Q235和SS304同质和异质钢搅拌摩擦焊接头组织性能和腐蚀行为研究

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搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW)已在铝、镁等低熔点金属的连接中得到广泛应用,但对于钢等高熔点金属材料的连接研究则开展相对较少。本文以Q235钢和304不锈钢(SS304)为研究对象,采用FSW实现了Q235同质钢和Q235/SS304异质钢的连接,制备了成形良好、无明显缺陷的焊接接头。将实验和数值模拟相结合,表征了Q235和SS304同质、异质钢FSW接头不同区域微观组织特征,揭示了影响再结晶机制的微观组织因素,建立了接头微观组织与力学性能、腐蚀性能的构效关系,采用COMSOL Multiphysics(?)软件构建了接头电偶腐蚀有限元模型,阐释了接头不同区域之间及不同区域微观组织之间电偶效应对腐蚀性能的影响规律。主要结论如下:Q235钢FSW接头后退侧热影响区(HAZRS)和前进侧热影响区(HAZAS)受热循环作用,发生了回复。后退侧热机械影响区(TMAZRS)、搅拌区(SZ)和前进侧热机械影响区(TMAZAS)发生相变,产生了珠光体和针状铁素体,其含量取决于峰值温度。三个区域均发生了连续动态再结晶(CDRX),晶粒显著细化。SZ主要为D1{(?)2}<111>,D2{11(?)}<111>和F{110}<001>剪切织构,TMAZAS为F{110}<001>剪切织构。Q235钢FSW接头由于各区域温度场和相变导致的热膨胀系数不同,接头残余应力分布呈W型特征。细晶组织、珠光体和针状铁素体提高了接头硬度和抗拉强度,其抗拉强度(UTS)为479MPa,比母材(BMQ235)提高了1.3%。然而,接头均匀延伸率(UE)则仅为16%,下降了33%。FSW接头拉伸断口为韧性断裂。接头呈现良好的弯曲性能。接头各区域耐蚀性由高到低顺序为:HAZRS、BMQ235、HAZAS、TMAZRS、SZ、TMAZAS。珠光体含量及其片层间距和分布均匀性是影响各区域耐蚀性的主要原因,珠光体比例越高,耐蚀性越差。腐蚀产物主要包括α-Fe2O3和α-Fe OOH。Q235/SS304异质钢FSW接头在SS304侧,搅拌区(SZ304)和热机械影响区(TMAZ304)晶粒显著细化,不连续动态再结晶(DDRX)和孪晶诱导动态再结晶(TDRX)为主要晶粒细化机制。热影响区(HAZ304)发生了回复。在Q235钢侧,搅拌区(SZQ235)峰值温度达到了Ac3以上,形成了高比例的针状铁素体。热机械影响区(TMAZQ235)峰值温度在Ac1-Ac3之间,针状铁素体比例下降。CDRX和DDRX为两个区主要再结晶机制。TMAZ304主要为B{1(?)2}<110>和B{(?)}<(?)0>剪切织构,SZ304为B{1(?)2}<10>、(?){(?)1(?)}<11 0>和A*1{112}<(?)>、A*2{111}<111(?)>剪切织构,SZQ235为D1{(?)2}<111>和D2{11(?)}<111>剪切织构。Q235/SS304异质钢FSW接头为机械结合和冶金结合。SZ受两种钢膨胀系数和微观组织影响,形成了较大残余压应力。晶粒细化和相变强化提高了接头硬度和抗拉强度。FSW接头UTS为493MPa,比BMQ235提高了4%。然而,其UE仅为15%,下降了38%。FSW接头拉伸断口为韧性断裂。FSW提高了接头弯曲强度。接头各区域耐蚀性由高到低顺序为:BM304、TMAZ304、HAZ304、SZ、BMQ235、HAZQ235、TMAZQ235。SS304侧各区域耐蚀性与晶界特征有关。Q235钢侧耐蚀性受微观组织影响。腐蚀产物主要包括α-Fe2O3、γ-Fe2O3、α-FeOOH、Cr2O3和FeCrO4。Q235/SS304异质钢FSW接头耐蚀性优于Q235钢FSW接头。模型预测结果表明,接头阳极区易于腐蚀,阴极区不易腐蚀,阳极区与阴极区交界区域腐蚀深度最大。接头珠光体尺寸和面积比例越大,其耐蚀性越差,并且随着时间延长,腐蚀深度增加。模拟结果与试验测试结果相吻合。
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