采用空间温度梯度热处理细化d406a钢焊接构件晶粒的方法
【专利摘要】采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，它涉及金属热处理领域，特别是一种采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法。本发明是要解决现有D406A钢焊接构件热处理后存在晶粒度低导致综合力学性能差的问题。方法：对D406A钢焊接构件进行变温循环淬火热处理的同时进行水冷散热，使焊接构件在热处理过程中从焊缝区到母材区沿长度方向上处于不同的温度下，形成一温度梯度场。本发明用于细化D406A钢焊接构件晶粒。
【专利说明】采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属热处理领域，特别是一种采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法。
【背景技术】
[0002]低合金超高强度钢是超高强度钢的一种。因具有相当高的强度和一定的韧性，合金元素含量低，热加工工艺简单，成本相对低廉，而被广泛用于航天、航空和常规武器等领域。D406A(30Si2MnCrMoVE)钢是我国自行研制的一种优良的低合金超高强度钢，广泛应用于航空航天飞行器金属壳体。
[0003]低合金超高强度钢的传统热处理一般为淬火后低温回火，这些传统工艺并不能同时兼备强度和韧塑性。而一些构件使用过程中往往要承受较大的冲击载荷，如飞机起落架、炮筒和防弹钢板等，但因韧性不高会缩短其使用寿命，或容易发生脆性断裂而影响安全。同时，由于现在对材料的特殊要求，特别是针对一些特殊的结构件，如焊接构件的焊缝区域与基体的组织、应力状态不同，传统热处理不能使不同的组织结构状态通过热处理获得最佳的组织，从而不能获得最佳的力学性能，也会使零部件的质量和寿命都受到相应的影响，这对于超高强度钢的应用来说又是一个非常不利的影响。另外，由于焊接构件在焊缝区与接近焊缝区的热影响区存在着组织粗大的缺陷，这严重影响着焊接构件的机械性能，所以也需要用适当的热处理方法来进行晶粒细化，使焊接构件达到良好的综合机械性能。
【发明内容】
[0004]本发明是要解决现有D406A钢焊接构件热处理后存在晶粒度低导致综合力学性能差的问题，而提供一种采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法。
[0005]本发明采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法是按以下步骤进行:
[0006]一、第一次淬火:对D406A钢焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对D406A钢焊接构件的母材区进行水冷散热，待D406A钢焊接构件的焊缝区的温度从室温升至920°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第一次淬火后的焊接构件；所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min ；
[0007] 二、第二次淬火:对第一次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第一次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至900°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第二次淬火后的焊接构件；所述保温的时间根据第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min ；
[0008]三、第三次淬火:对第二次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第二次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至880°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到晶粒细化的D406A钢焊接构件；所述保温的时间根据第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min。
[0009]本发明原理:本发明采用对D406A钢焊接构件的焊缝区局部加热并加上水冷散热的方法，使焊接构件从焊缝区向母材区沿长度方向形成温度梯度，这是因为，焊接构件的组织是不均匀的即各区域的组织不同，具体说来，在焊缝区的组织为粗大的马氏体，而热影响区的的组织也为马氏体，但组织较焊缝区来说稍微细小、均匀一些，母材区的组织是更为细小、均匀的粒状珠光体，这样，焊缝区需要较高的加热温度来进行淬火，以使很不均匀的马氏体组织变得均匀，而热影响区则不需要那么高的加热温度。如果没有温度梯度的存在，即热影响区的加热温度与焊缝区的一样，那么热影响区的晶粒会由于较高的加热温度而有所长大，那么循环淬火后的晶粒细化效果就会减弱。对于母材区，本身组织就已很细小、均匀，完全不需要高温淬火使组织变得均匀。同样是由于温度梯度的存在，使母材区的温度远在奥氏体转变的相变点以下，这样就相当于在母材区根本就没有进行淬火，也避免了由于淬火导致的焊接构件残余应力的增加，提高了焊接构件的塑性和韧性。空间温度梯度热处理除了使焊接构件从焊缝区到母材区沿长度方向形成温度梯度之外，还包含着对构件进行变温循环淬火的处理，在使组织均匀化的同时也会细化晶粒，这是因为在循环淬火过程中，焊接构件反复经历着从马氏体转变为奥氏体，再由奥氏体转变为马氏体的过程。每一次重新加热时，细小的颗粒状奥氏体晶粒首先会在原奥氏体晶界、马氏体板条束边界处形核，因为这些位置能量高，易于形核，将新生成的奥氏体在未长大之前迅速冷却就会得到细小的组织。这样下一次加热时就有了更多可以形核的界面。而每一次进行淬火的时候，由于马氏体转变是一个切变过程，在转变过程中产生了大量的缺陷，如位错、层错、孪晶等，这样在下一次加热时这些缺陷会被继承，缺陷位置能量高，容易形核，大量的缺陷也增加了可以形核的位置，这些都有助于在加热淬火后得到细小的组织。按照这样的原理循环反复，就能得到比上一次尺寸更小、数量更多的晶粒。在循环淬火过程中，后一次淬火比前一次淬火温度有所降低主要原因是，在马氏体到奥氏体循环相变过程中，逆转变奥氏体遗传了马氏体转变过程中增加的高能量的缺陷，这些能量就转化为新奥氏体重结晶时的驱动力和储存能。这样经过一次循环淬火，缺陷密度就会增加，下一次奥氏体形核结晶时的驱动力也会随之增加，这样由于储存能已经比上一次形核时高，就不需要与上一次结晶一样高的加热温度来提供能量，如果采用同样的温度，多余的能量就会促使新生成的晶粒长大，因此为了获得细小的晶粒，应该降低加热温度。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]本发明能够有效地使D406A钢焊接构件的焊缝区和热影响区晶粒细化，一般的D406A钢焊接构件在焊接后的焊缝区组织为粗大的枝状晶，甚至无法测出其晶粒度，热影响区的晶粒度仅为2~3级，而采用了本发明热处理后，焊缝区和热影响区的晶粒度分别达到了 8级和9级，大幅度地细化了晶粒。晶粒得到细化后，焊接构件的综合力学性能会得到提高，一般的D406A钢焊接构件经过传统的淬火后回火热处理的抗拉强度约为1700Mpa，延伸率在8%以下，而采用了本发明热处理后，焊接构件的抗拉强度基本保持不变，但是延伸率却提高到了 12%，在强度不降低的情况下大幅度地提高了塑性，很好地实现了强韧化的结合，提高了焊接构件的综合力学性能。另外，本发明方法简单，实现成本低，使用效果好。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为实施例一得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的焊缝区的显微组织照片；图2为实施例一得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的热影响区的显微组织照片；图3为实施例一得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的母材区的显微组织照片；图4为实施例二中细条状D406A钢焊接构件上若干测试点测得的温度梯度分布曲线；图5为实施例三得到的退火处理后的细条状D406A钢焊接构件的焊缝区的显微组织照片；图6为实施例三得到的退火处理后的细条状D406A钢焊接构件的热影响区的显微组织照片；图7为实施例三得到的退火处理后的细条状D406A钢焊接构件的母材区的显微组织照片；图8为实施例四得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的焊缝区的显微组织照片；图9为实施例四得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的热影响区的显微组织照片；图10为实施例四得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的母材区的显微组织照片；图11为实施例五得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的焊缝区的显微组织照片；图12为实施例五得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的热影响区的显微组织照片；图13为实施例五得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的母材区的显微组织照片。
【具体实施方式】
[0013]【具体实施方式】 一:本实施方式采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法是按以下步骤进行:
[0014]一、第一次淬火:对D406A钢焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对D406A钢焊接构件的母材区进行水冷散热，待D406A钢焊接构件的焊缝区的温度从室温升至920°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第一次淬火后的焊接构件；所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min ；
[0015]二、第二次淬火:对第一次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第一次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至900°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第二次淬火后的焊接构件；所述保温的时间根据第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min ；
[0016]三、第三次淬火:对第二次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第二次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至880°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到晶粒细化的D406A钢焊接构件；所述保温的时间根据第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min。
[0017]本实施方式原理:本实施方式采用对D406A钢焊接构件的焊缝区局部加热并加上水冷散热的方法，使焊接构件从焊缝区向母材区沿长度方向形成温度梯度，这是因为，焊接构件的组织是不均匀的即各区域的组织不同，具体说来，在焊缝区的组织为粗大的马氏体，而热影响区的的组织也为马氏体，但组织较焊缝区来说稍微细小、均匀一些，母材区的组织是更为细小、均匀的粒状珠光体，这样，焊缝区需要较高的加热温度来进行淬火，以使很不均匀的马氏体组织变得均匀，而热影响区则不需要那么高的加热温度。如果没有温度梯度的存在，即热影响区的加热温度与焊缝区的一样，那么热影响区的晶粒会由于较高的加热温度而有所长大，那么循环淬火后的晶粒细化效果就会减弱。对于母材区，本身组织就已很细小、均匀，完全不需要高温淬火使组织变得均匀。同样是由于温度梯度的存在，使母材区的温度远在奥氏体转变的相变点以下，这样就相当于在母材区根本就没有进行淬火，也避免了由于淬火导致的焊接构件残余应力的增加，提高了焊接构件的塑性和韧性。空间温度梯度热处理除了使焊接构件从焊缝区到母材区沿长度方向形成温度梯度之外，还包含着对构件进行变温循环淬火的处理，在使组织均匀化的同时也会细化晶粒，这是因为在循环淬火过程中，焊接构件反复经历着从马氏体转变为奥氏体，再由奥氏体转变为马氏体的过程。每一次重新加热时，细小的颗粒状奥氏体晶粒首先会在原奥氏体晶界、马氏体板条束边界处形核，因为这些位置能量高，易于形核，将新生成的奥氏体在未长大之前迅速冷却就会得到细小的组织。这样下一次加热时就有了更多可以形核的界面。而每一次进行淬火的时候，由于马氏体转变是一个切变过程，在转变过程中产生了大量的缺陷，如位错、层错、孪晶等，这样在下一次加热时这些缺陷会被继承，缺陷位置能量高，容易形核，大量的缺陷也增加了可以形核的位置，这些都有助于在加热淬火后得到细小的组织。按照这样的原理循环反复，就能得到比上一次尺寸更小、数量更多的晶粒。在循环淬火过程中，后一次淬火比前一次淬火温度有所降低主要原因是，在马氏体到奥氏体循环相变过程中，逆转变奥氏体遗传了马氏体转变过程中增加的高能量的缺陷，这些能量就转化为新奥氏体重结晶时的驱动力和储存能。这样经过一次循环淬火，缺陷密度就会增加，下一次奥氏体形核结晶时的驱动力也会随之增加，这样由于储存能已经比上一次形核时高，就不需要与上一次结晶一样高的加热温度来提供能量，如果采用同样的温度，多余的能量就会促使新生成的晶粒长大，因此为了获得细小的晶粒，应该 降低加热温度。
[0018]本实施方式能够有效地使D406A钢焊接构件的焊缝区和热影响区晶粒细化，一般的D406A钢焊接构件在焊接后的焊缝区组织为粗大的枝状晶，甚至无法测出其晶粒度，热影响区的晶粒度仅为2~3级，而采用了本发明热处理后，焊缝区和热影响区的晶粒度分别达到了 8级和9级，大幅度地细化了晶粒。晶粒得到细化后，焊接构件的综合力学性能会得到提高，一般的D406A钢焊接构件经过传统的淬火后回火热处理的抗拉强度约为1700Mpa，延伸率在8%以下，而采用了本发明热处理后，焊接构件的抗拉强度基本保持不变，但是延伸率却提高到了 12%，在强度不降低的情况下大幅度地提高了塑性，很好地实现了强韧化的结合，提高了焊接构件的综合力学性能。另外，本发明方法简单，实现成本低，使用效果好。
[0019]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中所述D406A钢焊接构件为细条状。其它与【具体实施方式】一相同。
[0020]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:步骤一中所述油冷淬火中所用的油为20号机油。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0021]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三不同的是:步骤二中所述油冷淬火中所用的油为20号机油。其它与【具体实施方式】一至三相同。
[0022]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤三中所述油冷淬火中所用的油为20号机油。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0023]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤一中所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2.5min。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0024]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:步骤二中所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2.5min。其它与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0025]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是:步骤三中所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为
2.5min。其它与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0026]通过以下实施例验证本发明的有益效果:
[0027]实施例一:采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法是按以下步骤进行:
[0028]一、第一次淬火:对尺寸为IOOmmX IOmmX 3.5mm的细条状D406A钢焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对D406A钢焊接构件的母材区进行水冷散热，待D406A钢焊接构件的焊缝区的温度从室温升至920°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第一次淬火后的焊接构件；所述保温的时间为IOmin ；
[0029]二、第二次淬火:对第一次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第一次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至900°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第二次淬火后的焊接构件；所述保温的时间为IOmin ；
[0030]三、第三次淬火:对第二次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第二次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至880°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到晶粒细化的D406A钢焊接构件；所述保温的时间为lOmin。
[0031]图1为实施例一得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的焊缝区的显微组织照片；图2为实施例一得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的热影响区的显微组织照片；图3为实施例一得到的晶粒细化的D406A钢焊接构件的母材区的显微组织照片；从图中可以看出实施例一中晶粒细化的D406A钢焊接构件的焊缝区的晶粒度为8级，实施例一中晶粒细化的D406A钢焊接构件的热影响区的晶粒度为9级，实施例一中晶粒细化的D406A钢焊接构件的母材区的晶粒度为10级。表1为实施例一中第一次淬火后的焊接构件、第二次淬火后的焊接构件和晶粒细化的D406A钢焊接构件各区域的晶粒尺寸和晶粒度；由表1可以看出，在采用本发明的热处理方法对D406A钢焊接构件进行热处理后，D406A钢焊接构件的焊缝区和热影响区的晶粒度分别达到了 8级和9级，晶粒大幅度的细化。所以本发明能够有效地使焊接构件的焊缝区和热影响区晶粒细化，提高焊接构件的综合力学性能。
[0032]表1实施例一中第一次淬火后的焊接构件、第二次淬火后的焊接构件和晶粒细化的
[0033]D406A钢焊接构件各区域的晶粒尺寸和晶粒度
[0034]
【权利要求】
1.采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法是按以下步骤进行: 一、第一次淬火:对D406A钢焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对D406A钢焊接构件的母材区进行水冷散热，待D406A钢焊接构件的焊缝区的温度从室温升至920°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第一次淬火后的焊接构件；所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min ； 二、第二次淬火:对第一次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第一次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至90(TC后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到第二次淬火后的焊接构件；所述保温的时间根据第一次淬火后的焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min ； 三、第三次淬火:对第二次淬火后的焊接构件的焊缝区进行局部加热，加热的同时对第二次淬火后的焊接构件的母材区进行水冷散热，待第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的温度从室温升至880°C后进行保温，保温结束后停止水冷散热，然后进行油冷淬火至室温，得到晶粒细化的D406A钢焊接构件；所述保温的时间根据第二次淬火后的焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2min~3min。
2.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法银修饰的方法，其特征在于步骤一中所述D406A钢焊接构件为细条状。
3.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于步骤一中所述油冷淬火中所用的油为20号机油。
4.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于步骤二中所述油冷淬火中所用的油为20号机油。
5.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于步骤三中所述油冷淬火中所用的油为20号机油。
6.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于步骤一中所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2.5min。
7.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于步骤二中所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2.5min。
8.根据权利要求1所述的采用空间温度梯度热处理细化D406A钢焊接构件晶粒的方法，其特征在于步骤三中所述保温的时间根据D406A钢焊接构件的焊缝区的最大厚度确定，每毫米厚度的保温时间为2.5min。
【文档编号】C21D9/50GK104004897SQ201410270282
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】孙东立, 王清, 孙越麒, 韩秀丽, 王大群, 古腕力 申请人:哈尔滨工业大学