爆炸复合板后漩涡的组织结构及裂纹形成机理研究
2018-01-25王玉孙大超张德俭李冰
王玉 孙大超 张德俭 李冰
摘要：Monel400/Q345R爆炸焊接复合板结合界面漩涡组织结构的不均匀性研究结果表明，漩涡内部存在裂纹和孔洞，漩涡等轴细晶、柱状晶、等轴树枝晶和胞状晶不均匀导致其硬度和弹性模量不均匀。
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.
关键词： 爆炸焊接;漩涡;微观组织;裂纹;纳米硬度;弹性模量
Key words： explosive welding;back swirl;microstructure;crack;nano-indentation hardness;elasticity modulus
中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）36-0130-02
0 引言
爆炸焊接复合板结合界面的组织和结构是影响复合板材整体性能和服役安全的主要因素，结合界面的层次、组织、结构、成分，硬度和力学性能等均得到了较为深入的研究[1]。界面漩涡是一种主要界面缺陷，前期研究集中在其形成机理和结构上[2、3]，对结构与力学性能关系的研究尚少，本文针对Monel400/Q345R爆炸复合板，研究其界面后漩涡的组织结构与纳米硬度和弹性模量之间的关系。
1 试验材料及方法
试验材料为Monel400/Q345R爆炸复合板，基板和覆板为Q345R和Monel400厚度分别为12mm和3mm，爆炸焊接后进行消应力热处理。沿爆炸方向制备截面试样的尺寸为15mm×15mm×10mm，采用日立S-3400N扫描电镜（含EDS附件）和安捷伦G200纳米硬度仪对界面后漩涡的形貌、组织结构、化学成分以及纳米硬度和弹性模量进行表征和分析。
2 试验结果及分析
爆炸焊接界面典型漩涡形貌如图1所示，图1（a）、1（b）、1（c）和1（d）分别为整体形貌、气孔内壁柱状晶（Ⅰ区）、漩涡边缘表层等轴细晶及随后向内部生长的柱状树枝晶（Ⅱ区）和漩涡心部的等轴树枝晶及胞状晶（Ⅲ区）的放大形貌。表明具有“表层等轴细晶区-柱状树枝晶-心部粗大等轴树枝晶和胞状晶”结构。
漩涡中心及周边分别存在较大和较小的裂纹（图1a）;漩涡内存在半径约为15μm孔洞且内壁向心生长不同位向柱状晶（图1b）;图1c中的 “Ⅰ”区由自覆板界面向漩涡内生长厚度约为2-4μm的较薄等轴细晶区构成，为凝固较大过冷度和返熔区相互制约形成[4];图2c中的“Ⅱ”区为在细晶区基础上向漩涡心部生长的平行柱状树枝晶，S、P、Ni、Fe和Cu等元素导致生长界面前沿液体中存在较大成分过冷，因此，柱状晶以树枝晶方式生长，最终形成方向性较强的柱状晶结构，生长方向垂直于漩涡边界，一个柱状晶中含有几个一次枝晶轴。图1d为漩涡心部等轴枝晶及相邻胞状晶结构，其原因在于心部的温度梯度变小，成分过冷度增大;漩涡快速凝固过程中，杂质S和P与Fe和Ni形成Ni3P+Ni、Fe3P+Fe及NiS+Ni等低熔点共晶组织形成液态薄膜无“愈合”作用，导致在相邻柱状晶晶界或柱状晶生长对接界面形成热裂纹。
图2为漩涡中A、B和C的微区EDS分析位置及相应的谱图。A区的成分和基板的成分相近。谱图B和C分别表明漩涡边缘和内部均为基板和覆板熔化混合后相近的成分，由富Cu相和富Ni-Fe相的两相微观结构构成面心立方Cu-Ni-Fe凝固組织，甚至为有序和无序相互转换形成的面心立方三元（Cu，Ni）3Fe相[5]。
图3为基板、复板和漩涡中等轴细晶、柱状晶和等轴树枝晶/胞状晶区域的纳米压痕硬度和弹性模量图。
漩涡内的等轴细晶、柱状晶和等轴树枝晶/胞状晶区域的硬度分别为2.04GPa、1.59GPa和1.29GPa，对应的弹性模量分别为189.6GPa，137.5GPa和127.6GPa。说明漩涡的硬度和弹性模量存在对应关系，硬度较大，弹性模量也较大。漩涡结构的不均匀性导致硬度和模量的不均匀性。特别在漩涡心部，等轴树枝晶二次枝晶枝晶间距在0.5μm左右，组织更加疏松，导致硬度和模量最低。
基板中铁素体和珠光体的硬度分别为2.3GPa、2.92GPa，弹性模量为289.8GPa、296.7GPa，复板的硬度为2.75GPa，弹性模量为246.9GPa。说明漩涡的硬度和弹性模量较基板和复板显著降低。
3 结论
漩涡中的气孔和裂纹，内部等轴细晶-柱状晶-等轴树枝晶-胞状晶构成不均匀结构;漩涡中存在双相混合组织甚至三元（Cu，Ni）3Fe相，从而漩涡以其结构和组织的不均匀性导致硬度和模量的不均匀性。
参考文献：
[1]韩顺昌.爆炸焊接界面相变与断口组织[M].国防工业出版社，2011.
[2]Samardzic I， Kozuh Z， Matesa B. Structural analysis of three-metal explosion joint：Zirconium-Titanium-steel[J]， Metabk， 2010， 42（2）： 119-122.
[3]Li Yan，Wei Shi-zhong， Long Rui. Research on Morphology and Phase Structure in the Interface of Al-Cu Formed by Explosive Cladding[J]. Key engineering materials，2007，338（1）：2569-2571.
[4]Slimi M， Azabou M， Escoda L， Su？觡ol J J， KhitouniM.Structural and microstructural properties of nanocrystalline Cu–Fe–Ni powders produced by mechanical alloying[J]. Powder Technology， 2014，266， 262-267.
[5]Servant C， Sundman B， Lyon O. Thermodynamic Assessment of the Cu-Fe-Ni System[J]. Calphad， 2001， 25（1）： 79-95.
