奥-贝球铁焊接HAZ组织性能与断口分析

图1　奥-贝球铁组织(×1 000)

图3　抗拉强度与T_m、t_8/5、t_m的关系

2.1　拉伸强度的结果分析

　　经加工后模拟试样分别进行拉伸试验，并将结果的平均值分别与T_m、t_m、t_8/5关系示于图3中。可以看到：随T_m的增加，均温区的断裂强度在570 MPa～200 MPa逐渐下降，而且远低于母材ADI的σ_b，且只有在T_m=850℃中有少量的塑变后断裂；当T_m=1 050℃，随t_m增加，断裂强度在280 MPa～160 MPa内缓降，且均为无塑变断裂；当改变t_8/5，均温区的抗拉强度在200 MPa～620 MPa变化，且在t_8/5接近40 s时，σ_b达到*值，而后随t_8/5的延长，强度趋于平稳并稍有下降，并在t_8/5≥20 s时，有塑变出现。

2.2　拉伸断口分析
　　图4显示了T_m、t_m、t_8/5变化条件下，典型断口形貌。在T_m高时(图4a)，断口具有明显的准解理断裂特征，在解理面上有非常细的平行河流，断口高低不平，这是很多裂纹同时张开，然后被这些裂纹分开的基体组织发生撕裂，并使裂纹连接起来，因此形成断口高低不平。这个特征说明马氏体的尺寸有很大变化，针状马氏体相对于奥氏体的取向有多种，它受到其他组织因素如奥氏体孪晶、残余奥氏体、未分解的碳化物及自回火形成碳化物等因素的影响。而当T_m降低时(图4c)，断口呈现准解理和塑性断口的混合断口特征，这说明基体组织是混合性的。在T_m=1 050℃，增加t_m(图4d)断口的脆性断裂特征更为明显，马氏体基体组织量增多和片状马氏体尺寸增大。当增加t_8/5(图4e)时，在断口处有细小塑坑，断口色泽较暗，裂纹扩展路径不明显，但仍具有准解理断裂特征。当t_8/5达到200 s(图4f)，断口表现为具有一定塑性和层状撕裂花样，层片状撕裂明显，这是按珠光体类型组织层片结构表现为铁素体与渗碳体分开的情况。
2.3　结果的讨论
　　从以上断裂强度和断口形貌随T_m、t_m、t_8/5变化情况可以看到，断口组织特征反映了均温区的力学性能。当奥-贝组织加热到1 050℃，基体组织将发生奥氏体化，且随着t_m的增加，奥氏体晶粒结构将进一步粗化，石墨球表面碳会脱溶而进入奥氏体中，高温奥氏体中碳浓度增加，而且这种趋势随t_m的增长而恶化^［2］。在后续的冷却中，如t_8/5较短时，富碳的奥氏体将转变为高碳片状马氏体，且由于碳浓度增加，点阵畸变更加严重，基体组织内在外力作用下发生断裂可能性增加，所以抗拉强度低，断口为明显的脆断特征。而当t_8/5延长，高温奥氏体组织“经由”珠光体类型组织转变温度区间，会有珠光体类型组织出现，所以强度增加，并在t_8/5=40 s达到*。而当进一步变缓时，会有铁素体类型组织出现，力学性能稍降，而且由于珠光体层片结构“粗化”，断裂会出现在铁素体与渗碳体间。而当奥-贝组织T_m降低时，奥氏体晶粒粗化及石墨球表面碳的脱溶不明显，后续生成的片状马氏体尺寸减小，点阵畸变程度有所缓和。在更低的T_m条件下，基体组织没有完全奥氏体化，所以抗拉强度有所增加。但由于母材、焊缝基体为奥-贝组织^［1］，而奥氏体区模拟均温区没有奥-贝组织出现，所以抗拉强度仍低于母材和焊缝，尚不能实现接头的等匹配。

图4　断口形貌(×500)
(a) T_m=1 050℃,t_m=7 s,t_8/5=7 s　　(b) T_m=950℃,t_m=7 s,t_8/5=7 s
(c) T_m=850℃,t_m=7 s,t_8/5=7 s　　(d) T_m=1 050℃,t_m=30 s,t_8/5=7 s
(e) T_m=1 050℃,t_m=7 s,t_8/5=40 s　　(f) T_m=1 050℃,t_m=7 s,t_8/5=200 s

　　在快速加热150℃/s，改变T_m(850℃～1 050℃)、t_m(3 s～30 s)和t_8/5(9 s～200 s)条件下，对焊接热模拟试件均温区断裂强度和断口进行分析表明：
　　(1) 随T_m增加，强度σ_b下降，断口由准解理断裂形貌过渡到脆断形貌。在t_m增加时，(T_m=1 050℃)强度σ_b缓降，断口脆断逐渐明显。而当t_8/5增加，强度σ_b增加，在t_8/5=40 s达到*值，断口处有塑孔出现；当进一步增加t_8/5,强度σ_b略有下降，断口表现为珠光体组织中铁素体与渗碳体分开的特征。
　　(2) 奥氏体区是ADI焊接接头力学性能最薄弱的区域，采用热模拟改变T_m、t_m、t_8/5，尚不能明显改善接头强度以达到接头的等匹配。

收稿日期： 1997-04-02
* *教委博士点基金资助项目
王春生　吉林工业*焊接教研室　在职博士生　工程师， 130025　长春市
龚　慧　吉林工业*焊接教研室　工程师
徐德生　吉林工业*焊接教研室　讲师
周振丰　吉林工业*焊接教研室　教授

参考文献

　　1　Zhou Zhenfeng, et al. Development of new electrode for arc welding of austempered ductile iron. Chinese Journal of Metal Science and Technology, 1992, 6(8): 417～421
　　2　王春生 等. 奥-贝球铁模拟焊接高温停留时间对热影响区组织与性能的影响. 农业机械学报, 1996, 27(4): 122～125
　　3　Dorazil E. High strength austempered ductile cast iron. Publishing House of the Czechoslovak Academy of Science, 1991. 70～82
　　4　Lee S C, et al. The effects of heat treatment and alloying element on fracture toughness of baintic dutile cast iron. AFS Transaction, 1988. 317～324

ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES AND FRACTURE MORPHOLOGY
ON HAZ OF AUSTEMPERED DUCTILE IRON WELDING

Wang Chunsheng　Gong Hui　Xu Desheng　Zhou Zhenfeng
(Jilin University of Technology)

Abstract

　　Using the Gleeble-1500 welding thermal simulation test machine, the effect of peak temperature (T_m), holding time (t_m) at T_m and cooling time (t_8/5) from 800℃ to 500℃ on mechanical properties and fracture morphology of HAZ of austempered ductile iron welding has been studied and some experimental results have been obtained. With raising T_m, fracture strength (σ_b) decreases and fracture morphology develops from quasicleavage to cleavage fracture. With increasing t_m, σ_b decreases and cleavage fracture displays clearly. With further increasing t_8/5, σ_b is greatest in t_8/5=40 s and then σ_b decreases slightly, fracture characteristic is that ferrite and cementite in pearlite are split. Meanwhile, the results prove that mechanical properties of austenite zone of HAZ is weakest in joint of ADI welding.
　　Key words　Ductile iron, Welding, HAZ, Fracture morphology, Mechanical properties