Mater. Sci. Eng. A:铜-钢复合板爆炸焊显微组织及力学性能研究


【引言】

铜具有良好的热导率、塑性和耐腐蚀性能,所以铜在冶金、化学和石油行业得到了广泛应用。然而纯铜的变形能力差,线膨胀系数大,使得其应用得到了极大的限制。铜-钢复合板具有高的热导率和优异的力学性能,使得其具有广阔的应用前景。人们对铜和钢的焊接方法进行了很多尝试,包括搅拌摩擦焊、激光焊以及爆炸焊等,虽然接头金属发生了熔化,但铜在铁中的溶解度很小,并且低温下不存在Fe-Cu相。而爆炸焊是一种固相连接技术,能够实现铜和钢的连接。

【成果简介】

近日,北京科技大学焦克新(通讯作者)在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“Microstructure and mechanical properties investigations of copper-steel composite fabricated by explosive welding”。在该文中,研究人员研究了铜-钢板材爆炸焊的显微组织和力学性能。

【图文导读】

图1 爆炸焊原理图

图2 拉伸试样的尺寸

图3 铜-钢界面横截面显微组织图


(a)典型波形界面的背散射电子成像

(b)涡旋区域局部放大图

(c)涡旋区及固固连接区

(d)涡旋区放大图

(e)截线1的EDS图

(f)固固连接区的放大图

(g)截线2的EDS图

图4 铜基体的EBSD结果

 (a)铜基体的二次电子显微图

(b)铜基体的EBSD反极图

(c)晶体取向-颜色关系图

(d)再结晶分布图

(e)铜晶粒尺寸分布图

图5 铁基体的EBSD结果

(a)铁基体的二次电子显微图

(b)铁基体的EBSD反极图

(c)晶体取向-颜色关系图

(d)再结晶分布图

(e)晶粒尺寸分布图

图6 过渡层EBSD图

 

(a)二次电子显微图

(b)EBSD反极图

(c)再结晶分布图

(d)铜和铁的相图

(e)过渡层显微组织的TEM图

(f)过渡层铜和铁的晶粒尺寸分布图

图7 显微硬度图

图8 过渡层纳米压痕实验

 (a)纳米压痕区的背散射电子图

(b)压痕A-C的P-h曲线

(c)计算得到的纳米硬度

图9 拉伸实验过程中的LSCM图

图10 拉伸实验得到的应力-应变曲线

图11 拉伸断口形貌


【小结】

主要结论如下:

(1)铜/钢界面呈周期性的波浪结构,包括涡流区和固固连接区。铜/钢之间过渡层的厚度在涡流区和固固连接区是变化的,使得界面的显微组织不一致。

(2)铜基体、铁基体和过渡层的EBSD结果表明:在铜基体中有典型的退火孪晶结构。铜晶粒的尺寸取决于爆炸焊工艺和热处理以后的再结晶过程。在铁基体的结合面附近有很多结晶颗粒,绝热剪切带为更为细小的等轴晶。由于应力波的传播,使得晶粒发生变形,最终不同区域的晶粒取向各不相同,表明晶粒存在择优取向分布。过渡区的晶粒尺寸只有60nm左右,远小于铁基体中的晶粒尺寸。超细的等轴晶对获得优异的焊接接头至关重要。

(3)显微压痕及纳米压痕分析结果表明界面的硬度(330.9MPa)、变形区(Cu为100HV,Fe为286.8HV)要比基体的高。由于过渡区纳米晶的存在使得硬度更高。拉伸实验结果表明裂纹并不是沿着界面结构扩展,而是在铜基体中,这说明接头质量较好。

文献链接Microstructure and mechanical properties investigations of copper-steel composite fabricated by explosive welding(Materials Science and Engineering: A,2018,doi.org/10.1016/j.msea.2018.06.051)。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿,材料牛编辑整理。

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