摘要：文章介紹了超高碳鋼（UHCS）的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了主要工藝參數(shù)的最佳組合。測(cè)定了焊接接頭的硬度、抗拉強(qiáng)度，并利用圖像分析儀分析了焊縫及其熱影響區(qū)的微觀(guān)組織。

關(guān)鍵詞：超高碳鋼；頂鍛壓焊；頂鍛變形；熱模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TG316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）12-0070-04

1 概述

超高碳鋼的含碳量在1.0%～2.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）之間，超過(guò)了傳統(tǒng)高碳鋼的含碳量。它的處理工藝與傳統(tǒng)高碳鋼不同，該鋼在奧氏體化加熱時(shí)需形變處理以獲得較多的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，完全奧氏體化淬火后經(jīng)高溫回火獲得彌散球狀滲碳體和鐵素體基體。由于有大量的超細(xì)碳化物，在二次加熱過(guò)程中碳化物將阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，獲得超細(xì)奧氏體晶粒。細(xì)小的奧氏體晶粒在不同的冷卻條件下可獲得所需的超細(xì)基體組織，如空冷可獲得超細(xì)珠光體，淬火可獲得超細(xì)馬氏體。

由于采用傳統(tǒng)方法制備出的超高碳鋼具有極高的脆性，其工業(yè)化應(yīng)用在過(guò)去一直被人們所忽視。然而近30年來(lái)的研究結(jié)果表明，當(dāng)采用適當(dāng)制備工藝使該材料獲得超細(xì)鐵素體（0.4～2.0μm）基體上分布著超細(xì)粒狀滲碳體（0.2～1.0μm）組織，具有該組織的超高碳鋼稱(chēng)為超細(xì)晶超高碳鋼。該材料不僅在中、高溫下具有高變形速率下的超塑性特性，還在室溫下具有高達(dá)1000MPa以上的強(qiáng)度和高達(dá)35%左右的塑性，并且通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囘€可使其硬度提高至HRC65～68以上。

晶粒細(xì)化是提高金屬材料強(qiáng)度和韌性的有效方法之一，獲得超細(xì)晶組織也一直是材料科技工作者夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，采取各種形變熱處理工藝使超高碳鋼的組織得到充分細(xì)化后，該鋼除了具有高強(qiáng)度和一定的韌性之外，還具有良好的超塑性，從而大大拓寬了超高碳鋼的應(yīng)用前景。后來(lái)在1999年日本的K.Tsuzaki等人提出珠光體+淬火+回火的普通熱處理工藝，這種不經(jīng)過(guò)形變的普通熱處理工藝被稱(chēng)為是制備超細(xì)晶超高碳鋼最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的

工藝。

2 國(guó)內(nèi)外超高碳鋼研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，斯坦福大學(xué)O.D.Sherby、美國(guó)Lawrence Livemore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和日本等國(guó)學(xué)者開(kāi)展了一些研究，當(dāng)采用適當(dāng)制備工藝獲得超細(xì)鐵素體基體上分布著超細(xì)粒狀滲碳體組織后，該材料不僅具有高的超塑性和良好的綜合力學(xué)性能，而且利用其高溫下良好的固態(tài)連接特性，還可與自身及其他金屬材料（黃銅、鋁青銅等）連接制備成新型高性能層狀復(fù)合材料，具有較好的市場(chǎng)前景，而國(guó)內(nèi)至今對(duì)其研究甚少。但史海生等人采用的具有快速凝固特點(diǎn)的噴射成形技術(shù)，制取的含3%Si的UHCS不僅具有優(yōu)良的顯微組織，同時(shí)還具有非常獨(dú)特的超塑性。然而，限于噴射成形工藝自身的特點(diǎn)或設(shè)備上有待完善的原因，目前由噴射成形工藝獲得的UHCS坯料中難免存在一些孔洞，還需要進(jìn)行致密化處理才能愈合。

2.1 所有成分的超高碳鋼在A(yíng)1溫度附近均具有超塑性

原因在于隨著碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大。這種細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)可以有效阻礙超塑變形過(guò)程中基體組織的長(zhǎng)大，故超高碳鋼的超塑性屬于細(xì)晶結(jié)構(gòu)超塑性。合金元素對(duì)超高碳鋼的超塑性具有重要的影響，首先表現(xiàn)在對(duì)鐵-碳相圖的影響。如硅的加入，共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)都左移，而共晶和共析溫度升高，使轉(zhuǎn)變溫度成為一個(gè)溫度區(qū)間，擴(kuò)大并穩(wěn)定了兩相區(qū)的溫度范圍，這對(duì)于超塑性變形是有利的?，F(xiàn)有的一些研究結(jié)果表明，晶界滑移是超高碳鋼超塑性的主要變形機(jī)制，晶格擴(kuò)散以及位錯(cuò)滑移蠕變對(duì)超塑性起協(xié)調(diào)變形作用。

2.2 力學(xué)性能研究

UHCS作為結(jié)構(gòu)材料有大的發(fā)展前景和市場(chǎng)。UHCS可被加工成錠、薄板和棒，并代替部分共析鋼應(yīng)用于耐磨件、工模具、汽車(chē)和鐵軌等領(lǐng)域。在相同的組織條件下，如球化組織、珠光體、回火馬氏體等，超高碳鋼比共析鋼具有更高的強(qiáng)度，且塑性也略有提高。因?yàn)殡S著碳含量的增加，通過(guò)熱加工等工藝，可使組織進(jìn)一步細(xì)化，從而提高UHCS的強(qiáng)度。UHCS比低碳鋼、高強(qiáng)鋼和雙相鋼具有更優(yōu)良的室溫力學(xué)性能。

通過(guò)熱處理UHCS可獲得不同的顯微組織，如馬氏體、回火馬氏體、貝氏體、珠光體等。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)，室溫綜合力學(xué)性能越好，例如，具有細(xì)小貝氏體組織的1.0C-1.5CrUHCS的抗拉強(qiáng)度為1.81GPa，伸長(zhǎng)率為18%。對(duì)于馬氏體組織，馬氏體針葉的大小直接影響UHCS的力學(xué)性能。1.8C-1.6AlUHCS的原始組織為細(xì)小的球化組織，1000℃淬火時(shí)，大部分碳化物溶解，奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大，所獲得的馬氏體也較粗大，這種組織雖然具有高的強(qiáng)度和硬度，但室溫壓縮塑性很差。當(dāng)800℃淬火時(shí)，碳化物不溶解，可獲得光鏡下不可分辨的馬氏體組織和亞微米尺寸的碳化物，該組織具有優(yōu)良的室溫性能：壓縮應(yīng)變?yōu)?6%，斷裂強(qiáng)度為4.69GPa。

3 選題意義及研究?jī)?nèi)容

超高碳鋼良好的超塑性和高強(qiáng)度備受材料工作者的青睞，但也給焊接制造業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)給焊接工作者帶來(lái)了許多新的研究課題和方向。主要有：焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化與細(xì)化，局部軟化與脆化，焊縫金屬的純化與細(xì)化以及焊接方法的選擇與焊接工藝的改進(jìn)等等。

通過(guò)小能量輸入、高強(qiáng)匹配、焊接區(qū)組織結(jié)構(gòu)調(diào)整以及母材/焊縫金屬匹配等多種努力，已經(jīng)在碳素鋼板帶材和螺紋鋼中實(shí)現(xiàn)了超高碳鋼的焊接工藝初步突破，如控制焊縫的組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化。對(duì)400MPa級(jí)細(xì)晶鋼，只要通過(guò)調(diào)整焊縫組織使其獲得針狀鐵素體即可獲得理想的強(qiáng)韌性。而對(duì)于800MPa級(jí)以上的超高碳鋼，要實(shí)現(xiàn)焊縫金屬與母材的等匹配較為困難。但尚需進(jìn)一步努力在含碳量很高的超高碳鋼中取得成功。

超高碳鋼表現(xiàn)出的優(yōu)良性質(zhì)，值得材料界同行進(jìn)一步深入研究，以使超高碳鋼得到更廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。關(guān)于UHCS的壓焊頂鍛行為的模擬研究尚未見(jiàn)報(bào)道，而且UHCS的壓焊頂鍛大量應(yīng)用于軌道焊接，以期望UHCS能在軌道上獲得應(yīng)用，因此，有必要進(jìn)行UHCS的壓焊頂鍛行為的模擬研究，并為其他超細(xì)晶超高碳鋼零部件的焊接提供參考。

研究的主要內(nèi)容包括：（1）選擇焊接工藝參數(shù)，采用Gleebble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)超高碳鋼進(jìn)行加壓頂鍛試驗(yàn)。（2）對(duì)焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，檢測(cè)焊接接頭性能。（3）對(duì)接頭的組織進(jìn)行觀(guān)察。

4 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

4.1 試驗(yàn)材料

4.1.1 UHCS的制備工藝。

UHCS的制備工藝主要有：

（1）煉鋼工藝：設(shè)備：真空感應(yīng)爐；配料：總質(zhì)量50kg；原材料：C、Cr、Al、Si、Mn、Ti、Nb、Fe純金屬，V-Fe，S、P是雜質(zhì)。鋼錠直徑約16cm，高25cm。

（2）鍛造工藝：預(yù)處理：材料表面打磨（粗車(chē)），除去氧化皮、涂料。均勻化處理：分段加熱，首先在500℃～600℃預(yù)熱1h；再提高爐溫至800℃～900℃加熱1h；然后再提高爐溫至1100℃～1150℃加熱1h。鍛造：連續(xù)鍛造成50×50mm方坯。溫度低時(shí)可加熱。

（3）軋制工藝：方坯在爐內(nèi)分段加熱至1000℃～1150℃，取出連續(xù)軋制10～12道次，至直徑12mm，終軋溫度750℃～800℃。

（4）球化退火工藝：第一，爐內(nèi)溫度812℃，裝爐，約12min回升到812℃，總加熱時(shí)間約40min；第二，1℃/min冷卻到750℃；第三，出爐空冷。

4.1.2 UHCS的化學(xué)成分及組織。

實(shí)驗(yàn)材料為UHCS，試樣尺寸為mm圓柱體。

UHCS化學(xué)成分如表1所示：

在碳素鋼中加入合金元素后可以改善鋼的使用性能，使合金鋼得到許多碳鋼所不具備的優(yōu)良的或特殊的性質(zhì)。在鋼中經(jīng)常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B等。它們以以下四種形式

存在：

（1）溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在。

（2）形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等。

（3）形成非金屬夾雜物，如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。故加入Mn元素或其他合金元素，如Si、Al、Mo、Ni、Cr等來(lái)減小S、P的有害

作用。

（4）有些元素如Pb、Cu等既不溶于鐵，也不形成化合物，而是在鋼中以游離狀態(tài)存在。在高碳鋼中有時(shí)也以自由狀態(tài)（石墨）存在。

碳是超高碳鋼中的基本元素。研究表明，滲碳體之間的間距越小，屈服強(qiáng)度就越高。滲碳體是硬脆相，在超高碳鋼中主要起第二相強(qiáng)化作用，但當(dāng)碳含量大于1.0%時(shí)，鋼中便有明顯的網(wǎng)狀滲碳體形成，網(wǎng)狀滲碳體的存在，導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性韌性均明顯下降，而且當(dāng)碳含量高于1.8%時(shí)網(wǎng)狀滲碳體的消除就比較困難，從這個(gè)角度講，超高碳鋼的含碳量應(yīng)取在1.8%以下，故本材料符合要求。

硅具有明顯的石墨化作用，因此在添加硅的同時(shí)還應(yīng)添加抑制石墨化的元素，如鉻等。Cr元素具有在一定溫度和變形條件下促進(jìn)珠光體球化的作用，適當(dāng)增加Cr元素含量，對(duì)抑制石墨化及穩(wěn)定組織有利。但含鉻鋼強(qiáng)度高塑性低，而且含鉻量大于2%時(shí)，材料加工、成形性變差。所以，含鉻量不能超過(guò)2%。

鋁也是鐵素體形成元素，超高碳鋼中添加鋁的目的在于：提高A1溫度和改善制備工藝。含Al的超高碳鋼具有良好的抗氧化性能，在1200℃溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫仍未有氧化膜生成。而且在抑制石墨化和抗氧化方面Al比Si更有效。因此，本試驗(yàn)材料鋁的含量較高，滿(mǎn)足要求。

4.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用Gleeble 1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和動(dòng)力控制系統(tǒng)三大部分組成。其中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是Gleeble 1500D物理模擬試驗(yàn)機(jī)的核心部分，用以控制實(shí)驗(yàn)要求的加熱條件和加載條件，如加熱溫度、加熱速度、冷卻方式以及加載壓力等。溫度控制系統(tǒng)采用電阻加熱方式加熱，溫度控制精度可達(dá)±1℃。動(dòng)力控制系統(tǒng)用來(lái)控制加載，可以完成多種工藝實(shí)驗(yàn)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如鍛造、軋制、拉伸和壓縮等過(guò)程模擬。此外，設(shè)備配有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時(shí)采集試樣的溫度、真實(shí)應(yīng)變、應(yīng)變速度等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)用Origin軟件輸出，數(shù)據(jù)的后續(xù)處理功能強(qiáng)大。

可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)種類(lèi)：

4.2.1 過(guò)程模擬。熱軋工藝模擬、連鑄工藝模擬、鍛造工藝模擬、對(duì)焊工藝模擬、焊接熱影響區(qū)模擬、熱處理工藝模擬。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。常溫拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)、高溫拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)、熱疲勞、熱/機(jī)疲勞、高溫?zé)崴苄郧€(xiàn)、真應(yīng)力/真應(yīng)變曲線(xiàn)、CCT曲線(xiàn)。

4.2.3 基礎(chǔ)材料研究。擴(kuò)散、熔化及控制固化、應(yīng)力松弛、再結(jié)晶、加工硬化、凍結(jié)顯微組織等。硬度測(cè)量在維氏硬度計(jì)上進(jìn)行。接頭的抗拉強(qiáng)度在精密萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其型號(hào)為AG-I250KN。顯微組織分析采用圖像分析儀，型號(hào)為IAS-4。

4.3 焊接方法及焊接工藝參數(shù)的選擇

4.3.1 焊接方法的選擇。為獲得與母材相匹配性能的焊接接頭，需要進(jìn)行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。眾所周知，隨著碳及合金元素的增加往往會(huì)給鋼的焊接帶來(lái)不利的影響，而不同鋼種所出現(xiàn)的焊接性問(wèn)題又不盡

相同。

本試驗(yàn)用的是超高碳鋼，含碳量很高，普通電弧焊接過(guò)程容易產(chǎn)生一系列問(wèn)題，使焊接過(guò)程難以進(jìn)行，且焊后容易留下焊接缺陷。另外，本試驗(yàn)材料通過(guò)球化退火，其組織為超細(xì)珠光體+球狀碳化物，晶粒極度細(xì)小，焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大傾向，晶粒長(zhǎng)大不僅會(huì)造成焊縫及焊接熱影響區(qū)（HAZ）脆化，而且焊接的熱作用還會(huì)導(dǎo)致HAZ的軟化。由于焊接性問(wèn)題的出現(xiàn)，往往會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的可靠性，造成焊接結(jié)構(gòu)的早期破壞。為了解決這一問(wèn)題，需要采用高能量密度熱源低熱量輸入的焊接方法進(jìn)行快速焊接，使焊接熱影響區(qū)變窄，減小軟化區(qū)寬度，有利于防止軟化引起的接頭力學(xué)性能的降低。但就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)外有關(guān)超高碳鋼的壓焊頂鍛行為的研究報(bào)道很少，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)，使金屬端面熔化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，迅速施加頂鍛壓力完成焊接。因此，采用電阻加熱方式進(jìn)行焊接模擬，具有極強(qiáng)的熱應(yīng)力應(yīng)變模擬功能，而且不需要焊材，不開(kāi)坡口，還避免了選取焊材難與母材性能匹配的問(wèn)題，完全適合超高碳鋼的焊接。

4.3.2 焊接工藝參數(shù)的選擇。焊接工藝參數(shù)的選擇如表2所示：

表2 焊接工藝參數(shù)

參數(shù)方案加熱峰值溫度/℃ 加熱速度/℃/s 頂鍛量/cm 頂鍛速度/cm/s 試樣號(hào)

11000 250 6 2 1#

21100 250 8 3 2#

31200 250 10 4 3#

以方案3的參數(shù)預(yù)焊一對(duì)（不做熱處理）作為4#試樣，與1#、2#、3#試樣（經(jīng)過(guò)熱處理）作比較。采用制備好的Φ8mm×60mm的棒料，用砂紙將棒料端面打磨光亮。在試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)記錄試樣加熱溫度、時(shí)間、頂鍛量和應(yīng)力變化情況。將1#、2#、3#試樣進(jìn)行熱處理，用熱處理加熱爐加熱至770℃保溫3h，爐冷至550℃，然后空冷。

4.3.3 試驗(yàn)方案，本試驗(yàn)方案如下：選擇焊接工藝參數(shù)、采用焊接超高碳鋼-超高碳鋼、對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理、焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試、焊接接頭的組織觀(guān)察。

5 超高碳鋼的壓焊頂鍛行為的模擬

5.1 接頭的機(jī)械性能

5.1.1 接頭的抗拉強(qiáng)度。

第一步：熱處理前、后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度的拉伸數(shù)據(jù)比較。

通過(guò)拉伸試驗(yàn)所得比較數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：熱處理過(guò)的3#試樣的抗拉強(qiáng)度明顯高于未熱處理的4#試樣。

第二步：熱處理后焊接接頭的拉伸數(shù)據(jù)比較。

2#試樣的拉伸強(qiáng)度最高，最大載荷達(dá)到30kN（折算應(yīng)力大約為184.349MPa），說(shuō)明按第（2）方案的工藝參數(shù)焊接所得的焊接接頭在熱處理后性能最好。

5.1.2 接頭的顯微硬度。

通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，不難發(fā)現(xiàn)2#試樣的力學(xué)性能最好，因此以第（2）方案，即加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s；再焊一組試樣，記作5#材料。焊完以后進(jìn)行熱處理：熱處理方法如上。然后沿試樣與焊縫的交叉方向線(xiàn)切割，使焊縫外露。在初磨以后采用維氏硬度計(jì)測(cè)定硬度：從一側(cè)穿過(guò)焊縫區(qū)至另一側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)試。

5.1.3 焊接工藝參數(shù)分析。

本實(shí)驗(yàn)焊接過(guò)程是利用電阻熱加熱材料被焊端面使其迅速加熱到熔化狀態(tài)，然后通過(guò)施加壓力快速將兩者對(duì)焊到一起完成焊接。因此，采用電阻加熱方式進(jìn)行焊接模擬，具有極強(qiáng)的熱應(yīng)力應(yīng)變模擬功能，在焊接時(shí)兩個(gè)焊接材料熔合區(qū)所受的熱/力條件相同。在焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的選擇會(huì)給焊接帶來(lái)不同程度的影響。現(xiàn)通過(guò)分析壓焊加熱峰值溫度、加熱速度、頂鍛量、頂鍛速度等參數(shù)，研究頂鍛參數(shù)匹配關(guān)系與焊瘤形貌特征。

通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，初判頂鍛參數(shù)的匹配效果。

1#焊接接頭：表面良好，力學(xué)性能較差，其原因是加熱溫度太低，原材料兩個(gè)表面不能達(dá)到溶化狀態(tài)，且頂鍛量太少，以致不能完全焊上，頂鍛參數(shù)匹配效果不好。

2#焊接接頭：表面良好，力學(xué)性能良好，頂鍛參數(shù)匹配效果良好。

3#焊接接頭：表面有毛刺，力學(xué)性能一般，其原因是加熱溫度過(guò)高，以致原材料兩端面溶化過(guò)多，且頂鍛量和頂鍛速度太大，以致瘤根部的金屬流線(xiàn)彎曲分層嚴(yán)重，熱裂紋、疏松等缺陷較多，頂鍛參數(shù)匹配效果不好。

因此，試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的頂鍛參數(shù)為2#焊接接頭，即加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s。

5.2 焊縫組織觀(guān)察

選取拉伸性能較好的方案所處理后得到的5#試樣，在測(cè)完其硬度以后，先在砂紙上磨平表面，接著在拋光機(jī)上拋光，再利用4%的硝酸酒精溶液腐蝕磨面，最后在圖像分析儀上觀(guān)察焊縫及近縫區(qū)的組織。

超高碳鋼在A(yíng)1溫度附近均具有超塑性。原因在于隨著碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大，通過(guò)適當(dāng)工藝處理進(jìn)一步細(xì)化晶粒，這種細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)可以有效阻礙超塑變形過(guò)程中基體組織的長(zhǎng)大，故超高碳鋼的超塑性屬于細(xì)晶結(jié)構(gòu)超塑性。

首先是焊縫比較完整、平齊、外觀(guān)良好；其次發(fā)現(xiàn)垂直于焊縫方向有一條黑色區(qū)域。

初步分析，形成的原因如下：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度峰值達(dá)定為1100℃，實(shí)際溫度峰值波動(dòng)最大值為1106℃。含碳量為1.58%的超高碳鋼為固相，故試樣端部不會(huì)被熔化，但此時(shí)又受到外力的擠壓，外觀(guān)上焊縫附近出現(xiàn)局部變形，內(nèi)部組織則在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生不均勻的變化，因此產(chǎn)生了與原始組織不同的黑色區(qū)域。除了外力的作用，超高碳鋼本身所具有的超塑性也是成因之一。

進(jìn)一步分析，既然1106℃下超高碳鋼不處于熔化狀態(tài)，因此焊縫組織變化不大的黑色區(qū)域?yàn)槌咛间摰脑冀M織，而呈細(xì)帶狀的白色部分為被拉伸了的原始組織。

最終分析，焊接用的試樣為圓柱鋼錠，在焊接過(guò)程中，試樣被快速加熱到1106℃，由于材料本身具有散熱性，散熱效果由圓柱壁向軸心逐漸降低，致使由軸心向外壁產(chǎn)生一個(gè)逐漸降低的溫度梯度，當(dāng)外壁為1106℃時(shí)，內(nèi)部溫度會(huì)稍高一點(diǎn)，這也是3#試樣在預(yù)定峰值溫度為1200℃（實(shí)驗(yàn)峰值溫度為1301℃）時(shí)熔化燒損的原因。正是這個(gè)因素，導(dǎo)致了試樣軸心部位的組織的流動(dòng)性比外部的好，在頂鍛焊接時(shí)加入了一個(gè)頂鍛力，在力的作用下，又因?yàn)槌咛间摼叱苄裕虼嗽冀M織被拉伸，呈現(xiàn)大量超細(xì)均勻分布的珠光體的帶狀分布，這也是導(dǎo)致顯微硬度在焊縫區(qū)明顯高于母材的直接原因。

6 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明，最佳工藝參數(shù)組合是：加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為

3cm/s。焊后其焊縫硬度可達(dá)到HV254.3左右，接頭硬度不低于母材，焊接熱影響區(qū)（HAZ）未出現(xiàn)軟化。焊后拉伸強(qiáng)度達(dá)到184.349MPa。焊縫熱影響區(qū)的組織為珠光體+鐵素體，其中珠光體為呈超細(xì)均勻分布的，硬度高于母材，鐵素體部分呈針狀分布。

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作者簡(jiǎn)介：高守穩(wěn)（1983—），男，河南濮陽(yáng)人，中原油田采油一廠(chǎng)電焊技師，助理經(jīng)濟(jì)師，研究方向：電氣焊的操作和應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：文 森）