本發(fā)明屬于材料加工工程領(lǐng)域，涉及一種新的測(cè)試堆焊層金屬與母材金屬間結(jié)合強(qiáng)度的提拉試驗(yàn)方法及其適用的t型提拉試件。

背景技術(shù)：

堆焊技術(shù)是表面工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用非常廣泛。堆焊是指將具有一定使用性能的合金材料借助一定的熱源手段熔覆在母體材料的表面，以賦予母材特殊使用性能或使零件恢復(fù)原有形狀尺寸的工藝方法。因此，堆焊既可用于修復(fù)材料因服役而導(dǎo)致的失效部位，亦可用于強(qiáng)化材料或零件的表面，使材料表面或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、耐輻射等性能，在工藝上有很大的靈活性[單際國，董祖玨，徐濱士.我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及其在基礎(chǔ)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[j].中國表面工程，2002(04):19-22.]。在堆焊技術(shù)的研究及應(yīng)用中特別關(guān)注“表面”與“結(jié)合面”這兩個(gè)核心位置的成分、微觀組織與性能。堆焊技術(shù)的顯著特點(diǎn)是堆焊層與母材具有典型的冶金結(jié)合，堆焊材料和母材相比，在成分、組織、力學(xué)性能、耐磨性和耐蝕性等方面的差異較大。多數(shù)情況下，堆焊合金硬度高，具有較好的耐磨性，但是韌性較差，因此，堆焊層和母材的匹配性差，在外部載荷等條件下，會(huì)導(dǎo)致堆焊層產(chǎn)生裂紋、磨損和剝落等，引起零部件的失效[seong-hunchoo,changkyukim,kwangjuneuh,sunghaklee,jae-youngjung,sanghoahn.correlationofmicrostructurewiththewearresistanceandfracturetoughnessofhardfacingalloysreinforcedwithcomplexcarbides[j].metallurgicalandmaterialstransactionsa,2000,31:3041–3052.]。而采用多層堆焊時(shí)，為了緩解焊接應(yīng)力，保證工作層材料與母材結(jié)合良好，防止出現(xiàn)局部裂紋和剝離，經(jīng)常采用硬度較低、耐磨性較差，但塑性和韌性較好的過渡堆焊層等措施。這時(shí)，堆焊工件存在兩個(gè)界面：①過渡堆焊層與母材的結(jié)合面；②工作堆焊層與過渡堆焊層的結(jié)合面。結(jié)合面的承載能力對(duì)堆焊零部件的服役壽命有很大影響，在相同的載荷下，堆焊層與母材結(jié)合面強(qiáng)度越高、韌性越好，則抵抗裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的能力越強(qiáng)，從而可提高堆焊零部件的使用壽命，顯著減少制造成本。因此，提高堆焊層和母材的結(jié)合性能，對(duì)于延長(zhǎng)使用該堆焊零部件設(shè)備的使用壽命和利用率具有重要意義。采用過渡堆焊層的情況下，相當(dāng)于在堆焊層與母材之間加入一個(gè)緩沖層。過渡堆焊層金屬的成分、微觀組織和性能比工作堆焊層更接近母材，二者的結(jié)合性能較好。此時(shí)，工作堆焊層與過渡堆焊層的結(jié)合面可能成為整個(gè)堆焊零部件的薄弱面。綜上所述，測(cè)試堆焊層金屬與母材金屬間及堆焊層金屬間的結(jié)合強(qiáng)度是堆焊技術(shù)研究與應(yīng)用的重要內(nèi)容。

英國南安普頓大學(xué)等單位的研究人員利用自行設(shè)計(jì)的“push-offtest”試驗(yàn)，測(cè)試了不銹鋼攪拌摩擦堆焊合金與低碳鋼母材之間的結(jié)合強(qiáng)度。如附圖1所示，用專用設(shè)備和304不銹鋼棒材5，(尺寸為φ5×50mm)在低碳鋼母材6(尺寸為80×45×6mm)表面進(jìn)行攪拌摩擦堆焊，得到尺寸為20×5mm、厚度為0.5～3.0mm的不銹鋼摩擦堆焊層7。由于攪拌摩擦堆焊過程中的熱作用，在緊鄰摩擦堆焊層的低碳鋼母材一側(cè)會(huì)出現(xiàn)微觀組織與性能發(fā)生變化的熱影響區(qū)(haz)8，堆焊試樣示意圖見附圖1。堆焊結(jié)束后，用光學(xué)顯微鏡精確測(cè)定剖面上的堆焊合金厚度及寬度。采用電火花線切割機(jī)在整條堆焊合金中段截取其中10mm長(zhǎng)，并在對(duì)應(yīng)堆焊合金中心位置的母材側(cè)加工直徑為4mm的平底盲孔直至堆焊合金底部，制備好測(cè)試試樣。測(cè)定堆焊合金與低碳鋼母材的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，按照附圖2所示，將“push-off”工具9的小直徑端頭插入盲孔中，記下將堆焊合金推落時(shí)的最大壓力值，再測(cè)量外加壓力作用的面積(斷裂面積)，得到不銹鋼堆焊合金與低碳鋼母材的結(jié)合強(qiáng)度。圖2中6為低碳鋼母材，11為摩擦堆焊層，12為支撐座。摩擦堆焊工藝參數(shù)變化會(huì)影響堆焊層與基體的結(jié)合面寬度及結(jié)合效果，也會(huì)影響熱影響區(qū)的組織與性能變化，試驗(yàn)獲得的不銹鋼摩擦堆焊層與低碳鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度典型值為120mpa[i.voutchkov,b.jaworski,v.i.vitanov,g.m.bedford.anintegratedapproachtofrictionsurfacingprocessoptimisation[j].surfaceandcoatingstechnology,2001,141(1):26-33]。

南京航空航天大學(xué)的研究人員發(fā)明了《基于壓力試驗(yàn)裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法及試樣》[zl200710024610.5]。該發(fā)明設(shè)計(jì)的試樣見附圖3，試樣由臺(tái)階狀支撐圈13、錐-柱結(jié)合體14和涂層15組成。測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度的步驟是：①采用與基體相同的材料制造錐-柱結(jié)合體14和臺(tái)階式支撐圈13，將兩者配合后，機(jī)械加工使錐-柱結(jié)合體14的錐體大端端面與臺(tái)階式支撐圈13小臺(tái)階體端面位于同一平面上；②在該平面上制備被測(cè)涂層15，當(dāng)涂層較薄時(shí)，還可在涂層15上涂上膠層16，再在膠層16上粘結(jié)一金屬加強(qiáng)板17；③將試樣直接置于壓力試驗(yàn)裝置上進(jìn)行推壓試驗(yàn)，測(cè)量涂層的結(jié)合強(qiáng)度。該發(fā)明測(cè)試方法具有物理意義簡(jiǎn)單明確，操作簡(jiǎn)便靈活，試驗(yàn)重復(fù)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。按照該方法和試樣進(jìn)行氧乙炔火焰噴焊ni60涂層與45鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，涂層全部隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺(tái)階端面剝離，測(cè)得6個(gè)試樣的平均值為154.4mpa，分散度僅為7.7％。

本發(fā)明申請(qǐng)人的項(xiàng)目組借鑒附圖2的“push-offtest”試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)了適用于電弧堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的推離試驗(yàn)方法，并對(duì)藥芯焊絲堆焊層與鋼母材的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。附圖4為電弧堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的推離試驗(yàn)方法原理圖及推離試樣形狀，附圖4中推離試樣的母材由兩部分組成，即外側(cè)圓環(huán)形母材18和圓柱形內(nèi)塞母材19，兩部分母材高度相同，組合后放在堆焊轉(zhuǎn)臺(tái)上沿兩部分母材的圓周接縫進(jìn)行自動(dòng)堆焊，形成圓環(huán)形堆焊層20，制備出推離試樣。進(jìn)行推離試驗(yàn)時(shí)，把推離試樣放在支撐座12上，外側(cè)圓環(huán)母材18搭在支撐座12的內(nèi)側(cè)臺(tái)階上，上部的推離工具22放在內(nèi)側(cè)圓柱母材19上，整體放入萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行推離試驗(yàn)。調(diào)整萬能試驗(yàn)機(jī)壓頭接觸到推離工具22上表面，根據(jù)堆焊層類型及其與母材的結(jié)合面積選擇最大載荷，設(shè)定加載速度后進(jìn)行推離試驗(yàn)。加載后壓力23通過圓柱母材19傳遞到堆焊層20，使堆焊層20與外側(cè)圓環(huán)母材18的結(jié)合面承受拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過堆焊層20與外側(cè)圓環(huán)母材18之間的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂面一般在結(jié)合面區(qū)域附近。這種推離試樣可以采用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、自保護(hù)藥芯焊絲電弧堆焊等方法制備。分別采用鎢極氬弧堆焊及自保護(hù)藥芯焊絲電弧堆焊方法制備了推離試樣，用這種推離試驗(yàn)法測(cè)試了幾種堆焊層金屬與45鋼母材的結(jié)合性能，獲得了較好的試驗(yàn)結(jié)果[左亞天.擠壓輥修復(fù)用耐磨堆焊合金與45鋼母材的結(jié)合強(qiáng)度研究[d].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.][黃飛，彭武強(qiáng)，趙有恒，任振安.測(cè)試堆焊層與鋼母材結(jié)合性能的推離試驗(yàn)法及其應(yīng)用.2015年全國堆焊再制造技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，主辦單位：中國焊接學(xué)會(huì)堆焊及表面工程專業(yè)委員會(huì)，中國太原，2015年8月：47-53]。

由于附圖4中測(cè)試電弧堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的推離試驗(yàn)方法采用的推離試樣尺寸較大，需要大噸位試驗(yàn)機(jī)，所以本發(fā)明申請(qǐng)人的項(xiàng)目組還提出了一種采用十字交叉試件(見附圖5)的測(cè)試堆焊層間及其與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的新型推離試驗(yàn)方法(見附圖6)[專利申請(qǐng)?zhí)?01610218104.9]。十字交叉推離試樣的上下兩部分均為長(zhǎng)方形，且呈垂直位置，為“十”字形，上下兩部分的結(jié)合面呈長(zhǎng)方形或正方形，見附圖5。需要測(cè)試母材24金屬與堆焊層25金屬的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，將十字交叉試件結(jié)合面設(shè)計(jì)并加工到母材24與堆焊層25的熔合線處；需要測(cè)試多層堆焊的層間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，將結(jié)合面設(shè)計(jì)并加工到特定的層間交界區(qū)域，其具體位置通過金相腐蝕確定。采用新型推離試驗(yàn)方法測(cè)試堆焊層與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的步驟是：(1)在實(shí)際堆焊試板上采用線切割等加工方法制備十字交叉推離試件26，加工時(shí)將十字交叉推離試件26的結(jié)合面設(shè)置在堆焊層25與母材24的熔合線處；(2)使用壓縮試驗(yàn)機(jī)，把十字交叉推離試件26安放到推離座27的相應(yīng)位置；(3)把推離工具28放到推離試件26上部的相應(yīng)位置，推離工具28的兩側(cè)壓腳對(duì)正推離試件26下部的兩側(cè)小平面；(4)按照設(shè)定加壓速度進(jìn)行推離試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力29通過推離工具28作用到十字交叉推離試件26上，推離試樣斷裂后，用最大壓力和結(jié)合面實(shí)際斷裂面積計(jì)算母材與堆焊層的結(jié)合強(qiáng)度。使用這種新型推離試驗(yàn)方法及十字交叉推離試件，測(cè)試過共晶高鉻合金鑄鐵堆焊層及含鈮合金鋼堆焊層與45鋼母材的結(jié)合性能時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度分別為75mpa和237mpa。

英國南安普頓大學(xué)等單位的研究人員設(shè)計(jì)的“push-offtest”試驗(yàn)法，適用于堆焊層與母材金屬結(jié)合面較平整的情況，測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單。但是，對(duì)試件盲孔加工精度要求高，且不適用于結(jié)合面不平整的情況。發(fā)明專利《基于壓力試驗(yàn)裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法及試樣》中的測(cè)試試樣尺寸較大，機(jī)械加工工藝較為復(fù)雜。適用于電弧堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的推離試驗(yàn)法，采用的推離試樣尺寸較大，加工較復(fù)雜，而且不能測(cè)試堆焊層間的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)堆焊材料規(guī)格較大時(shí)堆焊層與母材的結(jié)合面積較大，需要大噸位試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行推離試驗(yàn)。用十字交叉試件測(cè)試堆焊層與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的新型推離試驗(yàn)法，推離試件尺寸較小。但是，加工一個(gè)十字交叉試件需要一塊長(zhǎng)方體堆焊試板，試板的利用率較低。例如，在申請(qǐng)專利201610218104.9的說明書圖6中，推離試件尺寸較小(30×10×8mm)，體積僅為2400mm³。但需要的長(zhǎng)方體堆焊試板尺寸為30×30×20(mm)，體積為18000mm³。堆焊試板利用率不到14％。

試驗(yàn)研究堆焊層金屬與母材金屬的結(jié)合性能時(shí)，不僅要獲得結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)，還需要觀察堆焊層與母材金屬結(jié)合面的斷裂位置，分析斷裂性質(zhì)、斷裂過程和斷裂機(jī)理。上述四種測(cè)試方法都不能對(duì)已經(jīng)斷裂的試樣直接進(jìn)行觀察分析，獲得堆焊層與母材金屬結(jié)合面斷裂位置、斷裂性質(zhì)和斷裂過程等相關(guān)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺欠，提出一種測(cè)試堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合性能的新型試驗(yàn)方法及試件。試件尺寸小，提高堆焊試板利用率，試驗(yàn)后可直接進(jìn)行原位觀察分析斷裂的試樣，獲得堆焊層與母材金屬結(jié)合面斷裂位置、斷裂性質(zhì)和斷裂過程等相關(guān)信息，滿足堆焊材料、母材、堆焊工藝等特定因素對(duì)堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合性能影響規(guī)律的試驗(yàn)研究要求。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖7說明如下：

1、一種測(cè)試堆焊層與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的提拉試驗(yàn)方法，具體步驟如下：

1)采用電弧焊接方法，根據(jù)試驗(yàn)條件要求制備堆焊試板，或從實(shí)際生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)中取樣得到堆焊試板，經(jīng)過機(jī)械加工或切割加工方法制備t型提拉試件坯料；

2)按照試驗(yàn)?zāi)康募庸型提拉試件，見附圖7a。所述t型提拉試件分為上中下三部分，上部為堆焊層金屬30，中間較狹窄部分包括熔合線31，下部為母材金屬32，熔合線31位于上部堆焊層金屬30與下部母材金屬32的結(jié)合面內(nèi)，并特別設(shè)計(jì)在t型提拉試件的狹窄部位；

3)將t型提拉試件1裝配到專用提拉夾具2上(附圖7b)，在提拉夾具上部設(shè)計(jì)并機(jī)械加工出上提端3(參見附圖7c)，用拉伸試驗(yàn)機(jī)上面的夾緊裝置將提拉夾具上提端3對(duì)中夾緊；

4)用拉伸試驗(yàn)機(jī)下面的夾緊裝置將提拉試件下拉端4對(duì)中夾緊，根據(jù)堆焊層與母材金屬類型及塑性，以合適的加載速度(例如每分鐘1-5mm)進(jìn)行提拉試驗(yàn)，至t型提拉試件1沿堆焊層與母材金屬的結(jié)合面斷裂，記錄最大拉力值；

5)用最大拉力值和t型提拉試件的實(shí)際斷裂面積計(jì)算得到的最高強(qiáng)度值為堆焊層與母材金屬的結(jié)合強(qiáng)度；

6)同組t型提拉試件最少為2個(gè)，進(jìn)行提拉試驗(yàn)獲得的堆焊層金屬與母材金屬的結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)采用的誤差要求進(jìn)行判斷，超過誤差要求的要做補(bǔ)充試驗(yàn)。

2、一種用于權(quán)利要求1所述的提拉試驗(yàn)方法的提拉試件，其特征是：

1)所述提拉試件呈“t”字形，分為上中下三部分，上部為堆焊層金屬30，下部為母材金屬32，中間較狹窄部分為堆焊層與母材金屬的結(jié)合面，最狹窄部位包括堆焊層與母材金屬的界面，即熔合線31，見附圖7a；

2)為了測(cè)試堆焊層金屬與母材金屬的結(jié)合性能，需要將t型提拉試件坯料磨平、拋光、腐蝕后觀察，確定熔合線位置并做出標(biāo)記，然后采用機(jī)械加工或切割方法將堆焊層與母材金屬結(jié)合面加工成小尺寸截面，使得結(jié)合面位置為t型提拉試件的最薄弱處，目的是進(jìn)行提拉試驗(yàn)時(shí)，保證t型提拉試件在堆焊層與母材金屬的結(jié)合面位置斷裂。而后，需要進(jìn)行精拋光和腐蝕；

3)堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合面的小尺寸截面形狀為正方形或長(zhǎng)方形，截面尺寸的設(shè)計(jì)原則是，在提拉試驗(yàn)過程中，t型提拉試件的上面橫條堆焊層金屬與下面豎直母材金屬在結(jié)合面區(qū)域變形和斷裂，試件的其它部位不得出現(xiàn)明顯變形；

4)在提拉試驗(yàn)過程中，t型提拉試件1上面橫條部分兩側(cè)的底面分別與提拉夾具2的兩個(gè)支撐端接觸，拉伸試驗(yàn)機(jī)通過夾緊裝置帶動(dòng)提拉夾具2的上提端3，再通過兩個(gè)支撐端和t型提拉試件上面的橫條堆焊層金屬，對(duì)結(jié)合面區(qū)域施加向上提升力(f)，見附圖7b；

5)t型提拉試件下面的豎直部分主要為母材金屬，設(shè)計(jì)并機(jī)械加工成t型提拉試件的下拉端4，提拉試驗(yàn)過程中被拉伸試驗(yàn)機(jī)下方的夾持裝置對(duì)中夾緊，通過母材金屬對(duì)t型提拉試件的結(jié)合面區(qū)域施加向下拉伸力(f)；

6)將滿足提拉試驗(yàn)要求的t型提拉試件進(jìn)行合適的磨平、拋光和腐蝕處理，在提拉試驗(yàn)后，可以直接用顯微鏡觀察t型提拉試件的斷裂位置和斷裂路徑，并對(duì)斷口進(jìn)行觀察記錄，分析研究試驗(yàn)參數(shù)變化對(duì)堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合性能的影響規(guī)律。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出的一種測(cè)試堆焊層與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的提拉試驗(yàn)方法及其適用的t型提拉試件，具有以下有益效果：

1)本發(fā)明提出的測(cè)試方法具有物理意義明確，操作簡(jiǎn)便，不需要復(fù)雜的理論計(jì)算，試驗(yàn)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)；

2)本發(fā)明提出的測(cè)試方法可用于電弧堆焊方法及其它堆焊方法制備的堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試；

3)本發(fā)明提出的測(cè)試方法還可用于電弧堆焊方法及其它堆焊方法制備的多個(gè)堆焊層相鄰層間金屬結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，但需要采用機(jī)械加工或切割方法將堆焊層間結(jié)合面加工成小尺寸截面，使得結(jié)合面區(qū)域?yàn)閠型提拉試件的最薄弱處；

4)本發(fā)明首次提出了用于測(cè)試堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的“t型提拉試件”，這種試件可以取自實(shí)際堆焊工件或試驗(yàn)用堆焊試板，能夠真實(shí)反映生產(chǎn)工況下或不同試驗(yàn)條件下堆焊層金屬與母材金屬的結(jié)合性能指標(biāo)；

5)本發(fā)明提出的t型提拉試件具有容易加工、斷裂位置提前設(shè)置、節(jié)省材料，可以根據(jù)堆焊試板和實(shí)際需要改變推離試樣的尺寸等優(yōu)點(diǎn)。例如，按照附圖8中的t型提拉試件尺寸，可以采用線切割加工方法，將堆焊試板切割出厚度為10mm的長(zhǎng)方體，然后磨平、拋光、腐蝕，確定堆焊層25金屬與母材34金屬結(jié)合面后，再用線切割方法將堆焊層25金屬與母材34金屬含有熔合線31的結(jié)合面區(qū)域加工成小尺寸截面，這保證了提拉試驗(yàn)時(shí)t型提拉試件在堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合面區(qū)域處斷裂。按照每個(gè)提拉試驗(yàn)需要準(zhǔn)備2個(gè)t型提拉試件計(jì)算，在堆焊試板上的切割面積為50×10mm²，以母材和堆焊層總厚度40mm計(jì)算，切割體積為20000mm³；2個(gè)t型提拉試件的體積約為104000mm³，堆焊試板利用率約為52％，遠(yuǎn)高于十字交叉試件的堆焊試板利用率。而且，t型提拉試件的切割加工量也較少。

6)本發(fā)明提出的t型提拉試件斷裂面積小，適合于對(duì)電弧堆焊等方法產(chǎn)生的不平整熔合線進(jìn)行堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合面區(qū)域結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試。例如，采用附圖8中的t型提拉試件尺寸，用線切割方法將堆焊層25金屬與母材34金屬結(jié)合面區(qū)域加工成小尺寸截面的面積為10×4mm²，而且要求這個(gè)截面的長(zhǎng)度方向與堆焊方向相同，寬度4mm處于堆焊焊道熔合線31較平滑的底部，將大尺寸的不平整結(jié)合面變?yōu)檩^平整的小截面；

7)本發(fā)明提出的t型提拉試件受試部位截面面積較小，可以使用噸位較小的拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行提拉試驗(yàn)；

8)t型提拉試件可以取自專門設(shè)計(jì)的堆焊試板，試驗(yàn)研究堆焊材料、母材、堆焊工藝等特定因素對(duì)堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合性能的影響規(guī)律；

9)將滿足提拉試驗(yàn)要求的t型提拉試件進(jìn)行合適的磨平、拋光和腐蝕處理，提拉試驗(yàn)后可以用顯微鏡對(duì)t型提拉試件的斷裂位置和斷裂路徑直接進(jìn)行原位觀察，并對(duì)斷口進(jìn)行觀察記錄，便于研究堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合面區(qū)域變形和斷裂的特點(diǎn)，分析總結(jié)斷裂過程、斷裂性質(zhì)和斷裂機(jī)理，得到冶金因素與工藝因素對(duì)堆焊層金屬與母材金屬結(jié)合性能的影響規(guī)律。

附圖說明

圖1現(xiàn)有的摩擦堆焊試樣示意圖。

圖2現(xiàn)有的“push-offtest”試驗(yàn)原理圖。

圖3現(xiàn)有的高結(jié)合性能涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣。

圖4現(xiàn)有的測(cè)試電弧堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的推離試驗(yàn)法原理圖。

圖5現(xiàn)有的測(cè)試堆焊層間及堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的十字交叉推離試件。

圖6現(xiàn)有的測(cè)試堆焊層間及堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度的推離試驗(yàn)方法。

圖7本發(fā)明提出的測(cè)試堆焊層與母材金屬結(jié)合強(qiáng)度的提拉試驗(yàn)方法及試件示意圖，其中：

圖7at型提拉試樣；

圖7b提拉試驗(yàn)方法原理圖；

圖7c配套夾具示意圖。

圖8具體實(shí)施例中采用的t型提拉試件(標(biāo)注尺寸的試樣立體圖)。

圖9不同高碳鉻鐵添加量藥芯焊絲堆焊后得到的堆焊層金屬與45鋼母材金屬結(jié)合面的微觀組織特征，其中：

圖9a是高碳鉻鐵添加量為200g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層與45鋼母材金屬的結(jié)合面照片；

圖9b是高碳鉻鐵添加量為320g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層與45鋼母材金屬的結(jié)合面照片；

圖9c是高碳鉻鐵添加量為440g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層與45鋼母材金屬的結(jié)合面照片。

圖10不同高碳鉻鐵添加量藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層t型提拉試件的斷裂位置形貌，其中：

圖10a是高碳鉻鐵添加量為200g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的t型提拉試件斷裂位置形貌；

圖10b是高碳鉻鐵添加量為320g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的t型提拉試件斷裂位置形貌；

圖10c是高碳鉻鐵添加量為440g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的t型提拉試件斷裂位置形貌。

圖中：1.t型提拉試件，2.提拉夾具，3.上提端，4.下拉端，5.304不銹鋼棒材，6.低碳鋼母材，7.不銹鋼摩擦堆焊層，8.熱影響區(qū)(haz)，9.“push-off”工具，11.摩擦堆焊層，12.支撐座，13.臺(tái)階式支撐圈，14.錐-柱結(jié)合體，15.被測(cè)涂層，16.膠層，17.金屬加強(qiáng)板，18.外側(cè)圓環(huán)形母材，19.圓柱形內(nèi)塞母材，20.圓環(huán)形堆焊層，22.推離工具，23.加載后壓力，24.母材，25.堆焊層，26.十字交叉推離試件，27.推離座，28.推離工具，29.試驗(yàn)壓力，30.堆焊層金屬，31.熔合線，32.下部母材金屬，34.母材

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：采用45鋼母材，尺寸為200×120×25mm，選擇水泥中速磨常用的市售過共晶高鉻合金鑄鐵型自保護(hù)藥芯焊絲和水泥擠壓輥常用的市售含鈮合金鋼型自保護(hù)藥芯焊絲，規(guī)格均為φ2.8mm。焊接電源為nbc-630型逆變式焊機(jī)，采用直流反接極性，堆焊工藝參數(shù)見表1，共堆焊3層，第一層堆焊5道，第二層和第三層堆焊4道，控制層間溫度在200℃以下，道間及焊后空冷。

表1自保護(hù)藥芯焊絲堆焊工藝參數(shù)

堆焊后先制備t型提拉試件。將上述兩種焊絲堆焊后得到的兩種堆焊試板按照附圖8的t型提拉試件要求，采用線切割方法加工成40×25×10mm的坯料，然后進(jìn)行磨平、拋光和腐蝕處理，用金相顯微鏡觀察試樣確定熔合線位置后，再用線切割方法加工成附圖8的t型提拉試件，并保證小尺寸截面位于堆焊層25金屬與母材34金屬結(jié)合面區(qū)域。線切割后對(duì)t型提拉試件進(jìn)行棱邊倒角，精拋光和腐蝕處理。

用金相顯微鏡觀察每個(gè)t型提拉試件的熔合線25兩側(cè)微觀組織及分布特征。過共晶高鉻合金鑄鐵堆焊層由于含有大量cr和c元素，微觀組織為六邊形及條狀一次碳化物和共晶物混合組織，熔合線附近的堆焊層底部由大量共晶物和少量奧氏體枝晶組成，為亞共晶組織類型。含鈮合金鋼堆焊層中c、cr、nb元素含量較高，微觀組織為馬氏體和殘余奧氏體基體，還有很多彌散分布的碳化鈮(nbc)顆粒，堆焊層與母材的結(jié)合面上有一層針狀馬氏體組織。

將t型提拉試件安裝到專用提拉夾具上，采用mts810materialtestsystem進(jìn)行提拉試驗(yàn)，測(cè)試得到的兩種堆焊層金屬與45鋼母材金屬的結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表2，過共晶高鉻合金鑄鐵堆焊層與45鋼母材的結(jié)合強(qiáng)度較低，而含鈮合金鋼堆焊層與45鋼母材的結(jié)合強(qiáng)度較高。將斷裂后的提拉試件進(jìn)行斷裂位置分析發(fā)現(xiàn)，過共晶高鉻合金鑄鐵堆焊層t型提拉試件在堆焊層底部斷裂，裂紋主要沿共晶物區(qū)域擴(kuò)展，局部穿過奧氏體枝晶。由于共晶物中有很多硬而脆的碳化物，因此結(jié)合強(qiáng)度不高。含鈮合金鋼堆焊層t型提拉試樣斷裂位置大部分在堆焊層底部，部分進(jìn)入母材一側(cè)，其結(jié)合強(qiáng)度明顯高于高鉻合金鑄鐵堆焊層提拉試件。

表2堆焊層與母材金屬的結(jié)合強(qiáng)度

實(shí)施例2：45鋼母材尺寸同實(shí)施例1，選擇水泥磨輥堆焊常用的過渡層用奧氏體鋼自保護(hù)藥芯焊絲和耐磨層用含鈮合金鋼型自保護(hù)藥芯焊絲，規(guī)格均為φ2.8mm，共堆焊6層，第一層至第三層用奧氏體鋼自保護(hù)藥芯焊絲，第一層堆焊8道，第二層堆焊7道，第三層堆焊6道；第四層至第六層用含鈮合金鋼型自保護(hù)藥芯焊絲，第四層堆焊5道，第五層和第六層均堆焊4道，焊后空冷。其它堆焊條件與實(shí)施例1相同。

堆焊后按照實(shí)施例1先制備t型提拉試件，試樣觀察面處于棱邊倒角和腐蝕處理狀態(tài)，但t型提拉試件的小尺寸截面位置選擇在第三層奧氏體過渡層金屬與第四層含鈮合金鋼耐磨層金屬的結(jié)合面位置。用金相顯微鏡觀察每個(gè)t型提拉試件過渡層金屬與耐磨層金屬結(jié)合面兩側(cè)的微觀組織及分布特征。提拉試驗(yàn)采用的設(shè)備同實(shí)施例1，得到奧氏體鋼過渡層與含鈮合金鋼耐磨層的結(jié)合強(qiáng)度平均值為324.2mpa。觀察t型提拉試件發(fā)現(xiàn)，斷裂位置在結(jié)合面附近的含鈮合金鋼耐磨層一側(cè)。

實(shí)施例3：采用45鋼母材，尺寸為200×120×25mm，設(shè)計(jì)藥芯材料中高碳鉻鐵添加量分別為200g，320g，440g的三種自制含鈮合金鋼自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，焊絲規(guī)格均為φ2.8mm。焊接設(shè)備及工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。

堆焊后按照實(shí)施例1準(zhǔn)備好滿足提拉試驗(yàn)要求的t型提拉試件，分別觀察用不同高碳鉻鐵添加量藥芯焊絲堆焊后得到的堆焊層金屬與45鋼母材金屬結(jié)合面的微觀組織特征。附圖9a是高碳鉻鐵添加量為200g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的結(jié)合面照片，堆焊層底部微觀組織為尺寸較大的針狀馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，有少量小顆粒nbc。附圖9b是高碳鉻鐵添加量為320g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的結(jié)合面照片，堆焊層底部微觀組織中針狀馬氏體減少，殘余奧氏體增多，有少量小顆粒nbc，但熔合線上有一薄層馬氏體；附圖9c是高碳鉻鐵添加量為440g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的結(jié)合面照片，堆焊層底部馬氏體消失，出現(xiàn)了較多獨(dú)立奧氏體組織，這是由于較高的高碳鉻鐵添加量使堆焊層c、cr元素含量明顯升高，堆焊層金屬的奧氏體穩(wěn)定性增加，在堆焊自然冷卻條件下，冷卻到室溫仍然沒有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。但是，在熔合線附近區(qū)域，由于45鋼母材的稀釋作用，c、cr元素含量較低，發(fā)生了馬氏體相變，出現(xiàn)了斷續(xù)分布的針狀馬氏體。

將t型提拉試件安裝到專用夾具上，采用mts810materialtestsystem進(jìn)行提拉試驗(yàn)，測(cè)試了用不同高碳鉻鐵添加量藥芯焊絲得到的堆焊層金屬與45鋼母材金屬結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。從提拉試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著藥芯焊絲中高碳鉻鐵添加量的增加，相應(yīng)的含鈮合金鋼堆焊層金屬與45鋼母材金屬的結(jié)合強(qiáng)度隨之增加。

表3不同高碳鉻鐵添加量藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層金屬與母材金屬的結(jié)合強(qiáng)度

使用金相顯微鏡觀察每個(gè)t型提拉試件的斷裂位置并照相分析，結(jié)果如附圖10所示。附圖10a是高碳鉻鐵添加量為200g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的t型提拉試件斷裂位置形貌。斷裂發(fā)生在左側(cè)靠近熔合線的堆焊層底部，然后裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第一層堆焊金屬中，而且斷裂路徑兩側(cè)表面較平整，觀察不到明顯的塑性變形，結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較低，為288.5mpa。結(jié)合圖9a可知，這是由于堆焊層底部為尺寸較大的針狀馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，還有少量小顆粒nbc，塑性韌性較差，施加較低應(yīng)力時(shí)即出現(xiàn)脆性斷裂。

附圖10b是高碳鉻鐵添加量為320g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的t型提拉試件斷裂位置形貌。斷裂發(fā)生在靠近熔合線的堆焊層底部，局部在母材一側(cè)撕裂，斷裂路徑兩側(cè)能觀察到塑性變形。結(jié)合圖9b可知，由于堆焊層底部微觀組織中針狀馬氏體減少，殘余奧氏體增多，提高了堆焊層金屬的塑性和韌性，所以提拉試件的結(jié)合強(qiáng)度有所提高，達(dá)到335.4mpa。

附圖10c是高碳鉻鐵添加量為440g藥芯焊絲對(duì)應(yīng)堆焊層的t型提拉試件斷裂位置形貌。斷裂發(fā)生在堆焊層底部金屬中，且斷裂路徑犬牙交錯(cuò)，兩側(cè)可以觀察到明顯的塑性變形。結(jié)合圖9c可知，由于堆焊層底部出現(xiàn)較多獨(dú)立奧氏體，使得堆焊層底部金屬的塑性和韌性進(jìn)一步提高，結(jié)合強(qiáng)度繼續(xù)上升，高達(dá)468.0mpa。