、熱處理工藝）2.3實驗結果 2.4分析與討論3. 結論與建議4. 設計感想參考資料致謝附錄1.英文資料翻譯（附原文）學生

3、應交出的設計文件（論文）：畢業論文（印刷版2份、電子版1份）第4頁主要參考文獻（資料）：1、米振莉，唐荻，嚴玲，等.高強度高韌性twip鋼的開發研究j.鋼鐵. 2005， (1): 58-60.2、黃寶旭. fe-mn-al-si-nb twip鋼的組織與性能d.上海:上海交通大學， 2007,(1):15-20.3、黎倩，符仁鈺，史文等. 汽車用tw ip鋼的探索研究j. 金屬熱處資料理，2008， 33 (5):1-4.4、劉云旭，金屬熱處理原理，機械工業出版社，1981:1-16.5、樊東黎.熱處理的昨天今天與明天m. 1999. 40(1):15-20.6、韋習成. si-mn系相變誘

4、發塑性鋼的動態力學性能d.上海大學博士學位論文. 2002. 10, (1):3-10.專業班級 材料成型0603 學生 要求設計（論文）工作起止日期 2010-03-012010-06-20 指導教師簽字 日期 教研室主任審查簽字 日期 系主任批準簽字 日期 twip鋼激光焊接性能研究摘 要對冷軋狀態和熱處理后的twip鋼激光焊接試件進行靜態拉伸試驗，從金相、硬度、斷口等角度對其組織和性能進行了研究，同時與母材的一些性能作比較。結果表明：激光焊接過程中的工藝參數直接影響焊接后焊縫組織的性能，也是焊接后整體組織性能好壞的關鍵。總體冷軋狀態和熱處理狀態兩種方法處理的twip鋼焊接后金相和硬度相差

5、不大。其中熱處理twip鋼焊件的性能相對較好，其延伸率和硬度較冷軋狀態焊件高。而在與母材對比時發現，冷軋焊接試樣焊縫區域的性能變化尤為明顯，其硬度較母材大幅下降。，相對而言，熱處理焊接試樣整體性能較母材變化不是太大。關鍵詞：twip鋼；激光焊接；顯微組織；力學性能rsearch on the performance in laser welding of twip steelabstractusing the static tensile， metallurgical， hardness， etc，right observe the organization and performance o

6、f cold and heat treatment of different twip after laser welding. while some performance through comparison matrix. results: laser welding process parameters directly affect the performance of the weld microstructure after welding， after welding and mechanical properties of the whole organization.it

7、is particularly of cold welding seam area of the sample，while contrast the welding specimens befor stretch， its hardness greatly decreased.it is little difference between cold and heat treatment of the two methods twip steel welding post-jin and hardness. the performance of heat twip is better then

8、the cold one. the elongation and hardness of the steel rolling twip relative after welding.key words: twip steel; laser welding; microstructure; mechanical proper目錄第一章 緒論11.1 選題背景及研究意義11.2激光焊接21.2.1激光焊接的發展過程21.2.2激光焊接的主要優點和缺點21.2.3 激光焊接的主要工藝參數31.2.4激光焊接工藝增強技術41.2.5激光焊接的應用領域41.3 twip鋼的組織和性能51.3.1 twi

9、p效應的提出51.3.2 twip鋼的力學性能51.3.3 twip鋼變形過程中的孿晶觀察61.3.4 tw ip鋼的微觀組織71.3.5 twip鋼合金元素作用81.3.6動態拉伸條件下twip鋼的斷裂機制81.3.7熱處理工藝對twip鋼組織性能的影響91.3.8退火工藝對twip鋼顯微組織和力學性能的影響101.4 焊接后的twip鋼焊接接頭的組織和性能111.4.1 焊接后twip鋼的金相顯微組織111.4.2 焊接對力學性能的影響11第二章 激光焊接試驗設備及過程132.1 試驗方法及設備132.1.1試驗方法132.1.2試驗材料成分設計與冶煉132.1.3試驗儀器與設備142.2

10、 試驗前的準備172.2.1金相試樣制備過程172.3 試驗過程182.3.1 激光焊接試驗182.3.2拉伸試驗192.3.3金相試驗192.3.4硬度試驗202.3.5 斷口分析20第三章 激光焊接試驗結果及分析213.1 激光焊接試驗213.1.1 激光焊接213.1.2激光切割223.2拉伸試驗233.3金相組織253.4硬度分析283.5 斷口分析30第四章 結論32參考文獻33致 謝34英文文獻35英文翻譯43iv第一章 緒論1.1 選題背景及研究意義汽車的輕量化是現代汽車工業的發展方向，因此，先進高強韌性鋼應運而生，如雙相鋼，相變誘發塑性鋼1。國際鋼鐵協會組織的ulsab-avc

11、項目的完成，證明了鋼鐵仍然是今后汽車使用的主導材料，約占車重的55% 70%，但鋼的內涵卻發生了很大變化，即由原先的以軟鋼為主發展到以高強度鋼板為主，其中，高強度鋼板將由目前每車使用量占車重的14%45% (100294 kg/車)提高到未來的30% 70% 2。 高強度是汽車用鋼發展的一個主要趨勢，同時汽車用鋼要有良好的成形性。最新研制的twip鋼，是鋼材在強度和延展性綜合性能上的一次突破。twip鋼(twinning induced plastic)又稱孿晶誘導塑性鋼，具有中等的抗拉強度(約600mpa)和極高的延伸率(大于80% )。而且，twip鋼不僅具有很高的強度和成型性，還具有很好

12、的吸收撞擊能量的能力3，作為汽車用鋼在性能上具有很大優勢，成為新一代延性高強鋼的一個發展方向。twip鋼的最大特點是：在保持高抗拉強度的同時，具有極高的均勻延伸性，很高的能量吸收能力及優良的成形性；此外，它幾乎沒有低溫脆性現象，直到-196-200，仍然未出現低溫脆性轉變。twip鋼顯示出很大的潛力，其發展正處于試驗研究向產業轉化的階段，所面臨的主要問題是twip鋼的加工工藝，特別是冷軋工藝。這就需要加強對twip鋼軋制工藝及其機理進行深入細致的研究。目前國外對twip鋼的研究比較多，德國馬普鋼鐵研究所g.frommeyer4課題組研制和開發了fe-mn-si-al系高錳奧氏體trip/twi

13、p鋼，并申請專利（專利號：1997de19727759，ep9810981），同時注冊商標“hsd”(high strength and ductile)。德國的k.h.spitzer5等人針對fe-mn-si-al系trip/twip鋼的冶煉工藝及軋制工藝等問題進行了試驗研究，采用dsc(direct strip casting)工藝制備出1015mm厚的試驗板材。而國內開展這方面的研究起步較晚，現只有北京科技大學在開展此類鋼的研究。但無庸置疑，twip鋼具有極高的強塑積，優勢十分明顯。隨著我國汽車工業的發展，迫切需要此類高強度級別的鋼種，因此twip鋼的開發在我國具有極大的潛力，蘊涵著巨大

14、的商機和市場。研究汽車鋼板材料的焊接性能對于材料的生產使用具有實際的意義。激光焊接屬非接觸式焊接，作業過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊可以與mig焊組成激光mig復合焊，實現大熔深焊接，同時熱輸入量比mig焊大為減小。本課題試驗主要研究激光焊接對冷軋和熱處理兩種twip鋼的焊接接頭力學性能和微觀組織的影響，并通過與母材性能對比來分析激光焊接twip鋼前后性能的變化情況。1.2激光焊接1.2.1激光焊接的發展過程激光是激發電子或分子使其在轉換成能量的過程中產生集中且相位相同的光束。激光焊接屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學元件（

15、如鏡子）導引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。世界上的第一個激光束于1960年利用閃光燈泡激發紅寶石晶粒所產生，因受限于晶體的熱容量，只能產生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達106瓦，但仍屬于低能量輸出。使用釹（nd）為激發元素的釔鋁石榴石晶棒（nd:yag）可產生1-8kw的連續單一波長光束。yag激光，波長為1.06m，可以通過柔性光纖連接到激光加工頭，設備布局靈活，適用焊接厚度0.5-6mm。 使用co2為激發物的co2激光（波長10.6m），輸出能量可達25kw，可做出2mm板厚單道全滲透焊接，工業界已廣泛用于金屬的加工上。1.2.2激光焊接的主要優

16、點和缺點優點主要有：（1）可將輸入熱量降到最低的需要量，熱影響區金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形亦最低。（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低。（4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內部氣體環境在控制下）。（6）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件。（7）可

17、焊材質種類范圍大，亦可相互接合各種異質材料。（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制。（9）焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準焊件。（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬。（12）不需真空，亦不需做x射線防護。（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1。（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。缺點主要有：（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內。（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點對準。（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的

18、工件，生產線上不適合使用激光焊接。（4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。（5）當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再出現。（6）能量轉換效率太低，通常低于10%。（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。（8）設備昂貴。1.2.3 激光焊接的主要工藝參數(1)功率密度 功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達

19、到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在104106w/cm2。 (2)激光脈沖波形激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60%98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內，金屬反射率的變化很大。 (3)激光脈沖寬度脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是區別于材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。 (4)離焦量激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相

20、對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。試驗表明，激光加熱到50200s時材料開始熔化，形成液相金屬并出現問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

21、1.2.4激光焊接工藝增強技術為了消除或減少激光焊接的缺陷，更好地應用這一優異的焊接方法，提出了一些用其它熱源與激光進行復合焊接的工藝，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接、雙激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外還提出了各種輔助工藝措施，如激光填絲焊（可細分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場輔助增強激光焊、保護氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。1.2.5激光焊接的應用領域1、制造業應用2、粉末冶金領域3、汽車工業4、電子工業5、生物醫學和其他領域1.3 twip鋼的組織和性能1.3.1 twip效應的提出在晶體結構對稱性比較低、滑移系比較少的材料中，當形變速度較大，或在

22、不利于滑移取向下加力時在某些應力集中的地方將產生孿晶，面心立方（fcc）金屬不易產生孿晶，只有在極低的溫度下才形成機械孿晶。由于孿生所產生的形變量很小，故在滑移困難時僅起調整取向作用，使滑移得以繼續進行。且有孿晶產生的材料，其塑性均比較差。然而，1997年，grassel6等在研究fe-mn-si-al系trip鋼試驗時發現，孿晶可在形變溫度為-70400時的面心立方奧氏體中形成，形變速率可低達10-4/s。當fe-mn-si-al系鋼錳含量達到25wt%，鋁含量超過3 wt%，硅含量在23wt%之間時，具有中等的抗拉強度（rm）（約600mpa）和極高的延伸率（）（大于80），其抗拉強度和延

23、伸率的乘積在50000 mpa以上，是高強韌性trip鋼的兩倍。該類合金的高強韌性來自形變過程中孿晶的形成而不是trip鋼中的相變，故命名為孿生誘發塑性（twinning induced plasticity，twip）鋼。twip鋼中機械孿晶的形成及其對力學性能的影響改變了我們對孿晶的傳統看法，拓寬了我們對孿生在形變過程中作用的科學認識。1.3.2 twip鋼的力學性能frommeyer7等研究了fe-25mn-3a1-3si twip鋼力學性能，該鋼具有中等的抗拉強度(約600mpa)和極高的延伸率(大于90% )。通過拉伸試驗測試其真應變曲線與dp鋼以及trip鋼的比較，如下圖1-1所示

24、。從圖1-1可看出，twip效果強化作用顯著，塑性變形開始時屈服強度為600 mpa，而隨著變形的增加真實應力達到了1 770mpa8。此外，通過對其沖擊載荷下的能量吸收能力的研究，也表明twip鋼能量吸收能力為傳統深沖鋼的2倍以上。圖1-1 x-ip twip鋼與其他汽車用鋼均勻變形階段的真應力真應變曲線隨著mn含量的增加，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度不斷降低，斷后伸長率和均勻伸長率逐步提高，fe-25mn-3a1-3si twip鋼尤其表現出極好的塑性，它的斷后伸長率可以達到89.5%。fe-25mn-3a1-3si twip鋼在拉伸前后都為100%的奧氏體組織，拉伸后并沒有出現hcp與bc

25、c馬氏體，可見孿晶誘發的twip效應較有利于材料塑性的增強。1.3.3 twip鋼變形過程中的孿晶觀察目前，國內外將研究重點放在twip鋼的成分設計、生產工藝上，并取得了一定進展，顯然優良的性能來源于其內部組織結構，然而對twip鋼的孿晶誘導塑性機理還沒有深入的認識。北京科技大學高效軋制國家工程研究中心的米振莉5等在研究fe-28mn-3si-3al twip鋼變形過程中的孿晶觀察時發現，(1)在twip鋼的拉伸過程中，具有孿晶界的晶粒內部首先發生變形，并產生一定程度的加工硬化。隨后其余部分晶粒轉動，形成對變形有利的取向，從而變形得到擴展，最終得到非常大的無頸縮延伸。(2)在外力作用下最先發生

26、的變形孿晶遺傳了退火孿晶的取向，變形孿晶的發生依賴于退火孿晶的存在。(3)在鋼板的變形過程中孿晶和位錯相互作用、孿晶和孿晶相互作用、以及孿晶取向改變引發的滑移、滑移又阻礙孿生的進行使twip鋼具有高塑性高強度，因此孿生變形是twip鋼的主要變形機制。對于twip鋼應變誘導孿晶原位觀察的研究9發現，孿晶誘導應變閥值對應變速率不敏感，均為4. 0%左右。孿晶萌發于晶界，沿晶粒擴展至晶界(或孿晶界)終止;可分為三類：層片狀、透鏡狀、以及“耳”狀，形態差異源于變形過程中twip鋼多晶體取向以及沿孿生特定位向的調整幅度。另外，孿晶可以交互穿越，低應變速率下，先形成初生孿晶，而后出現次生孿晶與前者交錯，高

27、應變速率下兩個體系的孿晶同時形成。斷裂時裂紋可以沿孿晶界擴展。1.3.4 tw ip鋼的微觀組織twip鋼在工作溫度范圍內一般為完全的奧氏體組織。與trip鋼不同，twip鋼的奧氏體在機械載荷作用下保持穩定，并且在變形時產生大量的機械孿晶，而trip鋼在機械載荷下發生了馬氏體轉變。twip鋼優異的力學性能來自變形時產生的孿生誘導塑性，和由此而帶來的顯著的強化效果，即twip效應。這種孿生在形變中的作用與傳統的概念完全不同。通常認為，在晶體結構對稱性比較低、滑移系比較少的材料中，當形變速度較大，變形溫度較低，或在不利于滑移取向的情況下加力時，在某些應力集中的地方產生孿晶。面心立方金屬不易產生孿晶

28、，只有在極低的溫度下才形成機械孿晶。但在twip鋼中，可在形變溫度為-70400時的面心立方奧氏體中形成，形變速率可低達10-4/s。形變過程中，高應變區孿晶的形成，孿晶界阻止了該區滑移的進行，促使其他應變較低的區域通過滑移進行形變直至孿晶的形成，由此導致試樣的均勻形變，顯著推遲縮頸的產生。twip鋼冷軋織構也被s. vercammen10用x射線衍射的位向分布函數(odf)方法測定。結果表明，軋制織構一般具有黃銅類型織構110和高斯型的110織構。在twip鋼的拉伸過程中，具有孿晶界的晶粒內部首先發生變形，形成形變孿晶，形變孿晶遺傳了退火孿晶的取向，并產生一定程度的加工硬化。隨后其余部分晶粒

29、發生轉動，形成對變形有利的取向，從而變形得到擴展，最終得到非常大的無頸縮延伸.孿晶和位錯相互作用，孿晶和孿晶相互作用，以及孿晶取向改變引發滑移、滑移又阻礙孿生的進行使twip鋼具有高塑性高強度，因此孿生變形是twip鋼的主要變形機制.經過退火處理后的鋼中有60%的退火孿晶存在，大量退火孿晶的存在是twip鋼發生變形時產生形變孿晶的前提，材料破壞時變形孿晶數量降低到32%。1.3.5 twip鋼合金元素作用化學成分是影響twip鋼基體組織的關鍵因素，為了獲得室溫下單一的奧氏體組織，必須降低ms點，ms越低，奧氏體越穩定。由ms()=561474(%c)33(%mn)17(%ni)17(%cr)2

30、1(%mo)可知，提高c是降低ms點的最有效方法。但高c會帶來鋼板冷熱加工和焊接等一系列問題，因此可提高mn、si含量以降低ms點，從而使其ms點降到室溫以下，導致最終組織為全奧氏體。另外，mn是擴大fe-c相圖相域的最有效元素之一，降低ac1、ac3，文獻表明11，當鋼中的mn含量大于12時，在通常的冷卻條件下，從上臨界點降低到室溫以下時，鋼能夠保持單一的奧氏體組織；si抑制滲碳體的形成和析出，同mn的作用相反，si縮小相區，使ac1、ac3升高。盡管fe-mn-c高錳鋼早在1880年就由r.hadfield先生提出，但它一直主要用作耐磨材料，并未在汽車工業中得到廣泛應用。1997年，gra

31、ssel等在試驗研究fe-mn-si-a1系trip鋼時發現，當錳含量達到25%時，其抗拉強度和延伸率的乘積在50 000mpa%以上，是一般高強韌性trip鋼的2倍。由于該類合金的高強韌性來自形變過程中孿晶的形成而不是trip鋼中的相變，故命名為孿生誘發塑性鋼，簡稱twip鋼。1.3.6動態拉伸條件下twip鋼的斷裂機制采用sem檢測了twip鋼動態拉伸后的組織形態10。沖擊拉伸試驗采用氣動式沖擊拉伸試驗裝置，如圖1-2所示。彈丸在高壓氣體的驅動下高速撞擊左端擋塊，使和其相連的前置金屬短桿斷裂產生一維應力方波，通過與其相連的輸入桿傳遞到試樣，應力波在試樣左端面一部分反射回輸入桿，一部分通過試

32、樣傳入輸出桿。應力波信號通過在輸入和輸出桿上的應變片響應并經超動態應變儀放大，由瞬態波形存儲器存儲和記錄，最后由接口傳入計算機進行處理12。圖1-2氣動式間接桿桿型沖擊拉伸試驗裝置及測量原理示意圖試驗結果表明：twip鋼的斷裂形式為微孔聚集型斷裂。含有第二相的twip鋼斷裂機理為:鐵素體和奧氏體相界面聚合力的減弱和鐵素體本身的開裂促使微孔形核，形變過程中產生的應力集中使微孔長大、聚合直至材料發生斷裂。全奧氏體的twip鋼斷裂機制為:微孔形核于形變孿晶界處，形變過程中產生的形變孿晶與位錯的交互作用在預先存在的形變孿晶處產生高的局部內應力，微孔在應力集中處長大、聚合直至材料發生斷裂。1.3.7熱處

33、理工藝對twip鋼組織性能的影響對3種不同成分的twip鋼進行熱軋后的熱處理試驗，化學成分如表1-2：表1-2twip鋼的化學成分(質量分數)結果表明：增加固溶處理的保溫時間，可提高twip鋼的延伸率，而強度的變化并不明顯。從晶界的角度分析了性能變化的原因:增加固溶處理的保溫時間，有利于生成退火孿晶，不但增加退火孿晶界的面積，也有利于增加其他特殊晶界(csl晶界)的數量csl晶界對材料的抗晶間腐蝕、斷裂和蠕變強度的提高均有有益的作用，因此，通過控制twip鋼的熱處理工藝來提高原始組織中特殊晶界的含量，可以提高twip鋼的強韌性。(fe-25mn-4si-2al，fe-30mn-4si-2al，

34、fe-30mn-3si-3al)進行熱軋后的熱處理試驗13，結果表明，增加固溶處理的保溫時間，可提高twip鋼的延伸率，而強度的變化并不明顯。從晶界的角度分析了性能變化的原因:增加固溶處理的保溫時間，有利于生成退火孿晶，不但增加退火孿晶界的面積，也有利于增加其他特殊晶界(csl晶界)的數量。csl晶界對材料的抗晶間腐蝕、斷裂和蠕變強度的提高均有有益的作用，因此，通過控制twip鋼的熱處理工藝來提高原始組織中特殊晶界的含量，可以提高twip鋼的強韌性。熱處理工藝對twip鋼的性能有較大的影響，增加保溫時間，有利于延伸率的提高，而強度的變化并不是很明顯。這是由于隨退火時間的增加，退火孿晶數量及退火

35、孿晶界的面積都有所增加。退火孿晶界的產生有利于增加其他csl晶界的數量，有效地斷開隨機晶界的連通性，使得材料在斷裂的過程中，裂紋無法沿隨機晶界繼續擴展，從而提高了材料的斷裂韌性。因此，twip鋼原始組織中的csl晶界和退火孿晶是影響twip鋼性能的關鍵因素，通過改變熱處理制度，從而增加csl晶界(包括孿晶界)的數量，可以顯著提高twip鋼的性能。1.3.8退火工藝對twip鋼顯微組織和力學性能的影響對特定成分的twip鋼進行不同溫度的退火處理，用金相、透射電鏡對其拉伸變形前后的組織進行觀察和分析14。試驗用twip鋼采用電磁感應爐真空熔煉，氬氣氣氛保護，澆鑄成板坯。板坯經熱軋、冷軋至1.0mm

36、厚的薄鋼板后進行不同溫度(8001000)保溫不同時間(120min)的退火處理，經線切割制成拉伸試樣，從拉伸前、后的鋼板上線切割制取金相、透射試樣，進行顯微組織觀察分析。其中金相顯微組織試樣用8%硝酸酒精溶液侵蝕，透射電鏡樣品以5%高氯酸+無水乙醇溶液為電解液，經電解雙噴減薄至穿孔。通過對試驗結果表明：(1)通過對特定成分的twip鋼進行退火處理，其室溫組織為單一奧氏體，并在奧氏體基體中存在退火孿晶和層錯。1000退火后鋼板可達到640mpa左右的抗拉強度和255 mpa左右的屈服強度以及82%以的延伸率，具有較好的綜合性能，故25mn twip鋼板的最佳退火溫度為1000。(2)隨退火溫度

37、的升高，奧氏體晶粒變大，孿晶的數量和層錯密度也隨著晶粒尺寸的增加而增大。800退火時發生了部分再結晶，組織為奧氏體和鐵素體兩相組織，存在少量的層錯和孿晶;1000退火時完成了再結晶，組織為單一的奧氏體，內部為大量的層錯和孿晶微結構。(3)孿晶移動到晶粒邊界處會受到阻礙，形成非共格的孿晶界面。鋼板再結晶退火處理后在奧氏體母體里存在大量的退火孿晶，在變形過程中產生形變孿晶，即發生了twip效應，有利于塑性的提高。（4）大塊退火孿晶的存在是twip效應充分進行的必要條件。1.4 焊接后的twip鋼焊接接頭的組織和性能1.4.1 焊接后twip鋼的金相顯微組織上海大學的周小芬等在研究twip鋼焊接后金

38、相組織時所選取試樣尺寸為200m100mm1.2mm的兩種成分的冷軋twip鋼板，成分如下：表1-3 twip鋼中各合金元素含量(wt%)此實驗采用wse-315anewasia igbt逆變交流氬弧焊機以100150a電流對twip鋼進行手工焊接(對接,間隙12mm,干伸長5mm)。而后使用3000kn微機控制電子萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗；焊接后的金相樣品經氯化鐵鹽酸溶液(配方：5g氯化鐵; 50ml鹽酸;100ml蒸餾水)腐蝕后，采用尼康300光學顯微鏡進行組織觀察;在mh3-顯微硬度機上進行測試，作出硬度分布曲線。此試驗成功的觀察出了twip鋼拉伸前后的金相組織7。表明：試樣拉伸前的

39、基體組織主要是奧氏體。而拉伸后的基體隨著應變量的增加，一部分奧氏體轉化為馬氏體(通過x射線衍射證明)。拉伸后基體上產生大量的形變孿晶，焊縫區域的晶粒沿著拉伸方向被拉長。twip鋼的基體金相照片中可以明顯看到孿晶組織的存在:拉伸前組織為退火孿晶，拉伸后為形變孿晶。1.4.2 焊接對力學性能的影響由周小芬等對焊接前后力學性能的研究15可以看出未焊接試樣的延伸率高于焊接后的;焊接后的屈服強度，抗拉強度等變化不大或者略高于未焊接的試樣。試樣在焊接后，延伸率有較大下降，抗拉強度和屈服強度變化不是很大，不均勻變形區寬度也相似。在twip鋼的屈服強度低于焊接材料的屈服強度時，屈服首先發生在母體相中，因此，焊

40、接對于屈服強度的影響不是很大。另外基體材料與焊接材料的抗拉強度相近， 因此，焊接對于抗拉強度影響也不是很大。若試驗所用焊接材料的延伸率遠低于基體的延伸率，試驗過程中試樣拉伸時斷裂易發生在焊縫區域，所以焊接后試樣的延伸率會下降。在焊接試驗中，焊接對于材料性能產生很多不利影響。若是焊縫區存在缺陷和應力集中，拉伸試驗中斷裂發生在焊縫區，使延伸率下降明顯。在試驗中試樣焊接后的硬度若表現為焊縫區高于基體區域；時因為在拉伸后產生硬化，硬度隨之上升。其中當試樣出現馬氏體相變時，硬度上升較高。第二章 激光焊接試驗設備及過程2.1 試驗方法及設備本試驗采用冷軋和熱處理兩種twip鋼，通過研究比較其拉伸性能、硬度

41、、顯微組織之間的差別，并通過對比母材來達到研究激光焊接后不同處理方式的twip鋼的組織性能和力學性能的目的。2.1.1試驗方法本文所需試驗分別為激光焊接，拉伸試驗，金相試驗，硬度試驗及斷口分析。這幾個試驗分別對twip鋼的焊接性，拉伸性能，組織變化和硬度變化進行了研究。都很好的對比了twip鋼焊接前后的力學性能和微觀組織變化。2.1.2試驗材料成分設計與冶煉結合國內外一些學者的研究情況16-18，經過對比與篩選，確定基礎成分。首先采用0.5噸中頻感應爐進行冶煉，按照成分配比加入錳鐵、硅鐵和純鋁，鑄成鋼錠。其次，將鑄錠經電渣重熔后，將鋼水模鑄成錠，成分如表2-1所示。表2-1 試驗鋼的主要化學成

42、分(質量分數，%)元素cmnsialpsfe含量0.05929.852.983.070.00680.001bal將鑄錠加熱到1200，熱鍛成30mm的板坯，終鍛溫度不低于850。然后將鍛后板坯在試驗軋機上經9道次熱軋至3mm左右，開軋和終軋溫度為1100和800。熱軋后的鋼板進行冷軋，軋制方向與熱軋相同，軋制變形量取70%，即冷軋后板材厚度為0.9mm，取冷軋twip鋼板4塊，尺寸為35150mm，厚度0.9mm作為試驗試樣，標為1-1，1-2，2-1，2-2。然后將其他軋好的twip鋼板進行退火處理，為了獲取最佳的力學性能，退火溫度為1000，保溫時間為15分鐘，出爐空冷后加工試樣。即熱處理

43、試樣twip鋼6塊，尺寸為35150mm，厚度0.9mm。標為3-1，3-2，4-1，4-2，5-1，5-2。2.1.3試驗儀器與設備（1）名稱：固體脈沖激光器圖2-1 固體脈沖激光器工作原理圖 波長：1.06微米 激光輸出功率：01000w 設備特點：聚焦光斑小，金屬吸收功率高，低損耗傳輸，體積小，質量 輕，易實現自動化。激光(產生于被刺激的輻射放射物的光的放大作用)是一種特殊性質的光，單色并且連貫，因此可以將光集中于要做鋼融解的一個微小斑點上。要創造激光輻射，就需要激光媒介。在將能量從外向內轉入到這個媒介中的同時，可以產生被刺激的分子。在諧振器中這束單色光將在兩個鏡子之間反射，由反射產生出

44、時間和空間凝聚的光子，其中一個部分透明的鏡子能將這條射線反射出這臺諧振器。激光焊接最重要的優勢在于能夠將非常高的能量聚焦于一點，激光束打在兩個要焊接部分的邊緣，輸入能量把金屬加熱并將其融化。在激光束作用以后，溶化的材料將迅速冷卻。在這個過程中，有一小部分的數量將進入被焊接的零件中。在焊接減少熱變形的同時，也減少了輸入的熱能量。減少因熱量影響的變形，并增加對準確性的糾正，可以節省大量金錢和時間（2）名稱：拉伸試驗機：電子萬能試驗機 型號：dns100圖2-2 dns100電子萬能試驗機dns100電子萬能試驗機是進行金屬、非金屬及復合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等材料性能測定的試驗設備。適用于各

45、行業力學試驗室和質量檢驗部門的材料力學特性試驗。該系列產品具有運行穩定可靠、對環境適應性強測量范圍大、分辨率及精度高的特點，是工廠、大專院校和科研單位理想的試驗設備。該系列產品的主機由我所研制生產的門式負荷機架、圓弧齒型膠帶式減速器配以滾珠絲杠副的機械傳動系統、拉、壓、彎曲試驗功能附件、計算機系統和我所自主研發制造的數字控制器knz聯合組成。試驗操作可以在試驗機上通過試驗軟件完成。實現試驗數據的自動采集存儲和處理，試驗數據可以由打印輸出。其主機結構先進，造型美觀大方，我所自主研發制造的數字控制器knz性能可靠（3）shimadzu hmv2t系列維氏顯微硬度計分析試樣的顯微硬度用到shimad

46、zu hmv2t系列維氏顯微硬度計(如圖2-3)，商品型號hmv2t系列它的一些技術參數見表2-2。圖2-3 shimadzu hmv2t系列維氏顯微硬度計表2-2 shimadzu hmv-2t系列維氏顯微硬度計技術參數 （4）cmm20e型光學顯微鏡試驗采用長方cmm20e型光學顯微鏡(圖2-4)，對試塊進行宏觀尺寸測量及顯微組織觀察，這種倒置金相顯微鏡主要用于鑒別和分析金屬內部結構組織；圖2-4 長方cmm20光學顯微鏡原材料的檢驗或材料處理后的金相組織分析；其目鏡與物鏡技術參數如表2-3表2-3 長方cmm20顯微鏡技術參數2.2 試驗前的準備（1）激光焊接試驗前準備：分別將1-1，1

47、-2，3-1，3-2，4-1，4-2式樣35mm端打磨光亮，試樣2-1，2-2，5-1，5-2，150mm端打磨光亮，以便于施焊。（2）拉伸試驗前準備：將激光焊接成的試樣1（1-1，1-2焊接而成，以后試樣等同），按gb 2651-2002焊接接頭拉伸試驗方法標準切割成標準試樣，標注好基準線。（3）金相試驗前準備：將試樣1，2，3，5切割成包括基體，熱影響區，焊縫的小塊，然后在金相試塊制備機上制成標準試塊，經過金相砂紙打磨，拋光機拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕510秒后用酒精擦拭干凈。（4）硬度試驗前將觀察完金相的試塊重新拋光。2.2.1金相試樣制備過程（1）制樣所取的制作金相試樣的材料必須

48、是冷軋和熱處理的拉伸前和拉伸后的試樣各一塊，以增強其對比性，而且所取試樣都必須包括基體，熱影響區和焊縫三部分。然后在進行制樣。（2）磨樣制成試樣后，先在砂輪上進行粗磨，磨平需要觀察的一面，接著用粗砂紙磨平。粗磨的目的就是磨平試樣并且把試樣修整為規則的形狀，另外磨掉試樣上的棱角，以免劃破砂紙和拋光布。粗磨時盡量使磨面與砂輪面平行，用力適當。水砂紙上的磨樣：在粗水砂紙240#上磨平時，先朝一個方向磨，待只有這方向的劃痕時，再換垂直方向磨，磨去原方向的劃痕，如此2、3次后方可進行下一砂紙的打磨。磨試樣時應經常將水砂紙在水中清洗，以保持表面的光潔，減少劃痕的產生，避免磨下的顆粒產生劃痕。再依次換320

49、#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙，磨樣方法同上。由于試驗中的材料為鋼，硬度高，故不可跳級進行磨樣，必須是上道工序完成后才能進行下一道的磨樣。要注意磨得時候用力一定要均勻，不能太大，也不能太小。（3）拋光拋光時將拋光布用肥皂水清洗，用水沖洗，鋪平，繃緊并固定在拋光盤上，啟動開關時拋光盤逆時針轉動，將適量的拋光液滴灑在拋光盤上，既可進行拋光。拋光時試樣沿盤的徑向往返移動，拋光過程中要經常滴加拋光液或清水，以保持拋光盤的濕度；先進行粗拋，待劃痕消失后再進行精拋，拋光時拋光布必須平整無破損，拋光時每次方向均朝同一方向旋轉。拋光劃痕消失后，表面呈現鏡面，在顯微鏡下看不出明顯的

50、劃痕為止，才可進行腐蝕。拋光的目的是去除細磨后遺留在磨面上細微磨痕，得到光亮無痕的磨面，為腐蝕做好準備。（4）腐蝕腐蝕是為了觀察組織所必須的。將拋光后的試樣用水沖洗，同時用脫脂棉擦凈磨面，然后用濾紙吸去磨面上過多的水，用酒精清洗試樣表面，滴上4%硝酸酒精腐蝕。腐蝕完后用無水乙醇擦洗干凈，將腐蝕好的試樣放在密封較好的盒子里，以免粘上灰塵等雜物，待照金相時用。（5）觀察顯微組織觀察顯微組織在xj-16a 金相顯微鏡下觀察。2.3 試驗過程2.3.1 激光焊接試驗試驗前先進行熱機，而后調節輸入焊接數據，擺放并調整好焊接材料位置。用氬氣做保護氣體，焊接時不用填充材料。切割時也用氬氣做保護氣體以防止氧化

51、。激光切割時，激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點。首先，激光光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區域內，可提供狹窄的直邊割縫，最小的鄰近切邊的熱影響區和極小的局部變形。其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著：工件無機械變形和無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題，而且切割材料無須考慮它的硬度，即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強，并有高的適應性和柔性，因而與自動化設備相結合很方便，容易實現切割過程自動化；另外由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力，而且與計算機結合，可整張板排料，節

52、省材料。 2.3.2拉伸試驗首先將351500.9的試樣加工成如圖2-5拉伸試樣，然后拉伸試驗在dns100型電子萬能材料試驗機上進行，拉伸速度為0.5mm/min。圖2-5 twip鋼拉伸試驗尺寸將試件豎直夾在拉伸機的夾持端（試驗條件：夾持段35mm，平行部分寬度12mm），然后開始做拉伸試驗，記錄數據，繪制拉伸試驗圖。2.3.3金相試驗（1）金相試樣的制備包括取樣、磨制、拋光、腐蝕四個步驟。制備好的試樣應能觀察到真實組織、無磨痕、水跡。（2）將已經制備好的試片在顯微鏡下進行觀察與分析，分清焊接接頭各區域后，仔細辨認各區域組織特征，在顯微鏡下，測定焊接熱影響區各區域的寬度，把各區域的寬度及組

53、織填在記錄表。繪制各區域組織示意圖。2.3.4硬度試驗（1）壓頭通過精確控制的測試壓力作用在樣品上。（2）壓力會持續一個停留時間，通常是1015秒。（3）在停留時間完成后，壓頭會移開，并在樣品上留下一個圓形的壓痕。（4）印痕的面積就可以確定了。（5）硬度值就是用測試壓力除以壓痕表面積的商。（單位：n/mm2）2.3.5 斷口分析斷口分析的試驗基礎是對斷口表面的宏觀形貌和微觀結構特征進行直接觀察和分析。通常把低于40倍的觀察稱為宏觀觀察，高于40倍的觀察稱為微觀觀察。對斷口進行宏觀觀察的儀器主要是放大鏡(約10倍)和體視顯微鏡（從550倍）等。在很多情況下，利用宏觀觀察就可以判定斷裂的性質、起始

54、位置和裂紋擴展路徑。但如果要對斷裂起點附近進行細致研究，分析斷裂原因和斷裂機制，還必須進行微觀觀察。第三章 激光焊接試驗結果及分析3.1 激光焊接試驗在對試樣處理后共進行了兩次試驗，包括激光焊接與激光切割。兩者都是在固體脈沖激光器上進行的。3.1.1 激光焊接在進行激光焊接時，激光束與基材作用時間短，當光束移開后，熔池金屬迅速冷卻，然后快速凝固。在靠近熔池邊緣，由于與母材接觸，液態金屬的結晶速度比熔池中心大，這樣使焊縫金屬生成胞狀晶。在近中心區，由于溫度梯度沒有邊緣區高，成份過冷度大，導致該區焊縫金屬多數按樹枝晶長大。而在焊縫中心區域，熔池金屬溫度梯度很小，熔池中未熔化的懸浮質點為非自發形核的

55、現成凝固表面，這些晶粒不受其他散熱條件的影響，可以自由生長，促使焊縫形成等軸晶在試驗前用同樣材料先進行焊接工藝參數的調節得比較好的焊接工藝參數，如表3-1：表3-1 激光焊接twip鋼工藝參數脈寬速度頻率功率電壓離焦量4.5ms3mm/s30hz240w61v4mm表3-1 激光焊接twip鋼工藝參數而后進行激光焊接，由于用于進行調節焊接參數的材料所限，焊接后存在一些缺陷主要為：（1）氣孔產生機理：氣孔是激光焊接常見的一種缺陷，即便是致密材料，激光焊接也存在氣孔的問題。焊接鋸片刀頭這類燒結材料，焊縫中出現氣孔的可能性就更大。試驗中氣孔的形成主要有3種原因：(1)低熔點組分的燒損；(2)過渡層孔

56、隙中的氣體；(3)保護氣體的卷入。采取措施：(1)優化熱壓工藝，提高過渡層的致密度；(2)合理的過渡層成分，過渡層應不含有低熔點組分。除此之外，試驗中發現光束偏移量對焊縫中的氣孔有著重要的影響。光束偏移量是指焊接時激光光斑中心相對于焊接線位置的距離。試驗中發現，當光束偏向鋼基側時，可顯著減少焊縫中的氣孔量。（2）裂紋產生機理：裂紋是激光焊接過程中出現的最嚴重的缺陷。導致焊接接頭開裂的主要因素有兩種：冶金因素和力學因素。激光焊接的不平衡快速加熱與快速冷卻的特征，使得整個接頭處于復雜的應力狀態，構成了接頭開裂的力學因素；激光焊接又是一系列不平衡工藝過程的綜合，在快速冶金凝固過程中，必然會出現成分分布的不均勻，低抗裂性能的淬硬組織等，它們構成了促進裂紋萌生的冶金因素。裂紋種類：試驗中發現的裂紋主要有兩種，一結晶裂紋，結晶裂紋與焊縫宏觀區域的成分不均勻性有關。焊縫中心區域是液相結晶最晚的部位，焊縫兩側的柱狀晶交遇于此，同時大