陳生祿 ，朱 琳 ，劉 鑫 ，張 強(qiáng)

（1.太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

1 引言

不銹鋼復(fù)合板通常以普碳鋼或其他合金材料為基層，不銹鋼材料為復(fù)層，經(jīng)軋制法、爆炸法[1-3]或其他復(fù)合方法將其復(fù)合而成，既具有基層材料的強(qiáng)度和韌性，又具有不銹鋼的耐腐蝕性和耐磨性[4]?；陔p重性能的考慮，不銹鋼復(fù)合板在冶金、石油化工及日常生活等領(lǐng)域有極為廣闊的應(yīng)用前景[5]。界面結(jié)合強(qiáng)度是評(píng)價(jià)不銹鋼復(fù)合板性能的主要指標(biāo)。因此，復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度備受眾多學(xué)者研究。文獻(xiàn)[6]研究了不同壓下率對(duì)真空軋制復(fù)合鋼板組織與性能的影響。文獻(xiàn)[7]研究了真空軋制復(fù)合鋼板的結(jié)合強(qiáng)度，表明首道次壓下率的增加有利于改善復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度及力學(xué)性能。對(duì)于不銹鋼復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的評(píng)定方法有多種，但主要依據(jù)剪切試驗(yàn)[8-9]、剝離試驗(yàn)[10]來(lái)測(cè)定復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度。

真空軋制復(fù)合工藝的研究雖具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值，但在工業(yè)應(yīng)用中，真空軋制因其設(shè)備原因很難實(shí)現(xiàn)，采用界面抽真空制坯軋制復(fù)合板則容易被推廣到工業(yè)應(yīng)用中，但該工藝目前在工業(yè)生產(chǎn)中成材率低，還亟待解決復(fù)合強(qiáng)度的問題。目前，采用該工藝研究壓下率對(duì)其晶粒大小、滑移現(xiàn)象及結(jié)合強(qiáng)度的影響相關(guān)報(bào)道少。因此，文中以304不銹鋼/Q235碳鋼為研究對(duì)象，采用界面抽真空軋制不銹鋼復(fù)合板，通過控制總壓下率工藝參數(shù)，研究復(fù)合板復(fù)合質(zhì)量。并通過系列工藝參數(shù)獲得剪切強(qiáng)度與位移的關(guān)系曲線，利用拉剪斷口形貌特征分析其斷裂方式。

2 不銹鋼復(fù)合板制備工藝

2.1 制坯工藝

試驗(yàn)采用 Q235 碳鋼作基材，原規(guī)格為（100×100×12）mm，采用 304不銹鋼作復(fù)材，原規(guī)格為（100×100×2）mm，基材和復(fù)材化學(xué)成分，如表1所示。首先在基層碳鋼坯料待復(fù)合面一端部和側(cè)面分別鉆一直徑為3mm和5mm的小孔，要求所鉆小孔底部能夠與基/復(fù)板按順序疊裝后構(gòu)成的結(jié)合面相連通，然后將基/復(fù)材待結(jié)合表面用鋼絲刷機(jī)械式打磨處理其表面氧化物及雜質(zhì)，再使用酒精清洗表面，待結(jié)合面處理干凈后將其疊裝，疊裝后的復(fù)合板坯料四周焊接并抽真空保持至1×10-2～1×10-3Pa，抽真空完全后用感應(yīng)加熱器加熱碳鋼管局部，在加熱部位借助外力迅速密封，封閉抽真空口，制坯工序完成，得到界面抽真空處理狀態(tài)的不銹鋼復(fù)合板坯，如圖1所示。

表1 不銹鋼復(fù)合板基層、復(fù)層材料主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Tab.1 Main Chemical Composition of Base and Clad Materials of Stainless Steel（wt%）

圖1 真空狀態(tài)不銹鋼復(fù)合板坯料Fig.1 Vacuum of Stainless Steel Composite Plate Blank

2.2 軋制工藝

將界面抽真空處理狀態(tài)的不銹鋼復(fù)合板坯料在加熱爐中加熱到1250℃，保溫20min后進(jìn)行兩道次軋制，本次試驗(yàn)分四組軋制工藝進(jìn)行研究。分別編號(hào) 1、2、3、4，1組壓下率為 25%和13.3%，總壓下率為35%；2組壓下率為30%和14.7%，總壓下率為40%；3組壓下率為35%和15.4%，總壓下率為45%；4組壓下率為40%和16.7%，總壓下率為50%；軋制速度為0.1m/s，復(fù)合板軋后空冷至室溫。具體軋制工藝，如表2所示。分別選取4組復(fù)合板中間部位沿著軋制方向切割金相試樣并拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕基材，并利用VHX-2000超景深顯微鏡觀察界面組織形貌。按照國(guó)標(biāo)GB/T6396—2008制取不同軋制工藝下不銹鋼復(fù)合板剪切試樣，利用WDW-100型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量其界面結(jié)合強(qiáng)度，利用超景深顯微鏡觀察其斷口形貌。

表2 不銹鋼復(fù)合板軋制工藝參數(shù)Tab.2 Stainless Steel Clad Plate Rolling Process Parameters

3 研究結(jié)果與分析

3.1 復(fù)合界面組織

熱軋不銹鋼復(fù)合板結(jié)合界面顯微組織，如圖2所示。從圖中可以看到復(fù)合界面結(jié)合良好，近界面碳鋼側(cè)內(nèi)有寬約80μm的鐵素體帶，是因不銹鋼（0.04%）和Q235碳鋼（0.18%）的含C質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，構(gòu)成大的濃度梯度，在高溫軋制狀態(tài)下，C元素由碳鋼側(cè)向不銹鋼側(cè)擴(kuò)散，發(fā)生脫碳現(xiàn)象而形成脫碳層。對(duì)比分析圖2（a）～圖2（d）金相圖，隨著總壓下率的增加，碳鋼側(cè)鐵素體組織晶粒逐漸細(xì)小、均勻化，細(xì)小的珠光體分布在鐵素體周圍，其體積減小，數(shù)量卻增大，晶界的面積也越來(lái)越大，因?yàn)樵诖蟮能堉谱冃蜗?，晶粒遭到破壞，晶界能增加，析出的碳化物更加?xì)小、均勻。晶粒越細(xì)小，晶粒數(shù)越多以及晶界的面積越大，可提高不銹鋼復(fù)合板的屈服強(qiáng)度。同時(shí)晶界既可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形趨于均勻化，也可阻止裂紋的擴(kuò)展，有效的改善不銹鋼復(fù)合板的塑性和韌性。

但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著壓下率的增加，塑性變形到一定程度，晶體在切應(yīng)力作用下在其表面出現(xiàn)許多相互平行的線條，如圖2（c）、圖2（d）所示。說明碳鋼側(cè)晶體發(fā)生不同程度的晶內(nèi)滑移，且隨壓下率的增加，晶內(nèi)滑移更加明顯，在鐵素體中出現(xiàn)滑移帶。當(dāng)壓下率為50%時(shí)，可觀察到部分晶間滑移現(xiàn)象，因?yàn)榫чg處的塑性變形抗力遠(yuǎn)高于晶粒本身。晶界處原子排列紊亂，晶格畸變較大，且雜質(zhì)常存在其間，使滑移過程中的位錯(cuò)移動(dòng)受到阻礙。

3.2 結(jié)合界面處剪切強(qiáng)度曲線的測(cè)定與分析

按照國(guó)標(biāo)GB/T6396—2008相關(guān)規(guī)定取復(fù)合板中間部分作為剪切試樣，拉剪試樣及斷裂試樣，如圖3（a）所示。不同壓下率下不銹鋼復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度與位移的關(guān)系曲線如圖4所示。按照剪切強(qiáng)度計(jì)算公式得出在總壓下率為50%時(shí)，不銹鋼復(fù)合板結(jié)合界面處的剪切強(qiáng)度達(dá)到459.6MPa，遠(yuǎn)超過GB/T 8165—2008規(guī)定不銹鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度最小值210MPa。

圖2 不同軋制壓下率不銹鋼復(fù)合板復(fù)合界面金相組織Fig.2 Microstructure of Composite Interface of Stainless Steel Composite Plate Under Different Rolling Reduction Rate

圖3 拉剪試樣尺寸和斷裂前后試樣宏觀形貌Fig.3 The Size of Sample and the Macroscopic Morphology of the Shear Sample Before and after the Fracture

圖4 不同軋制壓下率下復(fù)合板界面的剪切曲線Fig.4 Shear Curved of Composite Panel Interface under Different Rolling Reduction Ratio

從剪切曲線來(lái)看，圖4（a）中復(fù)合界面到剪切強(qiáng)度最高點(diǎn)時(shí)有較為明顯的弧頂，說明其斷裂方式為韌性斷裂，塑性較好。圖4（b）、圖4（c）中剪切強(qiáng)度到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)弧頂不明顯，斷裂方式為脆性斷裂+韌性斷裂。圖4（d）中剪切強(qiáng)度到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)弧頂最小，斷裂方式為脆性斷裂，說明在壓下率為50%時(shí)，滑移現(xiàn)象引起的加工硬化最為嚴(yán)重，塑性和韌性嚴(yán)重降低。不同壓下率的不銹鋼復(fù)合板復(fù)合界面剪切強(qiáng)度隨壓下率的增加而呈增加的趨勢(shì)，如圖5所示。但增加的幅度逐漸減緩。

圖5 復(fù)合界面處壓下率與剪切強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 The Relationship Between the Reduction Ratio and the Shear Strength on the Composite Interface

當(dāng)總壓下率為50%時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，說明在大軋制力下可更好的破碎界面氧化物及雜質(zhì)，使其界面兩側(cè)更多新鮮金屬牢固的實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，更好的提高不銹鋼復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度。

3.3 不銹鋼復(fù)合板剪切斷口形貌分析

為進(jìn)一步研究不銹鋼復(fù)合板的剪切性能，對(duì)剪切斷口形貌特征進(jìn)行觀察，復(fù)合板界面剪切斷口形貌，如圖6所示。

圖6 不同軋制壓下率不銹鋼復(fù)合板界面處剪切斷口形貌Fig.6 Shear Fracture Morphology at Interface of Stainless Steel Composite Plate under Different Rolling Reduction Ratio

圖6（a）中可以看到斷口呈現(xiàn)出由高低不平的解離臺(tái)組成的河流花樣和韌窩，斷口呈纖維狀，其斷裂方式為脆性斷裂+韌性斷裂。從圖6（b）中可以看到斷口呈現(xiàn)出粗糙、明顯的條狀和面狀撕裂痕跡，是因?yàn)閺?fù)合界面處發(fā)生大量元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，碳鋼中的碳原子擴(kuò)散到近界面不銹鋼側(cè)，不銹鋼中Cr、Ni原子擴(kuò)散到近界面碳鋼側(cè)，造成界面反應(yīng)生成大量的C-Cr-Ni化合物，當(dāng)進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，這些化合物與一側(cè)界面相連卻與另一側(cè)界面撕裂。因碳原子體積小，在鐵晶格中擴(kuò)散速度較大，容易擴(kuò)散到晶界形成碳化物。由于碳與鉻的親和力比較大，在晶界形成碳化鉻的可能性更大，且在近界面不銹鋼處析出的碳化物遠(yuǎn)比近界面碳鋼處多。這些碳化物大多為脆硬相，因此其斷裂方式為脆性斷裂。

4 結(jié)論

（1）不銹鋼復(fù)合板界面結(jié)合良好，近界面碳鋼側(cè)形成脫碳層，遠(yuǎn)界面處為鐵素體+珠光體組織。隨著軋制壓下率的增加，晶粒更加細(xì)小、均勻，晶界面積增大，可有效地提高不銹鋼復(fù)合板的強(qiáng)度。同時(shí)晶界既可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形趨于均勻化，也可阻止裂紋的擴(kuò)展，有效的改善不銹鋼復(fù)合板的塑性和韌性。

（2）當(dāng)壓下率為45%時(shí)，碳鋼側(cè)晶體發(fā)生不同程度的晶內(nèi)滑移，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。且隨壓下率的增加，晶內(nèi)滑移更加明顯，在鐵素體中出現(xiàn)滑移帶。壓下率為50%時(shí)，可觀察到部分晶間滑移現(xiàn)象。因此，一定程度的增大軋制壓下率可有效改善不銹鋼復(fù)合板的塑性和韌性，但較大的軋制壓下率會(huì)使不銹鋼復(fù)合板產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，降低不銹鋼復(fù)合板的塑性和韌性。

（3）不銹鋼復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度最低可達(dá)305.9MPa，均高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的最小值210MPa，且結(jié)合強(qiáng)度隨壓下率的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，增加的趨勢(shì)逐漸減緩。當(dāng)壓下率為45%時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)406.5MPa，不銹鋼復(fù)合板塑性較好。