Q345R304爆炸复合板的组织及力学性能

Q345R/304爆炸复合板的组织及力学性能摘要：采用爆炸复合法制备了Q345R/304爆炸复合板，借助光学显微镜、力学性能试验机等设备对爆炸复合板结合区的显微组织、结构及性能进行了研究。结果表明：爆炸复合板结合界面呈波浪形，复合板结合界面到两侧分别一次形成了细晶区、纤维区和扭曲原始晶粒区；复合板仍具有较高的拉伸强度和延伸率，冲击吸收功为68J,从覆层表面到结合界面，不锈钢侧硬度更高，硬度升高得也更剧烈。关键词：爆炸复合板；组织；力学性能中图分类号：TG442MicrostructureandpropertiesofQ345R/304compositeplateAbstract:Inthispaper,themicrostructure,structureandpropertiesofthecompositeplateofexplosivecompositeplatewerestudiedbymeansofopticalmicroscopeandmechanicalpropertytestapparatus,whichwasusedtopreparetheQ345R/304explosivecladplate.Theresultsshowthattheinterfaceofexplosivecompositeboardiswavy,themicrostructureintheregionnexttothebondinginterfaceofthecompositeplateconsistsofthreepart:finegrainedregion,fibrouszoneandDistortedgrainarea;Thecompositeplateisstillofhightensilestrengthandductility,anditsimpactabsorbingenergyis68J,fromthecoatingsurfacetotheinterface,thehardnessofstainlesssteelishigherandrisemoreremarkablethanthebasemetal.Keywords:explosivecompositeplate;microstructure;mechanicalproperty0引言爆炸复合法，就是利用炸药爆炸产生的巨大能量进行焊接的一种焊接方法，爆炸复合板是一种以低成本碳钢为基板、贵重金属为复板的双金属高效节能新型复合材料,不锈钢复合板充分结合了不锈钢和低合金钢的性能，它比高强钢板耐蚀，比高强不锈钢板易加工，比普通不锈钢板高强[1]。并且减少了贵重金属的使用，降低生产成本,现已被广泛应用于石油化工、碱浓缩、海水淡化、核工业、食品、建筑等诸多领域[2]。爆炸产生的高速冲击波会向四周扩散均匀的作用在复层板上，由于复层与基层间的夹角和空隙，复层板会向下以很高的速度和加速度与基层板相碰撞，产生塑性变形。它是利用复板和基板在高压、高速、高温下倾斜撞击,接触面上发生剧烈的物理和化学过程,即冶金过程,实现复合[3]。因此在复合后复合板界面处产生了很严重的加工硬化,并且生成位错网络、微孪晶、孪晶、堆垛层错等组织[4，5]，研究其组织和性能的变化十分有必要。由于爆炸复合板基层和复层材质不同,耐蚀性有差异,且界面呈波状,制备金相试样时同时显示两侧的组织有一定难度。因此,本文以Q345R/304爆炸复合板为研究对象,对复合板结合区的显微组织进行了基金项目：江苏省大型工程装备检测与控制重点建设实验室开放基金(JSKLEDC201206作者简介：王芝玲（1975—），江苏徐州人，高级讲师，硕士，主要研究方向：高强钢及耐热钢的焊接及质量控制。电话：[phone]；E-mail:[e-mail].研究,并对复合板力学性能进行了测试。1试验方法本实验研究的是复层为奥氏体不锈钢304和基层为低合金钢Q345R的复合板，基层为15mm的Q345R钢，复层是3mm的304不锈钢，复合板基层与复层的化学成分见表1.1、1.2。爆炸复合时基板在下,复板在上,复板与基板间隙为8mm，爆炸采用乳化炸药,平铺在复板上,炸药厚度32-328mm,炸药爆速控制在2300-2500m/s,试板尺寸600mm×400mm。表1.1304不锈钢成分mas%CSiMnPSNiCr≤0.07≤1.02.00≤0.035≤0.038.5017.60表1.2Q345R钢的化学成分mas%CSiMnPSVTiNiCrMo0.150.361.470.0210.010.0270.0260.040.010.01分别用不同的腐蚀剂腐蚀了基体和不锈钢复层，并用光学显微镜观察两种试样的显微组织。爆炸复合板焊接接头的力学性能主要通过对拉伸试验、冲击试验和硬度试验，以此来评价复合钢板的力学性能。2试验结果及分析2.1焊接接头微观组织研究图2.1是304不锈钢/Q345R钢复合板的金相组织图。其中，2.1（a）、（b）是304与Q345R的结合界面的低倍金相图。可以看出复合板结合界面呈波状界面图，说明两层金属板是通过爆炸复合的方式结合为复合钢板的。不锈钢向低合金钢侧突出的部分通过射流喷射出去，从而形成了波状结合区。在复合板界面的两侧，原始组织与界面之间分为细晶区、纤维区和扭曲原始晶粒区。通过2.1（b）可以发现，复合板结合界面附近不锈钢304和Q345R的晶粒均为细小、均匀的条状结构，原因可能是覆板高速向基板撞击时，界面两侧一薄层金属在周期性波形成的同时和切应力的作用下，发生强烈的塑性变形，导致晶粒细化。在波谷内部形成了约为45°的平行线，原因是在强大的切应力作用下，不锈钢沿着滑移线发生了滑移，形成了有明显织构形貌的纤维区[6]。在这个区域与原始晶粒之间还有一部分晶粒收到了切应力的作用而发生了扭曲和变形。在界面两侧50um-80um之外，可以看出爆炸复合的影响基本消失，304的奥氏体组织和Q345R的珠光体组织回归正常。2.1（c）是304不锈钢的组织金相，可以看出经过爆炸复合后，不锈钢的组织结构为带有孪晶的奥氏体组织晶界变得模糊，同时在奥氏体基体上还分布着一些铁素体组织，这些铁素体取向大致平行于复合板方向[7,8]。2.1（d）是复合板结合界面的高倍金相图，可以看出结合面上在爆炸复合后有1um的增碳层出现。（a）(b)(c)(d)图2.1304不锈钢/Q345R复合钢板的金相组织2.2拉伸试验拉伸试验在常温下使用万能力学试验机依据相关要求进行。对爆炸复合板采用5mm/min速度进行拉伸。试样拉断后经计算，得出的拉伸试验数据如表2.1所示。复合板拉伸应力应变曲线如图2.2所示。表2.1拉伸试验的试验数据拉伸试验断口宽度㎜断口厚度㎜断后长度㎜断后伸长率%断面收缩率%屈服强度MPa抗拉强度MPa母板10.20013.84010827.0661.92469513拉伸性能是复合板最主要的性能指标,复合钢板的抗拉强度大于(σb1t1,+σb2t2)/(t1,+t2)[7]，此值为510MPa。(σb1和σb2分别为复合基板抗拉强度的下限值,MPa;t1,+t2分别为复合基板的厚度,mm)。304和Q345R的延伸率分别为40％和21％，可见，复合钢板的延伸率介于两者之间。说明，爆炸复合得到的复合板有较好的总体强度和塑性。0510152025303540050000100000150000Force/NDisplacement/mm图2.2爆炸复合板拉伸应力应变曲线2.3冲击试验冲击试验在常温下使用冲击试验机进行。复合板背面和侧面冲击韧性的平均值分别为162J和68J,大于Q345r的两倍，复合板背面进行冲击时并未冲断，并在实际焊接试样上可以看到复合板的不锈钢层和低合金钢层在缺口附近出现了小范围的分离。说明了复合板的抗冲击性能良好，在使用中能满足要求。2.4硬度试验硬度试验在维氏硬度机上进行，图2.3是沿不锈钢复层向基层的一条测试的硬度曲线。不锈钢一侧在3000μm范围内逐渐升高，在界面附近不锈钢一侧500μm左右的范围内的硬度陡然升高，而低合金钢一侧则比较平缓，硬度也相对较低[8]。显微硬度值的分布规律与波状结合界面组织分布相互对应。在结合区界面处的一层厚度很小细晶区硬度值最大，这是因为在紧靠结合界面处的塑性变形最为严重，加工硬最为严重，因而显微硬度值最高，而距离复合界面距离较远的位置的硬度较低[9]。原因主要为：一、爆炸复合是温度急剧升高，快速冷却，因而产生了淬火效应；二、在界面处的高温使得固溶在组织中的合金元素来不及析出，并且组织非常细小[10,11]。另外，不锈钢中有更多的合金元素，以奥氏体为主，加工硬化能力更强，位错和孪晶更容易聚集和生成，所以不锈钢侧硬度升高更剧烈。0200040006000800010000150200250300350400维氏硬度(HV)测试长度(μm)复层不锈钢基层低合金钢结合界面图2.3复层304–Q345R结合界面硬度曲线3结论（1）爆炸复合板结合界面呈波浪形，复合板结合界面到两侧分别一次形成了细晶区、纤维区和扭曲原始晶粒区；（2）复合板仍具有较高的拉伸强度和延伸率，冲击吸收功为68J，具有良好的综合性能；（3）不锈钢向界面的方向硬度逐渐升高，在界面附近不锈钢一侧，硬度陡然升高到最大，在低合金钢一侧硬度升高缓慢。参考文献：[1]陈忱.不锈钢/碳钢复合板的焊接工艺及接头组织性能研究[硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,2012[2]王建明,朱锡,刘润泉.爆炸焊接的应用与发展[J].材料导报.2006,20(1):42-45[3]倪红卫,高娟,唐利民.不锈钢复合板制备技术的发展.特殊钢,2002,23(3):4-6[4]王爽,张罡,王鹏,苑玉玲,张阳.304/Q245r爆炸焊接复合板结合区的组织及力学特性.沈阳理工大学学报,2014,33（6）.[5］韩顺昌．爆炸焊接界面相变与断口组织［M］．北京:国防工业出版社,2011:61-67．[6]郑远谋．爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用M］．长沙:中南大学出版社，2007:511-512．［7］王鹏,张罡,邹克让,等．316L/15CrMor爆炸复合板结合区微观组织研究［J］．压力容器,2011,28(11):14-20．［8］康显桂,郑远谋,康君笃．不锈钢－碳钢爆炸复合板结合区的电子探针研究［J］．广东有色金属学报,1996,6(2):125-132．[9]GB/T6396-1995.复合钢板力学及工艺性能试验方法.1995[10]苏铁建,高书娟,李树奎,王富耻,张朝晖.几种不同硬度和热导率的钢种的绝热剪切带特征[J].材料工程,2004,(7):6-9[11]侯书增,张国赏,魏世忠,段素红.时效处理对QBe2/Q235复合板力学性能影响[J].热加工工艺,2010,39(6):149-150