鈦鋼復合板界面硬度、剪切強度與退火熱處理制度關系

朱 磊，李平倉，魏 永，龐國慶

(1.西安天力金屬復合材料有限公司，西安 710201;2.陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心，西安 710201)

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鈦鋼復合板界面硬度、剪切強度與退火熱處理制度關系

朱 磊1,2，李平倉1,2，魏 永1，龐國慶1

(1.西安天力金屬復合材料有限公司，西安 710201;2.陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心，西安 710201)

爆炸焊接生產的金屬復合板界面硬度偏高往往給后續加工、使用帶來不利影響，針對此問題，通過在復合板等長的圓周位置分別進行取樣試驗，對不同退火熱處理制度下鈦鋼復合板的界面顯微硬度、剪切強度及其變化規律做了分析，發現隨熱處理溫度的升高,鈦鋼界面硬度和剪切強度均呈現降低趨勢，根據相關標準和試驗數據，鈦鋼復合板退火熱處理溫度宜選擇在540～580℃之間，既可有效降低硬度，又能保證復合板強度滿足使用要求。

爆炸焊接;鈦鋼復合板;退火熱處理;硬度;剪切強度

由于加工方法的特殊性，爆炸焊接法生產的金屬復合材料結合界面處及附近會發生較為劇烈的塑性變形，這種塑性變形除了形成周期性的波紋外，還會造成該區域硬化。這對材料后續的加工、使用帶來諸多不便，尤其是對作為管板使用的復合板，后續鉆孔的過程中鉆孔困難、效率降低，增加了鉆頭消耗量，提高了生產成本，降低了產品競爭力。在生產中，一般通過退火熱處理降低復合板硬度。不同的退火熱處理制度對于降低硬度所起到的效果也不一樣。在一定溫度范圍內，一般退火熱處理溫度越高，硬度下降效果越明顯。但同時，退火熱處理溫度越高，復合板的結合強度下降幅度也越大。因此，在制定退火熱處理制度時，不僅要有效降低硬度，便于后續加工，還需考慮復合板的剪切強度，保證結合強度滿足標準要求(≥140MPa，GB/T8547-2006)。本文研究了不同退火熱處理制度下鈦鋼復合板硬度以及結合強度的變化情況，并通過分析找到了最佳退火熱處理制度工藝范圍，取得了較好的效果。

1 試驗材料與方法

1.1 材料選取

試驗用鈦板牌號為ASME SB265 Gr.1，鋼板牌號為ASME SA-516 Gr.70，試板尺寸見表1，顯微硬度見表2，符合標準要求。

表1 試驗板投料尺寸

表2 原材料顯微硬度

1.2 試驗方法

爆炸焊接生產中常用的基、復板安裝方式有角度法和平行法，本試驗采用平行式，以長邊中心作為炸藥引爆點，爆炸復合裝置見圖1。試驗用炸藥采用某型號爆炸焊接專用炸藥，爆速為1 800～2 500 m/s。爆炸復合完成后，UT顯示除雷管區外100%結合。

采用火焰切割方式，將試板平均切為5條試塊，每塊試塊規格為5/36 mm×100 mm×1 200 mm。為保證一致性，本試驗中所有試樣均在距起爆點等長的圓周位置進行取樣；試樣編號和對應熱處理狀態見表3，每個編號對應位置分別取一個金相試樣和一個剪切試樣，取樣位置和對應編號如圖2所示。

圖1 爆炸復合裝置示意圖

圖2 復合板取樣示意圖及取樣編號

試樣狀態爆炸態500℃/3h540℃/3h580℃/3h620℃/3h試樣編號1-1,1-22-1,2-23-1,3-24-1,4-25-1,5-2#

注1：加熱方式為廂式電爐加熱，隨爐升溫，冷卻至200℃以下出爐空冷。

為保證溫度準確，退火熱處理時在試樣上安裝熱電偶監控溫度(圖3)。試塊退火熱處理完成后，采用鋸切方式進行取樣，將熱影響區完全去除后再機加工試樣。

圖3 溫度監控裝置示意圖

2 試驗結果與分析

表4為復合板在不同狀態下的顯微硬度值。為便于分析，將同種狀態下的兩組試樣在界面、基體、以及距離界面分別為50、120、200、300 μm等位置處測得的顯微硬度值進行平均，并繪制硬度變化趨勢圖，如圖4(a～e)所示。硬度數據和分布圖顯示，爆炸態時復合板的鋼、鈦側界面硬度都處于極高值，比各自基體硬度分別高出43%和21%，距界面50、120、200、300 μm處硬度值隨距離增加呈遞減趨勢，但仍遠高于基體。500℃退火熱處理狀態下，鋼側硬度較爆炸態變化不明顯，鈦側界面硬度較爆炸態下降24%，在距界面20、120、200、300 μm處硬度值已下將至已接近母材基體。當溫度升高至540℃時，鋼側硬度開始明顯下降，且界面處與距離50、120、200、300 μm處硬度值較為接近，說明在該溫度下鋼側由于爆炸碰撞產生的硬化得到有效改善，但仍高于母材基體硬度約50HV，鈦側界面硬度繼續下降，同50、120、200、300 μm處硬度值已無明顯差異，與母材基體硬度相當。退火熱處理溫度進一步提高至580 ℃，鋼側硬度較540 ℃退火處理狀態下降約11%，界面處與300 μm范圍內硬度值差別不大，而在該退火工藝下鈦側從界面到母材硬度值已無明顯梯度，均處于較低的范圍。當退火溫度達620 ℃時，無論鋼側還是鈦側，從界面到母材硬度值無明顯差異，均與各自母材基體相當。

上述分析結果表明： 退火熱處理溫度達到540 ℃時，鋼和鈦的硬度均得到明顯改善，達到620 ℃時，鋼和鈦二者硬度已與各自母材基體無區別。

不同退火熱處理工藝條件下，復合板剪切試驗的結果如表5所示。從表5中可以看出，試板在同一退火熱處理制度下，剪切強度相近，如2-1和2-2， 4-1和4-2。

表4 不同狀態顯微硬度值

圖4 不同狀態下顯微硬度

試樣狀態/編號爆炸態1-11-2500℃退火1-11-2540℃退火1-11-2580℃退火1-11-2620℃退火1-11-2剪切強度/MPa290325245235235220215210198205剪切強度均值/MPa308240228208202

圖5為試板不同狀態下剪切強度分布圖，圖5中sample1為1-1,2-1,3-1,4-1,5-1五個試樣的剪切強度，sample2為1-2，2-2，3-2,4-2,5-2五個試樣的剪切強度。從圖中可以看出，隨著退火溫度的升高，復合板剪切強度呈現下降趨勢。爆炸態試樣剪切強度平均值為308 MPa，退火加熱溫度為500 ℃時，試板的剪切強度平均值為240 MPa，比爆炸態下降22%；當退火加熱溫度為540 ℃時，試板的剪切強度平均值為228 MPa，比爆炸態降低26%；當退火加熱溫度為580 ℃時，試板的剪切強度平均值為208 MPa，比爆炸態降低32%；當退火加熱溫度為620 ℃時，試板的剪切強度平均值為202 MPa，比爆炸態復合板的剪切強度降低34%。數據表明退火熱處理工序對剪切強度有顯著的削弱作用。

圖5 不同狀態剪切強度變化趨勢

3 結論

綜上所述，隨著退火熱處理溫度的升高，界面顯微硬度和剪切強度均呈逐漸下降趨勢；鈦鋼復合板退火熱處理溫度在540 ℃以上時，界面硬度才會出現明顯改善，但鋼側界面硬度仍高于基體。如果對鋼側界面硬度有更嚴格的要求，可選擇退火熱處理溫度為580 ℃的工藝，但會引起剪切強度較大的損失，較爆炸態下降30%以上。具體操作時應根據復合材料的使用環境和后續加工要求，在540～580 ℃之間選擇合適的退火熱處理溫度。

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(責任編輯 楊繼森)

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

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA03A501)

朱磊(1984—)，男，工程師，主要從事層狀金屬復合材料研究。

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，李平倉，魏永，等.鈦鋼復合板界面硬度、剪切強度與退火熱處理制度關系[J].兵器裝備工程學報，2017(7):152-155.