爆炸復(fù)合板后漩渦的組織結(jié)構(gòu)及裂紋形成機(jī)理研究

王玉 孫大超 張德儉 李冰

摘要：Monel400/Q345R爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合界面漩渦組織結(jié)構(gòu)的不均勻性研究結(jié)果表明，漩渦內(nèi)部存在裂紋和孔洞，漩渦等軸細(xì)晶、柱狀晶、等軸樹枝晶和胞狀晶不均勻?qū)е缕溆捕群蛷椥阅Ａ坎痪鶆颉?/p>

Abstract： The inhomogeneity of microstructure and variation of hardness and elasticity modulus in the swirl of Monel400/Q345R explosive clad plates bond interface were experimentally investigated. Results show that the back swirl consists of equiaxed fine grains，columnargrains， equiaxed dendrites and cellular grains from edge to the core. The inhomogeneity of the hardness and elasticity modulus of swirl are obviously.

關(guān)鍵詞： 爆炸焊接;漩渦;微觀組織;裂紋;納米硬度;彈性模量

Key words： explosive welding;back swirl;microstructure;crack;nano-indentation hardness;elasticity modulus

中圖分類號：TG441.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0130-02

0? 引言

爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合界面的組織和結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合板材整體性能和服役安全的主要因素，結(jié)合界面的層次、組織、結(jié)構(gòu)、成分，硬度和力學(xué)性能等均得到了較為深入的研究[1]。界面漩渦是一種主要界面缺陷，前期研究集中在其形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)上[2、3]，對結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的研究尚少，本文針對Monel400/Q345R爆炸復(fù)合板，研究其界面后漩渦的組織結(jié)構(gòu)與納米硬度和彈性模量之間的關(guān)系。

1? 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為Monel400/Q345R爆炸復(fù)合板，基板和覆板為Q345R和Monel400厚度分別為12mm和3mm，爆炸焊接后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。沿爆炸方向制備截面試樣的尺寸為15mm×15mm×10mm，采用日立S-3400N掃描電鏡（含EDS附件）和安捷倫G200納米硬度儀對界面后漩渦的形貌、組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及納米硬度和彈性模量進(jìn)行表征和分析。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

爆炸焊接界面典型漩渦形貌如圖1所示，圖1（a）、1（b）、1（c）和1（d）分別為整體形貌、氣孔內(nèi)壁柱狀晶（Ⅰ區(qū)）、漩渦邊緣表層等軸細(xì)晶及隨后向內(nèi)部生長的柱狀樹枝晶（Ⅱ區(qū)）和漩渦心部的等軸樹枝晶及胞狀晶（Ⅲ區(qū)）的放大形貌。表明具有“表層等軸細(xì)晶區(qū)-柱狀樹枝晶-心部粗大等軸樹枝晶和胞狀晶”結(jié)構(gòu)。

漩渦中心及周邊分別存在較大和較小的裂紋（圖1a）;漩渦內(nèi)存在半徑約為15μm孔洞且內(nèi)壁向心生長不同位向柱狀晶（圖1b）;圖1c中的 “Ⅰ”區(qū)由自覆板界面向漩渦內(nèi)生長厚度約為2-4μm的較薄等軸細(xì)晶區(qū)構(gòu)成，為凝固較大過冷度和返熔區(qū)相互制約形成[4];圖2c中的“Ⅱ”區(qū)為在細(xì)晶區(qū)基礎(chǔ)上向漩渦心部生長的平行柱狀樹枝晶，S、P、Ni、Fe和Cu等元素導(dǎo)致生長界面前沿液體中存在較大成分過冷，因此，柱狀晶以樹枝晶方式生長，最終形成方向性較強(qiáng)的柱狀晶結(jié)構(gòu)，生長方向垂直于漩渦邊界，一個柱狀晶中含有幾個一次枝晶軸。圖1d為漩渦心部等軸枝晶及相鄰胞狀晶結(jié)構(gòu)，其原因在于心部的溫度梯度變小，成分過冷度增大;漩渦快速凝固過程中，雜質(zhì)S和P與Fe和Ni形成Ni3P+Ni、Fe3P+Fe及NiS+Ni等低熔點(diǎn)共晶組織形成液態(tài)薄膜無“愈合”作用，導(dǎo)致在相鄰柱狀晶晶界或柱狀晶生長對接界面形成熱裂紋。

圖2為漩渦中A、B和C的微區(qū)EDS分析位置及相應(yīng)的譜圖。A區(qū)的成分和基板的成分相近。譜圖B和C分別表明漩渦邊緣和內(nèi)部均為基板和覆板熔化混合后相近的成分，由富Cu相和富Ni-Fe相的兩相微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成面心立方Cu-Ni-Fe凝固組織，甚至為有序和無序相互轉(zhuǎn)換形成的面心立方三元（Cu，Ni）3Fe相[5]。

圖3為基板、復(fù)板和漩渦中等軸細(xì)晶、柱狀晶和等軸樹枝晶/胞狀晶區(qū)域的納米壓痕硬度和彈性模量圖。

漩渦內(nèi)的等軸細(xì)晶、柱狀晶和等軸樹枝晶/胞狀晶區(qū)域的硬度分別為2.04GPa、1.59GPa和1.29GPa，對應(yīng)的彈性模量分別為189.6GPa，137.5GPa和127.6GPa。說明漩渦的硬度和彈性模量存在對應(yīng)關(guān)系，硬度較大，彈性模量也較大。漩渦結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致硬度和模量的不均勻性。特別在漩渦心部，等軸樹枝晶二次枝晶枝晶間距在0.5μm左右，組織更加疏松，導(dǎo)致硬度和模量最低。

基板中鐵素體和珠光體的硬度分別為2.3GPa、2.92GPa，彈性模量為289.8GPa、296.7GPa，復(fù)板的硬度為2.75GPa，彈性模量為246.9GPa。說明漩渦的硬度和彈性模量較基板和復(fù)板顯著降低。

3? 結(jié)論

漩渦中的氣孔和裂紋，內(nèi)部等軸細(xì)晶-柱狀晶-等軸樹枝晶-胞狀晶構(gòu)成不均勻結(jié)構(gòu);漩渦中存在雙相混合組織甚至三元（Cu，Ni）3Fe相，從而漩渦以其結(jié)構(gòu)和組織的不均勻性導(dǎo)致硬度和模量的不均勻性。

參考文獻(xiàn)：

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