CN107290217A - 测试堆焊层与母材金属结合强度的提拉试验方法及试件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试堆焊层金属与母材金属结合强度的提拉试验方法及试件。所述试验方法：制备堆焊试板，加工成T型提拉试件；将其磨平、抛光、腐蚀后，将堆焊层与母材金属结合面加工成小尺寸截面；将T型提拉试件放入提拉夹具中，一起安装到拉伸试验机上；夹紧固定后以一定的加载速度进行提拉试验，通过作用力F逐渐增加，直至T型提拉试件沿堆焊层与母材金属的结合面断裂，测试得到的最高强度值为堆焊层与母材金属的结合强度；显微镜观察分析总结试验参数变化对堆焊层与母材金属结合性能的影响规律。本发明可用于堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素对堆焊层与母材结合性能影响规律的试验研究。

Description

测试堆焊层与母材金属结合强度的提拉试验方法及试件

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，涉及一种新的测试堆焊层金属与母材金属间结合强度的提拉试验方法及其适用的T型提拉试件。

背景技术

堆焊技术是表面工程领域的关键技术之一，应用非常广泛。堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强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、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性[单际国，董祖珏，徐滨士.我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现状[J].中国表面工程，2002(04):19-22.]。在堆焊技术的研究及应用中特别关注“表面”与“结合面”这两个核心位置的成分、微观组织与性能。堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊材料和母材相比，在成分、组织、力学性能、耐磨性和耐蚀性等方面的差异较大。多数情况下，堆焊合金硬度高，具有较好的耐磨性，但是韧性较差，因此，堆焊层和母材的匹配性差，在外部载荷等条件下，会导致堆焊层产生裂纹、磨损和剥落等，引起零部件的失效[Seong-Hun Choo,ChangKyu Kim,Kwangjun Euh,Sunghak Lee,Jae-Young Jung,Sangho Ahn.Correlation ofmicrostructure with the wear resistance and fracture toughness of hardfacingalloys reinforced with complex carbides[J].Metallurgical and MaterialsTransactions A,2000,31:3041–3052.]。而采用多层堆焊时，为了缓解焊接应力，保证工作层材料与母材结合良好，防止出现局部裂纹和剥离，经常采用硬度较低、耐磨性较差，但塑性和韧性较好的过渡堆焊层等措施。这时，堆焊工件存在两个界面：①过渡堆焊层与母材的结合面；②工作堆焊层与过渡堆焊层的结合面。结合面的承载能力对堆焊零部件的服役寿命有很大影响，在相同的载荷下，堆焊层与母材结合面强度越高、韧性越好，则抵抗裂纹产生及扩展的能力越强，从而可提高堆焊零部件的使用寿命，显著减少制造成本。因此，提高堆焊层和母材的结合性能，对于延长使用该堆焊零部件设备的使用寿命和利用率具有重要意义。采用过渡堆焊层的情况下，相当于在堆焊层与母材之间加入一个缓冲层。过渡堆焊层金属的成分、微观组织和性能比工作堆焊层更接近母材，二者的结合性能较好。此时，工作堆焊层与过渡堆焊层的结合面可能成为整个堆焊零部件的薄弱面。综上所述，测试堆焊层金属与母材金属间及堆焊层金属间的结合强度是堆焊技术研究与应用的重要内容。

英国南安普顿大学等单位的研究人员利用自行设计的“push-off test”试验，测试了不锈钢搅拌摩擦堆焊合金与低碳钢母材之间的结合强度。如附图1所示，用专用设备和304不锈钢棒材5，(尺寸为Φ5×50mm)在低碳钢母材6(尺寸为80×45×6mm)表面进行搅拌摩擦堆焊，得到尺寸为20×5mm、厚度为0.5～3.0mm的不锈钢摩擦堆焊层7。由于搅拌摩擦堆焊过程中的热作用，在紧邻摩擦堆焊层的低碳钢母材一侧会出现微观组织与性能发生变化的热影响区(HAZ)8，堆焊试样示意图见附图1。堆焊结束后，用光学显微镜精确测定剖面上的堆焊合金厚度及宽度。采用电火花线切割机在整条堆焊合金中段截取其中10mm长，并在对应堆焊合金中心位置的母材侧加工直径为4mm的平底盲孔直至堆焊合金底部，制备好测试试样。测定堆焊合金与低碳钢母材的结合强度时，按照附图2所示，将“push-off”工具9的小直径端头插入盲孔中，记下将堆焊合金推落时的最大压力值，再测量外加压力作用的面积(断裂面积)，得到不锈钢堆焊合金与低碳钢母材的结合强度。图2中6为低碳钢母材，11为摩擦堆焊层，12为支撑座。摩擦堆焊工艺参数变化会影响堆焊层与基体的结合面宽度及结合效果，也会影响热影响区的组织与性能变化，试验获得的不锈钢摩擦堆焊层与低碳钢基体的结合强度典型值为120MPa[I.Voutchkov,B.Jaworski,V.I.Vitanov,G.M.Bedford.Anintegrated approach to friction surfacing process optimisation[J].Surface andCoatings Technology,2001,141(1):26-33]。

南京航空航天大学的研究人员发明了《基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试样》[ZL200710024610.5]。该发明设计的试样见附图3，试样由台阶状支撑圈13、锥-柱结合体14和涂层15组成。测试涂层结合强度的步骤是：①采用与基体相同的材料制造锥-柱结合体14和台阶式支撑圈13，将两者配合后，机械加工使锥-柱结合体14的锥体大端端面与台阶式支撑圈13小台阶体端面位于同一平面上；②在该平面上制备被测涂层15，当涂层较薄时，还可在涂层15上涂上胶层16，再在胶层16上粘结一金属加强板17；③将试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，测量涂层的结合强度。该发明测试方法具有物理意义简单明确，操作简便灵活，试验重复性好等一系列优点。按照该方法和试样进行氧乙炔火焰喷焊Ni60涂层与45钢基体的结合强度试验，涂层全部随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，测得6个试样的平均值为154.4MPa，分散度仅为7.7％。

本发明申请人的项目组借鉴附图2的“push-off test”试验法，设计了适用于电弧堆焊层与母材结合强度的推离试验方法，并对药芯焊丝堆焊层与钢母材的结合强度进行了试验研究。附图4为电弧堆焊层与母材结合强度的推离试验方法原理图及推离试样形状，附图4中推离试样的母材由两部分组成，即外侧圆环形母材18和圆柱形内塞母材19，两部分母材高度相同，组合后放在堆焊转台上沿两部分母材的圆周接缝进行自动堆焊，形成圆环形堆焊层20，制备出推离试样。进行推离试验时，把推离试样放在支撑座12上，外侧圆环母材18搭在支撑座12的内侧台阶上，上部的推离工具22放在内侧圆柱母材19上，整体放入万能试验机进行推离试验。调整万能试验机压头接触到推离工具22上表面，根据堆焊层类型及其与母材的结合面积选择最大载荷，设定加载速度后进行推离试验。加载后压力23通过圆柱母材19传递到堆焊层20，使堆焊层20与外侧圆环母材18的结合面承受拉应力，当拉应力超过堆焊层20与外侧圆环母材18之间的结合强度时发生断裂，断裂面一般在结合面区域附近。这种推离试样可以采用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊、自保护药芯焊丝电弧堆焊等方法制备。分别采用钨极氩弧堆焊及自保护药芯焊丝电弧堆焊方法制备了推离试样，用这种推离试验法测试了几种堆焊层金属与45钢母材的结合性能，获得了较好的试验结果[左亚天.挤压辊修复用耐磨堆焊合金与45钢母材的结合强度研究[D].长春：吉林大学，2013.][黄飞，彭武强，赵有恒，任振安.测试堆焊层与钢母材结合性能的推离试验法及其应用.2015年全国堆焊再制造技术学术会议论文集，主办单位：中国焊接学会堆焊及表面工程专业委员会，中国太原，2015年8月：47-53]。

由于附图4中测试电弧堆焊层与母材结合强度的推离试验方法采用的推离试样尺寸较大，需要大吨位试验机，所以本发明申请人的项目组还提出了一种采用十字交叉试件(见附图5)的测试堆焊层间及其与母材金属结合强度的新型推离试验方法(见附图6)[专利申请号201610218104.9]。十字交叉推离试样的上下两部分均为长方形，且呈垂直位置，为“十”字形，上下两部分的结合面呈长方形或正方形，见附图5。需要测试母材24金属与堆焊层25金属的结合强度时，将十字交叉试件结合面设计并加工到母材24与堆焊层25的熔合线处；需要测试多层堆焊的层间结合强度时，将结合面设计并加工到特定的层间交界区域，其具体位置通过金相腐蚀确定。采用新型推离试验方法测试堆焊层与母材金属结合强度的步骤是：(1)在实际堆焊试板上采用线切割等加工方法制备十字交叉推离试件26，加工时将十字交叉推离试件26的结合面设置在堆焊层25与母材24的熔合线处；(2)使用压缩试验机，把十字交叉推离试件26安放到推离座27的相应位置；(3)把推离工具28放到推离试件26上部的相应位置，推离工具28的两侧压脚对正推离试件26下部的两侧小平面；(4)按照设定加压速度进行推离试验，试验压力29通过推离工具28作用到十字交叉推离试件26上，推离试样断裂后，用最大压力和结合面实际断裂面积计算母材与堆焊层的结合强度。使用这种新型推离试验方法及十字交叉推离试件，测试过共晶高铬合金铸铁堆焊层及含铌合金钢堆焊层与45钢母材的结合性能时，结合强度分别为75MPa和237MPa。

英国南安普顿大学等单位的研究人员设计的“push-off test”试验法，适用于堆焊层与母材金属结合面较平整的情况，测试方法较为简单。但是，对试件盲孔加工精度要求高，且不适用于结合面不平整的情况。发明专利《基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试样》中的测试试样尺寸较大，机械加工工艺较为复杂。适用于电弧堆焊层与母材结合强度的推离试验法，采用的推离试样尺寸较大，加工较复杂，而且不能测试堆焊层间的结合强度。当堆焊材料规格较大时堆焊层与母材的结合面积较大，需要大吨位试验机进行推离试验。用十字交叉试件测试堆焊层与母材金属结合强度的新型推离试验法，推离试件尺寸较小。但是，加工一个十字交叉试件需要一块长方体堆焊试板，试板的利用率较低。例如，在申请专利201610218104.9的说明书图6中，推离试件尺寸较小(30×10×8mm)，体积仅为2400mm³。但需要的长方体堆焊试板尺寸为30×30×20(mm)，体积为18000mm³。堆焊试板利用率不到14％。

试验研究堆焊层金属与母材金属的结合性能时，不仅要获得结合强度数据，还需要观察堆焊层与母材金属结合面的断裂位置，分析断裂性质、断裂过程和断裂机理。上述四种测试方法都不能对已经断裂的试样直接进行观察分析，获得堆焊层与母材金属结合面断裂位置、断裂性质和断裂过程等相关信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺欠，提出一种测试堆焊层金属与母材金属结合性能的新型试验方法及试件。试件尺寸小，提高堆焊试板利用率，试验后可直接进行原位观察分析断裂的试样，获得堆焊层与母材金属结合面断裂位置、断裂性质和断裂过程等相关信息，满足堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素对堆焊层金属与母材金属结合性能影响规律的试验研究要求。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图7说明如下：

1、一种测试堆焊层与母材金属结合强度的提拉试验方法，具体步骤如下：

1)采用电弧焊接方法，根据试验条件要求制备堆焊试板，或从实际生产焊接结构中取样得到堆焊试板，经过机械加工或切割加工方法制备T型提拉试件坯料；

2)按照试验目的加工T型提拉试件，见附图7a。所述T型提拉试件分为上中下三部分，上部为堆焊层金属30，中间较狭窄部分包括熔合线31，下部为母材金属32，熔合线31位于上部堆焊层金属30与下部母材金属32的结合面内，并特别设计在T型提拉试件的狭窄部位；

3)将T型提拉试件1装配到专用提拉夹具2上(附图7b)，在提拉夹具上部设计并机械加工出上提端3(参见附图7c)，用拉伸试验机上面的夹紧装置将提拉夹具上提端3对中夹紧；

4)用拉伸试验机下面的夹紧装置将提拉试件下拉端4对中夹紧，根据堆焊层与母材金属类型及塑性，以合适的加载速度(例如每分钟1-5mm)进行提拉试验，至T型提拉试件1沿堆焊层与母材金属的结合面断裂，记录最大拉力值；

5)用最大拉力值和T型提拉试件的实际断裂面积计算得到的最高强度值为堆焊层与母材金属的结合强度；

6)同组T型提拉试件最少为2个，进行提拉试验获得的堆焊层金属与母材金属的结合强度数据，根据采用的误差要求进行判断，超过误差要求的要做补充试验。

2、一种用于权利要求1所述的提拉试验方法的提拉试件，其特征是：

1)所述提拉试件呈“T”字形，分为上中下三部分，上部为堆焊层金属30，下部为母材金属32，中间较狭窄部分为堆焊层与母材金属的结合面，最狭窄部位包括堆焊层与母材金属的界面，即熔合线31，见附图7a；

2)为了测试堆焊层金属与母材金属的结合性能，需要将T型提拉试件坯料磨平、抛光、腐蚀后观察，确定熔合线位置并做出标记，然后采用机械加工或切割方法将堆焊层与母材金属结合面加工成小尺寸截面，使得结合面位置为T型提拉试件的最薄弱处，目的是进行提拉试验时，保证T型提拉试件在堆焊层与母材金属的结合面位置断裂。而后，需要进行精抛光和腐蚀；

3)堆焊层金属与母材金属结合面的小尺寸截面形状为正方形或长方形，截面尺寸的设计原则是，在提拉试验过程中，T型提拉试件的上面横条堆焊层金属与下面竖直母材金属在结合面区域变形和断裂，试件的其它部位不得出现明显变形；

4)在提拉试验过程中，T型提拉试件1上面横条部分两侧的底面分别与提拉夹具2的两个支撑端接触，拉伸试验机通过夹紧装置带动提拉夹具2的上提端3，再通过两个支撑端和T型提拉试件上面的横条堆焊层金属，对结合面区域施加向上提升力(F)，见附图7b；

5)T型提拉试件下面的竖直部分主要为母材金属，设计并机械加工成T型提拉试件的下拉端4，提拉试验过程中被拉伸试验机下方的夹持装置对中夹紧，通过母材金属对T型提拉试件的结合面区域施加向下拉伸力(F)；

6)将满足提拉试验要求的T型提拉试件进行合适的磨平、抛光和腐蚀处理，在提拉试验后，可以直接用显微镜观察T型提拉试件的断裂位置和断裂路径，并对断口进行观察记录，分析研究试验参数变化对堆焊层金属与母材金属结合性能的影响规律。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种测试堆焊层与母材金属结合强度的提拉试验方法及其适用的T型提拉试件，具有以下有益效果：

1)本发明提出的测试方法具有物理意义明确，操作简便，不需要复杂的理论计算，试验重复性好等优点；

2)本发明提出的测试方法可用于电弧堆焊方法及其它堆焊方法制备的堆焊层金属与母材金属结合强度的测试；

3)本发明提出的测试方法还可用于电弧堆焊方法及其它堆焊方法制备的多个堆焊层相邻层间金属结合强度的测试，但需要采用机械加工或切割方法将堆焊层间结合面加工成小尺寸截面，使得结合面区域为T型提拉试件的最薄弱处；

4)本发明首次提出了用于测试堆焊层金属与母材金属结合强度的“T型提拉试件”，这种试件可以取自实际堆焊工件或试验用堆焊试板，能够真实反映生产工况下或不同试验条件下堆焊层金属与母材金属的结合性能指标；

5)本发明提出的T型提拉试件具有容易加工、断裂位置提前设置、节省材料，可以根据堆焊试板和实际需要改变推离试样的尺寸等优点。例如，按照附图8中的T型提拉试件尺寸，可以采用线切割加工方法，将堆焊试板切割出厚度为10mm的长方体，然后磨平、抛光、腐蚀，确定堆焊层25金属与母材34金属结合面后，再用线切割方法将堆焊层25金属与母材34金属含有熔合线31的结合面区域加工成小尺寸截面，这保证了提拉试验时T型提拉试件在堆焊层金属与母材金属结合面区域处断裂。按照每个提拉试验需要准备2个T型提拉试件计算，在堆焊试板上的切割面积为50×10mm²，以母材和堆焊层总厚度40mm计算，切割体积为20000mm³；2个T型提拉试件的体积约为104000mm³，堆焊试板利用率约为52％，远高于十字交叉试件的堆焊试板利用率。而且，T型提拉试件的切割加工量也较少。

6)本发明提出的T型提拉试件断裂面积小，适合于对电弧堆焊等方法产生的不平整熔合线进行堆焊层金属与母材金属结合面区域结合强度测试。例如，采用附图8中的T型提拉试件尺寸，用线切割方法将堆焊层25金属与母材34金属结合面区域加工成小尺寸截面的面积为10×4mm²，而且要求这个截面的长度方向与堆焊方向相同，宽度4mm处于堆焊焊道熔合线31较平滑的底部，将大尺寸的不平整结合面变为较平整的小截面；

7)本发明提出的T型提拉试件受试部位截面面积较小，可以使用吨位较小的拉伸试验机进行提拉试验；

8)T型提拉试件可以取自专门设计的堆焊试板，试验研究堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素对堆焊层金属与母材金属结合性能的影响规律；

9)将满足提拉试验要求的T型提拉试件进行合适的磨平、抛光和腐蚀处理，提拉试验后可以用显微镜对T型提拉试件的断裂位置和断裂路径直接进行原位观察，并对断口进行观察记录，便于研究堆焊层金属与母材金属结合面区域变形和断裂的特点，分析总结断裂过程、断裂性质和断裂机理，得到冶金因素与工艺因素对堆焊层金属与母材金属结合性能的影响规律。

附图说明

图1现有的摩擦堆焊试样示意图。

图2现有的“push-off test”试验原理图。

图3现有的高结合性能涂层与基体材料的结合强度测试试样。

图4现有的测试电弧堆焊层与母材结合强度的推离试验法原理图。

图5现有的测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的十字交叉推离试件。

图6现有的测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法。

图7本发明提出的测试堆焊层与母材金属结合强度的提拉试验方法及试件示意图，其中：

图7a T型提拉试样；

图7b提拉试验方法原理图；

图7c配套夹具示意图。

图8具体实施例中采用的T型提拉试件(标注尺寸的试样立体图)。

图9不同高碳铬铁添加量药芯焊丝堆焊后得到的堆焊层金属与45钢母材金属结合面的微观组织特征，其中：

图9a是高碳铬铁添加量为200g药芯焊丝对应堆焊层与45钢母材金属的结合面照片；

图9b是高碳铬铁添加量为320g药芯焊丝对应堆焊层与45钢母材金属的结合面照片；

图9c是高碳铬铁添加量为440g药芯焊丝对应堆焊层与45钢母材金属的结合面照片。

图10不同高碳铬铁添加量药芯焊丝对应堆焊层T型提拉试件的断裂位置形貌，其中：

图10a是高碳铬铁添加量为200g药芯焊丝对应堆焊层的T型提拉试件断裂位置形貌；

图10b是高碳铬铁添加量为320g药芯焊丝对应堆焊层的T型提拉试件断裂位置形貌；

图10c是高碳铬铁添加量为440g药芯焊丝对应堆焊层的T型提拉试件断裂位置形貌。

图中：1.T型提拉试件，2.提拉夹具，3.上提端，4.下拉端，5.304不锈钢棒材，6.低碳钢母材，7.不锈钢摩擦堆焊层，8.热影响区(HAZ)，9.“push-off”工具，11.摩擦堆焊层，12.支撑座，13.台阶式支撑圈，14.锥-柱结合体，15.被测涂层，16.胶层，17.金属加强板，18.外侧圆环形母材，19.圆柱形内塞母材，20.圆环形堆焊层，22.推离工具，23.加载后压力，24.母材，25.堆焊层，26.十字交叉推离试件，27.推离座，28.推离工具，29.试验压力，30.堆焊层金属，31.熔合线，32.下部母材金属，34.母材

具体实施方式

实施例1：采用45钢母材，尺寸为200×120×25mm，选择水泥中速磨常用的市售过共晶高铬合金铸铁型自保护药芯焊丝和水泥挤压辊常用的市售含铌合金钢型自保护药芯焊丝，规格均为Φ2.8mm。焊接电源为NBC-630型逆变式焊机，采用直流反接极性，堆焊工艺参数见表1，共堆焊3层，第一层堆焊5道，第二层和第三层堆焊4道，控制层间温度在200℃以下，道间及焊后空冷。

表1自保护药芯焊丝堆焊工艺参数

堆焊后先制备T型提拉试件。将上述两种焊丝堆焊后得到的两种堆焊试板按照附图8的T型提拉试件要求，采用线切割方法加工成40×25×10mm的坯料，然后进行磨平、抛光和腐蚀处理，用金相显微镜观察试样确定熔合线位置后，再用线切割方法加工成附图8的T型提拉试件，并保证小尺寸截面位于堆焊层25金属与母材34金属结合面区域。线切割后对T型提拉试件进行棱边倒角，精抛光和腐蚀处理。

用金相显微镜观察每个T型提拉试件的熔合线25两侧微观组织及分布特征。过共晶高铬合金铸铁堆焊层由于含有大量Cr和C元素，微观组织为六边形及条状一次碳化物和共晶物混合组织，熔合线附近的堆焊层底部由大量共晶物和少量奥氏体枝晶组成，为亚共晶组织类型。含铌合金钢堆焊层中C、Cr、Nb元素含量较高，微观组织为马氏体和残余奥氏体基体，还有很多弥散分布的碳化铌(NbC)颗粒，堆焊层与母材的结合面上有一层针状马氏体组织。

将T型提拉试件安装到专用提拉夹具上，采用MTS 810Material test system进行提拉试验，测试得到的两种堆焊层金属与45钢母材金属的结合强度数据见表2，过共晶高铬合金铸铁堆焊层与45钢母材的结合强度较低，而含铌合金钢堆焊层与45钢母材的结合强度较高。将断裂后的提拉试件进行断裂位置分析发现，过共晶高铬合金铸铁堆焊层T型提拉试件在堆焊层底部断裂，裂纹主要沿共晶物区域扩展，局部穿过奥氏体枝晶。由于共晶物中有很多硬而脆的碳化物，因此结合强度不高。含铌合金钢堆焊层T型提拉试样断裂位置大部分在堆焊层底部，部分进入母材一侧，其结合强度明显高于高铬合金铸铁堆焊层提拉试件。

表2堆焊层与母材金属的结合强度

实施例2：45钢母材尺寸同实施例1，选择水泥磨辊堆焊常用的过渡层用奥氏体钢自保护药芯焊丝和耐磨层用含铌合金钢型自保护药芯焊丝，规格均为Φ2.8mm，共堆焊6层，第一层至第三层用奥氏体钢自保护药芯焊丝，第一层堆焊8道，第二层堆焊7道，第三层堆焊6道；第四层至第六层用含铌合金钢型自保护药芯焊丝，第四层堆焊5道，第五层和第六层均堆焊4道，焊后空冷。其它堆焊条件与实施例1相同。

堆焊后按照实施例1先制备T型提拉试件，试样观察面处于棱边倒角和腐蚀处理状态，但T型提拉试件的小尺寸截面位置选择在第三层奥氏体过渡层金属与第四层含铌合金钢耐磨层金属的结合面位置。用金相显微镜观察每个T型提拉试件过渡层金属与耐磨层金属结合面两侧的微观组织及分布特征。提拉试验采用的设备同实施例1，得到奥氏体钢过渡层与含铌合金钢耐磨层的结合强度平均值为324.2MPa。观察T型提拉试件发现，断裂位置在结合面附近的含铌合金钢耐磨层一侧。

实施例3：采用45钢母材，尺寸为200×120×25mm，设计药芯材料中高碳铬铁添加量分别为200g，320g，440g的三种自制含铌合金钢自保护药芯焊丝进行堆焊试验，焊丝规格均为Φ2.8mm。焊接设备及工艺参数与实施例1相同。

堆焊后按照实施例1准备好满足提拉试验要求的T型提拉试件，分别观察用不同高碳铬铁添加量药芯焊丝堆焊后得到的堆焊层金属与45钢母材金属结合面的微观组织特征。附图9a是高碳铬铁添加量为200g药芯焊丝对应堆焊层的结合面照片，堆焊层底部微观组织为尺寸较大的针状马氏体和残余奥氏体的混合组织，有少量小颗粒NbC。附图9b是高碳铬铁添加量为320g药芯焊丝对应堆焊层的结合面照片，堆焊层底部微观组织中针状马氏体减少，残余奥氏体增多，有少量小颗粒NbC，但熔合线上有一薄层马氏体；附图9c是高碳铬铁添加量为440g药芯焊丝对应堆焊层的结合面照片，堆焊层底部马氏体消失，出现了较多独立奥氏体组织，这是由于较高的高碳铬铁添加量使堆焊层C、Cr元素含量明显升高，堆焊层金属的奥氏体稳定性增加，在堆焊自然冷却条件下，冷却到室温仍然没有发生马氏体转变。但是，在熔合线附近区域，由于45钢母材的稀释作用，C、Cr元素含量较低，发生了马氏体相变，出现了断续分布的针状马氏体。

将T型提拉试件安装到专用夹具上，采用MTS 810Material test system进行提拉试验，测试了用不同高碳铬铁添加量药芯焊丝得到的堆焊层金属与45钢母材金属结合面的结合强度，试验数据见表3。从提拉试验结果可知，随着药芯焊丝中高碳铬铁添加量的增加，相应的含铌合金钢堆焊层金属与45钢母材金属的结合强度随之增加。

表3不同高碳铬铁添加量药芯焊丝对应堆焊层金属与母材金属的结合强度

使用金相显微镜观察每个T型提拉试件的断裂位置并照相分析，结果如附图10所示。附图10a是高碳铬铁添加量为200g药芯焊丝对应堆焊层的T型提拉试件断裂位置形貌。断裂发生在左侧靠近熔合线的堆焊层底部，然后裂纹扩展进入第一层堆焊金属中，而且断裂路径两侧表面较平整，观察不到明显的塑性变形，结合强度相对较低，为288.5MPa。结合图9a可知，这是由于堆焊层底部为尺寸较大的针状马氏体和残余奥氏体的混合组织，还有少量小颗粒NbC，塑性韧性较差，施加较低应力时即出现脆性断裂。

附图10b是高碳铬铁添加量为320g药芯焊丝对应堆焊层的T型提拉试件断裂位置形貌。断裂发生在靠近熔合线的堆焊层底部，局部在母材一侧撕裂，断裂路径两侧能观察到塑性变形。结合图9b可知，由于堆焊层底部微观组织中针状马氏体减少，残余奥氏体增多，提高了堆焊层金属的塑性和韧性，所以提拉试件的结合强度有所提高，达到335.4MPa。

附图10c是高碳铬铁添加量为440g药芯焊丝对应堆焊层的T型提拉试件断裂位置形貌。断裂发生在堆焊层底部金属中，且断裂路径犬牙交错，两侧可以观察到明显的塑性变形。结合图9c可知，由于堆焊层底部出现较多独立奥氏体，使得堆焊层底部金属的塑性和韧性进一步提高，结合强度继续上升，高达468.0MPa。

Claims (2)

1.一种测试堆焊层与母材金属结合强度的提拉试验方法，具体步骤是：

1)采用电弧焊接方法，根据试验条件要求制备堆焊试板，或从实际生产焊接结构中取样得到堆焊试板，经过机械加工或切割加工方法制备T型提拉试件坯料；

2)按照试验目的加工T型提拉试件；

3)将T型提拉试件装配到专用提拉夹具上，在提拉夹具上部设计并机械加工出上提端，用拉伸试验机上面的夹紧装置将提拉夹具上提端对中夹紧；

4)用拉伸试验机下面的夹紧装置将提拉试件下拉端对中夹紧，根据堆焊层与母材金属类型及塑性，以合适的加载速度每分钟1-5mm进行提拉试验，至T型提拉试件沿堆焊层与母材金属的结合面断裂；

5)测试得到的最高强度值为堆焊层与母材金属的结合强度；

6)同组T型提拉试件最少为2个，进行提拉试验获得的堆焊层金属与母材金属的结合强度数据，根据采用的误差要求进行判断，超过误差要求的要做补充试验；

7)提拉试验后，可以用显微镜对断裂的T型提拉试件进行原位观察，确定断裂位置和断裂路径，并对断口进行观察记录，分析总结试验参数变化对堆焊层与母材金属结合性能的影响规律。

2.一种用于权利要求1所述的提拉试验方法的提拉试件，其特征是：

1)所述提拉试件呈“T”字形，分为上下两部分，上部分为堆焊层金属，下部分为母材金属，中间的竖直部分为堆焊层底部金属，高度约2-5mm，堆焊层金属与母材金属的结合面为熔合线；

2)为了测试堆焊层金属与母材金属的结合性能，需要将T型提拉试件坯料磨平、抛光、腐蚀后观察，确定熔合线位置并做出标记，然后采用机械加工或切割方法将堆焊层与母材金属结合面加工成小尺寸截面，使得结合面位置为T型提拉试件的最薄弱处，目的是进行提拉试验时，保证T型提拉试件在堆焊层与母材金属的结合面位置断裂；

3)堆焊层金属与母材金属结合面的小尺寸截面形状为正方形或长方形，截面尺寸的设计原则是，在提拉试验过程中，T型提拉试件的上面横条堆焊层金属与下面竖直母材金属在结合面区域变形和断裂，试件的其它部位不得出现明显变形；

4)在提拉试验过程中，T型提拉试件上面横条部分两侧的底面分别与提拉夹具两个支撑端接触，拉伸试验机通过夹紧装置带动提拉夹具的上提端，再通过两个支撑端和T型提拉试件上面的横条堆焊层金属，对结合面区域施加向上提升力；

5)T型提拉试件下面的竖直部分主要为母材金属，设计并机械加工成T型提拉试件的下拉端，提拉试验过程中被拉伸试验机下方的夹持装置对中夹紧，通过母材金属对T型提拉试件的结合面区域施加向下拉伸力；

6)将满足要求的T型提拉试件在提拉试验前进行合适的磨平、抛光和腐蚀处理，在提拉试验后，可以用显微镜原位观察T型提拉试件的断裂位置和断裂路径，并对断口进行观察记录，有利于分析研究试验参数变化对堆焊层金属与母材金属结合性能的影响规律。