Cr30高铬铸铁堆焊熔覆金属材料组织性能及模拟研究开题报告
2020-04-23 07:04
1. 研究目的与意义（文献综述）
焊接技术是一种重要的材料加工技术，它广泛运用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程及各种金属结构等工业部门。这促使我们不断去研究更多性能优异、成本低廉的新型焊条。
高铬铸铁是含碳量在2%～3.2%,含铬量在12%～28%之间的铬系白口铸铁。由于铬的大量加入使得白口铁中的m3c型碳化物变成m7c3型碳化物。由于高铬铸铁自身组织的特点，使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的耐磨性、高温强度、耐热性和较高的韧性。同时，铬元素有提高焊缝金属淬透性和回火稳定性的作用[1]，为其通过热处理获得良好组织性能创造力条件。因此高铬铸铁被誉为继普通白口铸铁、镍硬铸铁之后的第3代抗磨材料。从20世纪60年代始，高铬铸铁由于具有优良的耐磨性能，在建材、矿山、冶金、电力、水泥、农机、机械工程和筑路机械等领域中，都有广泛的应用[2]。现在已投入生产和应用的有cr15、cr20、cr26几个种类型的系列。
从高铬铸铁焊条堆焊熔敷金属的组织层面上来看，由于焊缝冷却速度和过冷度都很大，焊缝组织为渗碳体 马氏体 m7c3以及残余奥氏体[3]。在其他元素含量不变的情况下，随着铬元素增多，初生奥氏体形状越来越规则，更加细化。这是由于铬是碳化物形成元素，在液相中形成更多碳化物，作为奥氏体形核中心，进而使组织细化[4]。另外，铬含量的增加能够提高堆焊合金的共晶度，使堆焊合金中的亚共晶组织逐渐转变为共晶组织，很大程度上提高堆焊合金层在焊接过程中形成的碳化物的稳定性[5]。
2. 研究的基本内容与方案
2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 基本内容
1、了解高碳、高铬铸铁堆焊熔覆金属的焊接工艺、单双层材料性能特点，制定手弧焊的堆焊试验方案；学习并熟练掌握JMatpro材料性能模拟软件的使用方法。
2、采用合适焊接规范，制备Cr30（C3.0，余Fe）堆焊熔覆金属材料样品，金相制样，比较分析单双堆焊层数时，材料焊缝成形及抗裂性能。
3、光学显微组织观察，堆焊层（梯度）硬度及耐磨性测试。
4、利用JMatpro模拟分析堆焊层的合金相、组织及性能，探讨Cr/C比、Mo（0.75）、Ti（0.25）加入量对堆焊熔覆金属材料成分、组织与抗冲击磨损性能的影响，探讨高铬铸铁堆焊熔覆金属的性能优化设计问题。
2.2 研究目标
1、参照Cr26（C2.6,余Fe），研究在Q235钢板堆焊后的熔覆金属材料的组织及耐磨性能；
2、分析比较单、双层堆焊条件下的焊缝成形性、堆焊层硬度分布梯度；
3、利用JMatpro模拟分析熔覆金属的组织与合金相等，为高铬铸铁堆焊熔覆金属成分优化设计、获得良好的焊缝成形和较强抗冲击磨损性能的高C、高Cr耐磨焊接材料制备提供技术参考。
2.3 技术方案
1、设计四组高铬铸铁焊芯焊条，第一组用碳含量保持3.0%不变，铬含量变化的方法来改变铬碳比；第二组用铬含量保持30%不变，碳含量变化的方法来改变铬碳比；第三组铬含量与碳含量成比例增加，保持铬碳比不变；第四组改变Cr30中Mo与Ti的加入量。焊材的主要化学成分见表1。
表1 焊材的主要化学成分（质量分数，%）
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| 组1 |
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| 组2 |
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| 组3 |
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| Cr | 26 | 30 | 34 | 30 | 30 | 30 | 26 | 30 | 34 |
| C | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 2.6 | 3.0 | 3.4 | 2.6 | 3.0 | 3.4 |
| Mo | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 |
| Ti | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 |
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| 组4 |
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| ||||||
| Cr | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
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| C | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
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| Mo | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0 | 0.5 | 0.75. | 1.0 |
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| Ti | 0 | 0.25 | 0.5 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.25 |
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利用JMatpro模拟得到四组各种成分焊条的堆焊层的合金相、组织及性能，通过模拟得到的数据进行比较，分析Cr/C比、Mo（0.75）、Ti（0.25）加入量对堆焊熔覆金属材料成分、组织与抗冲击磨损性能的影响，探讨高铬铸铁堆焊熔覆金属的优化方法。
2、根据分上述析研究得出的优化方法，制备一款Cr30为主要成分的高铬铸铁焊条，进行手弧焊的堆焊，比较分析单双堆焊层数时，材料焊缝成形及抗裂性能。
3、对堆焊熔敷金属进行光学显微组织观察，堆焊层（梯度）硬度及耐磨性测试。
3. 研究计划与安排
3．进度安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4－6周：学习掌握jmat模拟软件，按技术方案对各组焊条进行模拟，得到四组各种成分焊条的堆焊层的合金相、组织及性能，从中选出一性能最优的cr30高铬铸铁焊条设计方案。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] taiwade r v, patil a p, ghugal r d, et al. effect ofwelding passes on heat affected zone and tensile properties of aisi 304stainless steel and chrome-manganese austenitic stainless steel[j]. isijinternational, 2013, 53(1):102-109.
[2] 褚祥治 ，苑少强 ， 黄丽娟，徐旭东. 高铬铸铁的研究应用与发展[j]. 唐山学院学报. 2011, 24(3):23-25
[3] 徐锦锋, 唐桢, 任永明,等. 高铬铸铁芯焊条堆焊层组织分析[j]. 焊接学报, 2012, 33(8):57-59.
