钛钢复合板界面硬度、剪切强度与退火热处理制度关系

朱 磊，李平仓，魏 永，庞国庆

(1.西安天力金属复合材料有限公司，西安 710201;2.陕西省层状金属复合材料工程研究中心，西安 710201)



钛钢复合板界面硬度、剪切强度与退火热处理制度关系

朱 磊1,2，李平仓1,2，魏 永1，庞国庆1

(1.西安天力金属复合材料有限公司，西安 710201;2.陕西省层状金属复合材料工程研究中心，西安 710201)

爆炸焊接生产的金属复合板界面硬度偏高往往给后续加工、使用带来不利影响，针对此问题，通过在复合板等长的圆周位置分别进行取样试验，对不同退火热处理制度下钛钢复合板的界面显微硬度、剪切强度及其变化规律做了分析，发现随热处理温度的升高,钛钢界面硬度和剪切强度均呈现降低趋势，根据相关标准和试验数据，钛钢复合板退火热处理温度宜选择在540～580℃之间，既可有效降低硬度，又能保证复合板强度满足使用要求。

爆炸焊接;钛钢复合板;退火热处理;硬度;剪切强度

由于加工方法的特殊性，爆炸焊接法生产的金属复合材料结合界面处及附近会发生较为剧烈的塑性变形，这种塑性变形除了形成周期性的波纹外，还会造成该区域硬化。这对材料后续的加工、使用带来诸多不便，尤其是对作为管板使用的复合板，后续钻孔的过程中钻孔困难、效率降低，增加了钻头消耗量，提高了生产成本，降低了产品竞争力。在生产中，一般通过退火热处理降低复合板硬度。不同的退火热处理制度对于降低硬度所起到的效果也不一样。在一定温度范围内，一般退火热处理温度越高，硬度下降效果越明显。但同时，退火热处理温度越高，复合板的结合强度下降幅度也越大。因此，在制定退火热处理制度时，不仅要有效降低硬度，便于后续加工，还需考虑复合板的剪切强度，保证结合强度满足标准要求(≥140MPa，GB/T8547-2006)。本文研究了不同退火热处理制度下钛钢复合板硬度以及结合强度的变化情况，并通过分析找到了最佳退火热处理制度工艺范围，取得了较好的效果。

1 试验材料与方法

1.1 材料选取

试验用钛板牌号为ASME SB265 Gr.1，钢板牌号为ASME SA-516 Gr.70，试板尺寸见表1，显微硬度见表2，符合标准要求。

表1 试验板投料尺寸

表2 原材料显微硬度

1.2 试验方法

爆炸焊接生产中常用的基、复板安装方式有角度法和平行法，本试验采用平行式，以长边中心作为炸药引爆点，爆炸复合装置见图1。试验用炸药采用某型号爆炸焊接专用炸药，爆速为1 800～2 500 m/s。爆炸复合完成后，UT显示除雷管区外100%结合。

采用火焰切割方式，将试板平均切为5条试块，每块试块规格为5/36 mm×100 mm×1 200 mm。为保证一致性，本试验中所有试样均在距起爆点等长的圆周位置进行取样；试样编号和对应热处理状态见表3，每个编号对应位置分别取一个金相试样和一个剪切试样，取样位置和对应编号如图2所示。

图1 爆炸复合装置示意图

图2 复合板取样示意图及取样编号

试样状态爆炸态500℃/3h540℃/3h580℃/3h620℃/3h试样编号1-1,1-22-1,2-23-1,3-24-1,4-25-1,5-2#

注1：加热方式为厢式电炉加热，随炉升温，冷却至200℃以下出炉空冷。

为保证温度准确，退火热处理时在试样上安装热电偶监控温度(图3)。试块退火热处理完成后，采用锯切方式进行取样，将热影响区完全去除后再机加工试样。

图3 温度监控装置示意图

2 试验结果与分析

表4为复合板在不同状态下的显微硬度值。为便于分析，将同种状态下的两组试样在界面、基体、以及距离界面分别为50、120、200、300 μm等位置处测得的显微硬度值进行平均，并绘制硬度变化趋势图，如图4(a～e)所示。硬度数据和分布图显示，爆炸态时复合板的钢、钛侧界面硬度都处于极高值，比各自基体硬度分别高出43%和21%，距界面50、120、200、300 μm处硬度值随距离增加呈递减趋势，但仍远高于基体。500℃退火热处理状态下，钢侧硬度较爆炸态变化不明显，钛侧界面硬度较爆炸态下降24%，在距界面20、120、200、300 μm处硬度值已下将至已接近母材基体。当温度升高至540℃时，钢侧硬度开始明显下降，且界面处与距离50、120、200、300 μm处硬度值较为接近，说明在该温度下钢侧由于爆炸碰撞产生的硬化得到有效改善，但仍高于母材基体硬度约50HV，钛侧界面硬度继续下降，同50、120、200、300 μm处硬度值已无明显差异，与母材基体硬度相当。退火热处理温度进一步提高至580 ℃，钢侧硬度较540 ℃退火处理状态下降约11%，界面处与300 μm范围内硬度值差别不大，而在该退火工艺下钛侧从界面到母材硬度值已无明显梯度，均处于较低的范围。当退火温度达620 ℃时，无论钢侧还是钛侧，从界面到母材硬度值无明显差异，均与各自母材基体相当。

上述分析结果表明： 退火热处理温度达到540 ℃时，钢和钛的硬度均得到明显改善，达到620 ℃时，钢和钛二者硬度已与各自母材基体无区别。

不同退火热处理工艺条件下，复合板剪切试验的结果如表5所示。从表5中可以看出，试板在同一退火热处理制度下，剪切强度相近，如2-1和2-2， 4-1和4-2。

表4 不同状态显微硬度值

图4 不同状态下显微硬度

试样状态/编号爆炸态1-11-2500℃退火1-11-2540℃退火1-11-2580℃退火1-11-2620℃退火1-11-2剪切强度/MPa290325245235235220215210198205剪切强度均值/MPa308240228208202

图5为试板不同状态下剪切强度分布图，图5中sample1为1-1,2-1,3-1,4-1,5-1五个试样的剪切强度，sample2为1-2，2-2，3-2,4-2,5-2五个试样的剪切强度。从图中可以看出，随着退火温度的升高，复合板剪切强度呈现下降趋势。爆炸态试样剪切强度平均值为308 MPa，退火加热温度为500 ℃时，试板的剪切强度平均值为240 MPa，比爆炸态下降22%；当退火加热温度为540 ℃时，试板的剪切强度平均值为228 MPa，比爆炸态降低26%；当退火加热温度为580 ℃时，试板的剪切强度平均值为208 MPa，比爆炸态降低32%；当退火加热温度为620 ℃时，试板的剪切强度平均值为202 MPa，比爆炸态复合板的剪切强度降低34%。数据表明退火热处理工序对剪切强度有显著的削弱作用。

图5 不同状态剪切强度变化趋势

3 结论

综上所述，随着退火热处理温度的升高，界面显微硬度和剪切强度均呈逐渐下降趋势；钛钢复合板退火热处理温度在540 ℃以上时，界面硬度才会出现明显改善，但钢侧界面硬度仍高于基体。如果对钢侧界面硬度有更严格的要求，可选择退火热处理温度为580 ℃的工艺，但会引起剪切强度较大的损失，较爆炸态下降30%以上。具体操作时应根据复合材料的使用环境和后续加工要求，在540～580 ℃之间选择合适的退火热处理温度。

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(责任编辑 杨继森)

Relationship Between Interface Hardness, Shear Strength and Temper Heat Treatment Temperature
of Titanium Steel Composite

ZHU Lei1,2， LI Pingcang1,2， WEI Yong1， PANG Guoqing1

(1.Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co., Ltd.，Xi’an 710201，China；2.National Joint Engineering Research Center，Xi’an 710201，China)

If the interfacial microhardness of the metal produced by explosive welding is too high，it will cause adverse effects on subsequent processing and using. For this problem, by performing sampling tests on the clad plate, the interfacial micro-hardness and shear strength of Ti-steel clad plate under different temper heat treatment systems were analyzed, and it was found that the interfacial hardness and shear strength of titanium steel showed a decreasing trend with the increase of heat treatment temperature. According to the relevant standards and the experimental data of this paper, Ti-steel clad plate temper heat treatment temperature should be selected between 540～580 ℃, which can effectively reduce the hardness and ensure the strength of the clad plate to meet the requirements.

explosive welding；Ti-steel clad plate； temper heat treatment；hardness；shear strength

10.11809/scbgxb2017.07.032

2017-03-25；

2017-04-20

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA03A501)

朱磊(1984—)，男，工程师，主要从事层状金属复合材料研究。

format:ZHU Lei，LI Pingcang，WEI Yong,et al.Relationship Between Interface Hardness, Shear Strength and Temper Heat Treatment Temperature of Titanium Steel Composite[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):152-155.

TG156

A

2096-2304(2017)07-0152-04

本文引用格式：朱磊，李平仓，魏永，等.钛钢复合板界面硬度、剪切强度与退火热处理制度关系[J].兵器装备工程学报，2017(7):152-155.