304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合區(qū)缺陷研究及相分析

王 爽，劉愛民，鄭 燕，王 鵬，張 罡

(1.沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159;2.沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司，遼寧沈陽 110168;3.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110869)

0 引言

爆炸復(fù)合板投入生產(chǎn)60多年以來，工程應(yīng)用越來越廣泛。不銹鋼/碳鋼爆炸復(fù)合板兼?zhèn)涓矊拥哪臀g、耐熱和基層的高強(qiáng)度，與其他材料相比，無論在耗材節(jié)能還是在力學(xué)性能方面都有很大的優(yōu)勢［1－3］。

結(jié)合界面缺陷組織和相結(jié)構(gòu)組成與爆炸復(fù)合板焊接質(zhì)量息息相關(guān);熔化、“島”組織、氣孔和縮松等缺陷組織，在受力加載過程中可萌生裂紋，尤其在爆炸復(fù)合板焊接時(shí)對接頭性能影響極大［4－5］。

文中通過研究分析304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合區(qū)缺陷組織與相結(jié)構(gòu)組成，了解結(jié)合界面失效和相變化產(chǎn)生原因，為實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

304/Q245R復(fù)合板化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1，2所示。

表1 冷軋Q245R和304化學(xué)成分 %

表2 Q245R和304力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過500 mm×500 mm×17 mm基板和550 mm×550 mm×3 mm覆板的爆炸復(fù)合，采用密度為25 kg/m2的2#巖石改性炸藥，間距為8～10 mm，用黃油作為緩沖層，中心起爆。

截取尺寸為20 mm×20 mm×5 mm的試樣，砂紙采用 240#，400#，600#，800#，1000#和 1200#;然后采用PG－2C型拋光機(jī)進(jìn)行拋光，最后浸蝕，因基、覆板材質(zhì)不同，覆層304不銹鋼采用王水浸蝕，配制好的王水溶液需放置24 h后使用，基層Q245R采用4%硝酸酒精溶液浸蝕。為了使試樣表面無污物，在每次水洗后都要用酒精擦拭，然后再用熱風(fēng)吹干。

文中采用德國Axiovert 200 MAT金相顯微鏡觀察及測量結(jié)合區(qū)熔化、“全島”和“半島”組織;采用日本S－3400N掃描電鏡觀察結(jié)合界面的氣孔和縮松組織，對“全島”組織和氣孔進(jìn)行EDS能譜檢測，然后與基體成分進(jìn)行對比分析;采用Rigaku UltimaⅣX射線衍射儀對復(fù)合板基、覆層以及結(jié)合區(qū)進(jìn)行物相檢測，掃描方法為步進(jìn)式，電壓 40 kV，掃描范圍 2θ:15°～115°，線切割截取試樣位置如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)考慮因擇優(yōu)取向問題而產(chǎn)生的影響，在304側(cè)選取4塊試樣，結(jié)合界面選取2塊試樣和Q245R側(cè)選取1塊試樣在同一平面內(nèi)進(jìn)行XRD檢測。

圖1 XRD試樣截取

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 界面熔化組織

熔化組織在光學(xué)顯微鏡下的形貌見圖2。

圖2 結(jié)合區(qū)熔化組織形貌

圖2示出連續(xù)的熔化組織形貌，可以看到一些經(jīng)熔化后凝固的細(xì)晶組織;在熔化組織內(nèi)聚集著氣孔、縮松、夾雜和孔洞等鑄造缺陷，在受力狀態(tài)下會(huì)使結(jié)合區(qū)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低［6］。

熔化層的產(chǎn)生多數(shù)歸因于射流，而形成射流熱量的來源有以下方面:

(1)爆轟、沖擊波和膨脹高壓氣體的作用使復(fù)板與基板高速碰撞，在碰撞點(diǎn)處產(chǎn)生的1～10 GPa高壓使其附近區(qū)域發(fā)生能量的活化、物質(zhì)狀態(tài)的改變，并導(dǎo)致高溫，造成表面金屬熔化、射流金屬和等離子體形成等非常復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化;

(2)當(dāng)復(fù)合板的復(fù)合速度超過聲速時(shí)，在縫內(nèi)的氣體就遇到聲障問題，來不及排出，堵塞在沖擊點(diǎn)之前壓力增大，加之巨大的沖擊壓力作用，氣體被絕熱壓縮，使溫度驟然上升;

(3)高壓碰撞引起的瞬時(shí)、高應(yīng)變速率、高速剪切變形所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變同樣會(huì)聚集很大的熱量［7］。

因此，爆炸焊接能量的輸入對結(jié)合區(qū)熔化組織形成有很大影響，在該工藝下的爆炸復(fù)合板應(yīng)適量減少炸藥量，使得界面熔化現(xiàn)象減少。

2.2 “全島”和“半島”組織

“全島”和“半島”組織，是指在爆炸復(fù)合過程中，含有基材成分的不規(guī)則形狀組織，全部或者部分進(jìn)入到覆材中，所形成的像“島”一樣的組織形貌特征。

“全島”和“半島”組織在光學(xué)顯微鏡下的形貌如圖3所示。

圖3(a)示出爆炸復(fù)合板“全島”組織形貌，圖3(b)示出“全島”組織局部放大形貌，其尺寸為38.3 μm ×15.7 μm。對“全島”組織進(jìn)行能譜分析，成分質(zhì)量比:Fe:96.99%，Cr:2.06%，Ni:0.52%，與復(fù)合板基材接近，但也含有少量覆材元素，這些元素在基材中是沒有的，因此在“全島”組織中發(fā)生了元素的擴(kuò)散，這一論點(diǎn)與文獻(xiàn)［8］中所涉及的相吻合，是爆炸焊接過程所發(fā)生的擴(kuò)散現(xiàn)象所致。這有可能是由于爆炸時(shí)因能量和沖擊波過大的緣故造成的。

圖3(c)示出爆炸復(fù)合板“半島”組織形貌，尺寸為 99.6 μm × 55.4 μm，其組織形貌并不均勻，夾雜一些聚集物，在增大結(jié)合面積有利于結(jié)合強(qiáng)度，但同時(shí)也在結(jié)合處產(chǎn)生缺陷。

“全島”和“半島”組織是基板部分被融入到覆板的特殊形貌，即“多余”的碳鋼組織局部或者全部被卷入到不銹鋼中。其形成原因是在爆炸焊接過程中，射流組織和靠近結(jié)合界面的嚴(yán)重塑性變形金屬(半流體)，隨著爆轟波的傳遞，在爆轟力的作用下，使Q245R側(cè)熔化流體組織“伸入”或者“飄入”到304 不銹鋼組織側(cè)［9－11］。

圖3 “全島”和“半島”組織

2.3 氣孔和縮松組織

氣孔和縮松組織在掃描電鏡下的形貌如圖4所示。

圖4(a)示出爆炸復(fù)合板基層Q245R側(cè)氣孔形貌，其成分質(zhì)量比:Fe:81.93%，Si:0.13%，Cr:6.85%，Ni:1.47%，由于氣孔所在位置為基層側(cè)，其所含F(xiàn)e，Si元素比基體略低，Cr，Ni元素為覆層擴(kuò)散所致。其形成主要原因?yàn)?

(1)由于液態(tài)金屬中含有氣體或結(jié)合面中水分的析出，其冷凝極快，即使含有極少量氣體，也來不及排出;

(2)來自被卷入的高壓氣體，這些氣體在強(qiáng)烈湍流作用下，被封閉在結(jié)晶致密的腔體內(nèi)根本無法排出［7］。

圖4 結(jié)合區(qū)氣孔和縮松組織形貌

圖4(b)示出Q245R側(cè)縮松組織形貌，存在一些尺寸大小不一的空洞物，其結(jié)晶金屬顆粒并不連續(xù)，在爆炸復(fù)合板焊接中稱其為松散顆粒結(jié)晶組織。其形成原因是復(fù)板與基板空隙之中的氣體在爆轟波作用下被卷進(jìn)漩渦，有的分散在結(jié)晶顆粒之間，使凝固的金屬不能連續(xù)生長，形成松散的結(jié)晶狀態(tài)，并有空洞存在［7］。

由圖4可看出，由氣孔和縮松在界面處所存在的不連續(xù)和不均勻組織，不僅會(huì)降低其微觀結(jié)合強(qiáng)度，而且將影響服役過程中耐疲勞和耐腐蝕等性能［12－13］。

2.4 XRD檢測結(jié)果及分析

基覆層和結(jié)合區(qū)XRD檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 基覆層和結(jié)合區(qū)XRD檢測結(jié)果

可以看出，基層物相主要含有α鐵素體，晶面指數(shù)分別為(110)，(200)和(211);結(jié)合區(qū)物相主要含有γ奧氏體(111)，(200)和(311)以及α'馬氏體(110)，(200)和(211);覆層物相主要含有γ 奧氏體(111)，(200)，(220)和(311)以及 α'馬氏體(110)，(200)和(211)?？梢钥闯鼍嬷笖?shù)之間是相互對應(yīng)的，304奧氏體不銹鋼組織是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，經(jīng)冷軋?zhí)幚頃r(shí)，可應(yīng)變誘發(fā)α'馬氏體(體心立方結(jié)構(gòu)，bcc)，隨著變形量的增加α'馬氏體也在增加，但到一定程度時(shí)，馬氏體量不再增加，故可在覆層中發(fā)現(xiàn)α'馬氏體組織存在［14］。

從結(jié)合區(qū)和覆層的α'馬氏體峰值對比可以看出，結(jié)合區(qū)中α'馬氏體的峰值強(qiáng)度增加，其形成原因主要為:

(1)因結(jié)合區(qū)截取試樣含有304不銹鋼，爆炸復(fù)合過程中在結(jié)合界面處存在高溫、高形變速率和快冷等α'馬氏體的產(chǎn)生條件，這點(diǎn)在文獻(xiàn)［7］中也提到，304不休鋼在爆炸復(fù)合過程中會(huì)產(chǎn)生α'馬氏體轉(zhuǎn)變;

(2)基層側(cè)鐵素體組織在大的塑性變形下有α'馬氏體轉(zhuǎn)變。結(jié)合區(qū)γ奧氏體峰值強(qiáng)度降低，一方面是結(jié)合區(qū)中覆層面積小于覆層選材試驗(yàn)面積，故掃描強(qiáng)度變?nèi)?另一方面是有部分γ奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?α'馬氏體［7］。

因此，304/Q245R爆炸復(fù)合過程中存在α'馬氏體的轉(zhuǎn)變過程，故其界面硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能均會(huì)受到影響。

3 結(jié)語

(1)在此工藝下生產(chǎn)的304/Q245R爆炸復(fù)合板中存在熔化、“全島”、“半島”、氣孔和縮松等缺陷組織，它們對結(jié)合區(qū)強(qiáng)度及服役過程中的耐疲勞和耐腐蝕性能有著不良影響，炸藥量應(yīng)適當(dāng)減小;

(2)爆炸復(fù)合過程中，在爆炸轟擊波、高溫和高應(yīng)變率作用下，發(fā)生了α'馬氏體轉(zhuǎn)變，對復(fù)合板的力學(xué)性能有一定影響。

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