王 爽，劉愛民，鄭 燕，王 鵬，張 罡

(1.沈陽理工大學材料科學與工程學院，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.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110869)

0 引言

爆炸復合板投入生產(chǎn)60多年以來，工程應(yīng)用越來越廣泛。不銹鋼/碳鋼爆炸復合板兼?zhèn)涓矊拥哪臀g、耐熱和基層的高強度，與其他材料相比，無論在耗材節(jié)能還是在力學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，尤其在爆炸復合板焊接時對接頭性能影響極大［4－5］。

文中通過研究分析304/Q245R爆炸復合板結(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，為實際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

304/Q245R復合板化學成分和力學性能分別如表1，2所示。

表1 冷軋Q245R和304化學成分 %

表2 Q245R和304力學性能

1.2 試驗方法

本試驗通過500 mm×500 mm×17 mm基板和550 mm×550 mm×3 mm覆板的爆炸復合，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型拋光機進行拋光，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”組織和氣孔進行EDS能譜檢測，然后與基體成分進行對比分析;采用Rigaku UltimaⅣX射線衍射儀對復合板基、覆層以及結(jié)合區(qū)進行物相檢測，掃描方法為步進式，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。試驗時考慮因擇優(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)進行XRD檢測。

圖1 XRD試樣截取

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 界面熔化組織

熔化組織在光學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)下會使結(jié)合區(qū)內(nèi)結(jié)合強度降低［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板與基板高速碰撞，在碰撞點處產(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雜的物理變化和化學變化;

(2)當復合板的復合速度超過聲速時，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、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”組織在光學顯微鏡下的形貌如圖3所示。

圖3(a)示出爆炸復合板“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”組織進行能譜分析，成分質(zhì)量比:Fe:96.99%，Cr:2.06%，Ni:0.52%，與復合板基材接近，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)生了元素的擴散，這一論點與文獻［8］中所涉及的相吻合，是爆炸焊接過程所發(fā)生的擴散現(xiàn)象所致。這有可能是由于爆炸時因能量和沖擊波過大的緣故造成的。

圖3(c)示出爆炸復合板“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)合強度，但同時也在結(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元素為覆層擴散所致。其形成主要原因為:

(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)，在爆炸復合板焊接中稱其為松散顆粒結(jié)晶組織。其形成原因是復板與基板空隙之中的氣體在爆轟波作用下被卷進漩渦，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，不僅會降低其微觀結(jié)合強度，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，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，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，這點在文獻［7］中也提到，304不休鋼在爆炸復合過程中會產(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面積，故掃描強度變?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、沖擊韌性和抗拉強度等力學性能均會受到影響。

3 結(jié)語

(1)在此工藝下生產(chǎn)的304/Q245R爆炸復合板中存在熔化、“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)適當減小;

(2)爆炸復合過程中，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，對復合板的力學性能有一定影響。

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