爆炸復合板后漩渦的組織結構及裂紋形成機理研究

王玉 孫大超 張德儉 李冰

摘要：Monel400/Q345R爆炸焊接復合板結合界面漩渦組織結構的不均勻性研究結果表明，漩渦內部存在裂紋和孔洞，漩渦等軸細晶、柱狀晶、等軸樹枝晶和胞狀晶不均勻導致其硬度和彈性模量不均勻。

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.

關鍵詞： 爆炸焊接;漩渦;微觀組織;裂紋;納米硬度;彈性模量

Key words： explosive welding;back swirl;microstructure;crack;nano-indentation hardness;elasticity modulus

中圖分類號：TG441.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0130-02

0? 引言

爆炸焊接復合板結合界面的組織和結構是影響復合板材整體性能和服役安全的主要因素，結合界面的層次、組織、結構、成分，硬度和力學性能等均得到了較為深入的研究[1]。界面漩渦是一種主要界面缺陷，前期研究集中在其形成機理和結構上[2、3]，對結構與力學性能關系的研究尚少，本文針對Monel400/Q345R爆炸復合板，研究其界面后漩渦的組織結構與納米硬度和彈性模量之間的關系。

1? 試驗材料及方法

試驗材料為Monel400/Q345R爆炸復合板，基板和覆板為Q345R和Monel400厚度分別為12mm和3mm，爆炸焊接后進行消應力熱處理。沿爆炸方向制備截面試樣的尺寸為15mm×15mm×10mm，采用日立S-3400N掃描電鏡（含EDS附件）和安捷倫G200納米硬度儀對界面后漩渦的形貌、組織結構、化學成分以及納米硬度和彈性模量進行表征和分析。

2? 試驗結果及分析

爆炸焊接界面典型漩渦形貌如圖1所示，圖1（a）、1（b）、1（c）和1（d）分別為整體形貌、氣孔內壁柱狀晶（Ⅰ區）、漩渦邊緣表層等軸細晶及隨后向內部生長的柱狀樹枝晶（Ⅱ區）和漩渦心部的等軸樹枝晶及胞狀晶（Ⅲ區）的放大形貌。表明具有“表層等軸細晶區-柱狀樹枝晶-心部粗大等軸樹枝晶和胞狀晶”結構。

漩渦中心及周邊分別存在較大和較小的裂紋（圖1a）;漩渦內存在半徑約為15μm孔洞且內壁向心生長不同位向柱狀晶（圖1b）;圖1c中的 “Ⅰ”區由自覆板界面向漩渦內生長厚度約為2-4μm的較薄等軸細晶區構成，為凝固較大過冷度和返熔區相互制約形成[4];圖2c中的“Ⅱ”區為在細晶區基礎上向漩渦心部生長的平行柱狀樹枝晶，S、P、Ni、Fe和Cu等元素導致生長界面前沿液體中存在較大成分過冷，因此，柱狀晶以樹枝晶方式生長，最終形成方向性較強的柱狀晶結構，生長方向垂直于漩渦邊界，一個柱狀晶中含有幾個一次枝晶軸。圖1d為漩渦心部等軸枝晶及相鄰胞狀晶結構，其原因在于心部的溫度梯度變小，成分過冷度增大;漩渦快速凝固過程中，雜質S和P與Fe和Ni形成Ni3P+Ni、Fe3P+Fe及NiS+Ni等低熔點共晶組織形成液態薄膜無“愈合”作用，導致在相鄰柱狀晶晶界或柱狀晶生長對接界面形成熱裂紋。

圖2為漩渦中A、B和C的微區EDS分析位置及相應的譜圖。A區的成分和基板的成分相近。譜圖B和C分別表明漩渦邊緣和內部均為基板和覆板熔化混合后相近的成分，由富Cu相和富Ni-Fe相的兩相微觀結構構成面心立方Cu-Ni-Fe凝固組織，甚至為有序和無序相互轉換形成的面心立方三元（Cu，Ni）3Fe相[5]。

圖3為基板、復板和漩渦中等軸細晶、柱狀晶和等軸樹枝晶/胞狀晶區域的納米壓痕硬度和彈性模量圖。

漩渦內的等軸細晶、柱狀晶和等軸樹枝晶/胞狀晶區域的硬度分別為2.04GPa、1.59GPa和1.29GPa，對應的彈性模量分別為189.6GPa，137.5GPa和127.6GPa。說明漩渦的硬度和彈性模量存在對應關系，硬度較大，彈性模量也較大。漩渦結構的不均勻性導致硬度和模量的不均勻性。特別在漩渦心部，等軸樹枝晶二次枝晶枝晶間距在0.5μm左右，組織更加疏松，導致硬度和模量最低。

基板中鐵素體和珠光體的硬度分別為2.3GPa、2.92GPa，彈性模量為289.8GPa、296.7GPa，復板的硬度為2.75GPa，彈性模量為246.9GPa。說明漩渦的硬度和彈性模量較基板和復板顯著降低。

3? 結論

漩渦中的氣孔和裂紋，內部等軸細晶-柱狀晶-等軸樹枝晶-胞狀晶構成不均勻結構;漩渦中存在雙相混合組織甚至三元（Cu，Ni）3Fe相，從而漩渦以其結構和組織的不均勻性導致硬度和模量的不均勻性。

參考文獻：

[1]韓順昌.爆炸焊接界面相變與斷口組織[M].國防工業出版社，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.