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    不銹鋼/碳鋼熱靜壓復合中表面形貌對界面變形及復合質量的影響

    雙金屬受壓變形復合過程中表面形貌是影響其界面變形行為及結合質量的重要因素。針對AISI 304不銹鋼與Q235A碳鋼,通過車削加工制備3種具有不同表面微觀形貌的圓柱型試樣組,在真空條件下實現該兩種金屬的熱靜壓復合后,利用無損檢測技術測定界面復合率、單軸拉伸破壞試驗測定復合材料的強度,并在其復合區域取樣,利用掃描電鏡觀察接觸界面輪廓的幾何特征,分析復合過程中界面變形規律及對復合質量的影響;基于商業有限元軟件模擬分析復合過程接觸表面粗糙峰變形,研究表面微觀形貌對復合過程的影響機制。結果表明,表面微觀形貌對熱靜壓復合過程中界面的變形和復合質量影響顯著;在復合過程中,較硬的不銹鋼粗糙峰幾乎無變形地嵌入進碳鋼基體內,而較軟的碳鋼粗糙峰則明顯被壓扁變平;此外,不銹鋼和碳鋼試樣在復合前通過表面預處理獲得的不同粗糙度對于復合質量具有相反的影響作用,不銹鋼表面越粗糙越有利于復合,碳鋼表面越光滑越有利于復合;不銹鋼側界面粗糙度增大和碳鋼側界面粗糙度減小,都可以使得界面兩側金屬相對滑動減小、界面間接觸應力增大,從而提高了界面復合質量。

    奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性,在石油化工、船舶、航空等行業應用廣泛。采用不銹鋼與低碳鋼的層合板替代單純不銹鋼厚板,可以在既保證耐腐蝕性要求又滿足力學強度要求的前提下,大大減少不銹鋼用量,有效降低材料成本并節約NiCr等稀缺金屬,符合綠色可持續發展理念,經濟和社會效益將十分顯著。

    受壓變形復合是金屬層合板制造的主要工藝方法,屬于固相連接,包括靜壓復合、軋制復合、爆炸復合和共擠壓復合等。理論上,兩個相互接觸并幾乎不相對滑動的潔凈且平坦的表面,很容易通過接觸界面間原子鍵合而形成界面之間的完美結合。但工程上,由于無法制備出絕對潔凈且平坦的表面,目前異種金屬材料的受壓變形復合過程,總是需要相對較大的壓力及形變使之表面氧化層破裂而裸露出潔凈的次表層金屬,并實現相互近似無滑動的接觸,也總是以表面粗糙形貌尖峰的接觸變形并首先實現界面間原子鍵合形成多點結合而開始。之后,隨著受壓變形的繼續,界面間的結合點進一步增加,初始接觸時界面間形成的縫隙和空洞不斷收縮變小,從有限點結合發展到一定面積的面結合,尚未復合的界面間縫隙和空洞隨著受壓變形的繼續而逐漸收縮甚至愈合消失,最終可能實現金屬間的全部接觸面完全復合。在復合過程中,溫度和變形能促使實現結合的金屬區域進一步出現跨界面的原子擴散并形成一定厚度的復合界面層,也會對界面間原子鍵合發揮促進作用。

    一直以來,許多學者對擴散焊接過程中表面形貌對界面結合行為及接頭力學性能的影響展開了一系列研究。ZHANG等提出在粗糙表面的MA 956合金擴散焊接過程中可能會留下空洞,進而對接頭質量造成影響;WANG等研究了4種不同表面粗糙峰的高導無氧銅擴散焊接過程,發現隨著表面粗糙峰波長的減小可以加速原子沿空洞方向的擴散,促使空洞收縮并提高了界面的結合強度;ISLAM等對比經過P60砂紙處理和未經處理過的不銹鋼表面擴散焊后的結合質量的差異,發現經過P60砂紙處理需要更大的壓力和更長的保溫時間才能達到未經處理表面的結合質量;ZHANG等發現不銹鋼在相同的焊接條件下,粗糙表面比光滑表面擴散焊接后的晶界遷移率及抗拉強度要小,并分析了兩種晶界遷移機制的差異;SHAO等對不同表面粗糙度的鈦和鎳進行擴散焊接,發現不同表面粗糙度在焊接過程中所生成中間相是不同的,中間相在變形過程中產生的微裂紋是影響界面結合質量的主要因素;LI等認為冪律蠕變是擴散焊接過程中空洞收縮的主要機制,并建立了空洞收縮的動力學模型。然而,由于擴散焊接過程基材的變形很小,原始表面粗糙度不宜過大,否則可能會使后續保溫過程中界面縫隙和空洞的愈合變得困難,對接頭的結合質量造成不利影響。

    采用粗糙表面作為受壓變形復合界面已經受到關注。在熱軋復合方面,LIU等對金屬Al表面進行了宏觀和微觀的機械處理,研究了表面形貌對鋁片/鋁板/鋁片熱軋復合板結合質量的影響,發現芯層的粗糙度在0.030.58μm之間時界面結合面積和結合性能有明顯改善;KIM等研究發現6XXX/5XXX/6XXX鋁合金溫軋復合前表面經過鋼絲刷處理后,臨界壓下率得到降低,結合強度得到提高;王強試驗研究了打毛處理和未打毛處理的鋁表面經過熱軋后不銹鋼//不銹鋼復合板界面微觀形貌的差異,發現經過表面處理的復合板界面呈現相互嵌入的機械咬合現象,這種機械咬合現象使復合界面層的力學性能有所提高。大多數金屬軋制復合過程,由于金屬表面存在的氧化膜和吸附污染物會阻止待焊金屬結合表面新鮮純凈金屬的相互接觸,增大界面的結合難度,復合前對金屬表面進行處理是非常必要的,多位學者研究了表面處理工藝、表面粗糙度、紋理方向對冷軋層合板界面結合強度的影響,發現合適的表面預處理可以明顯提高冷軋復合界面的結合強度。但以上研究忽視了各基材金屬的待復合表面具有不同表面形貌時復合過程的差異,缺乏不同基材間表面形貌影響的對比分析,以及其對復合過程中接觸區的變形規律和結合質量影響的比較研究。

    從幾何角度,界面結合質量可以通過宏觀尺度的復合率以及細觀尺度上的復合區接觸面(或線)幾何結構來表征,前者描述結合區和未結合區的面積比,后者反映界面結合區接觸線的幾何構型。從力學角度,界面結合質量可以通過復合后層合板的界面層力學性能來表征。Q235A碳鋼、AISI304不銹鋼作為基材,在不銹鋼復合板的生產領域具有較強的代表性和應用范圍。本文針對此兩種典型鋼種,通過試驗和有限元仿真方法研究復合過程中基材不同表面形貌的界面接觸區變形規律以及對界面結合質量的影響,以期為通過合理的表面預處理的方式提高界面結合質量、擴大AISI304不銹鋼/Q235A碳鋼軋制復合可行工藝條件范圍提供指導。

    1試驗研究方法及方案

    選用AISI304奧氏體不銹鋼和Q235A低碳鋼作為基材,化學成分見表1。兩種材料試樣規格均為直徑10 mm、長45 mm的棒材。

    如圖1所示,通過車削加工制備了3種不同粗糙度的表面共組合7組試樣,每組試樣的表面三維粗糙度值如表2所示。由于對靜壓復合試樣拉伸及接觸區變形觀測均需要對試樣進行破壞,故增加同樣表面形貌的7組備份試樣在相同條件下進行復合試驗。對第一批的7組復合試樣進行復合率檢測和界面接觸區形貌觀察,對第二批的7組備份進行試樣抗拉強度測定。

    復合前將每組不銹鋼、碳鋼試樣接觸表面進行清洗和脫脂,將兩個試樣端面疊合起來在Gleeble3500試驗機上進行復合,為避免靜壓過程中試樣失穩采用圖2所示夾具進行約束,實際參與變形的試樣總長度為12 mm。靜壓復合試驗流程如圖3所示,首先以5/s的速率升溫至指定900℃,將試樣在該溫度下保溫5 min,然后以0.1 s1的應變速率進行壓下率40%的壓力復合,之后進行卸載,按5/s速率冷卻至室溫。

    采用UST 200水浸超聲波C掃檢測系統對復合后試樣的結合面復合率進行檢測,該系統主要由掃描裝置、超聲波信號發射與接收單元、信號分析和預處理單元組成。其中探頭頻率為10 MHz,焦點直徑0.37mm,波速為5 800 m/s,掃描步長為0.1 mm,水中焦距30 mm。以第一次底面回波高度低于滿屏刻度5%作為未結合區域統計界面復合率。之后對該7組試樣沿軸向對稱面使用線切割剖開成為兩半,對其中一半進行制樣,剖面磨制、拋光后采用LEO1450掃描電子顯微鏡(SEM)觀察界面接觸區域的形貌特征。

    為研究表面粗糙度對復合后材料力學性能的影響,將7組備份試樣在相同條件下復合后在CMT5105拉力機上進行單軸拉伸試驗,測定其抗拉強度并觀察其斷裂情況。

    2試驗結果及分析討論

    2.1表面形貌對復合質量的影響

    界面復合率從宏觀尺度上反映了界面復合質量。對靜壓復合后的7組原試樣進行復合率檢測,根據回波與原波高度比的不同,不同的結合狀態可以用不同的顏色來表示,各組復合試樣界面結合狀態和復合率大小分別如圖4和表3所示,其中圖4中回波高度比為0的區域代表完全結合區域,回波高度比為50%的區域代表半結合區域,回波高度比為100%以上的區域代表未結合區域。從復合率檢測結果上來看,表面形貌對靜壓復合后試樣界面復合率有著很大的影響。不銹鋼表面粗糙度最大為6.0μm、碳鋼表面粗糙度最小為0.9μm時,界面可以實現100%的結合,而不銹鋼表面粗糙度為最小0.9μm、碳鋼表面粗糙度最大6.0μm時,界面只有48.8%的復合率。總體來看,相同的工況條件下,整體呈現出不銹鋼表面粗糙度越大、碳鋼表面粗糙度越小,界面復合率越高的趨勢。

    復合板的拉伸破壞行為可以反映界面的結合強度,也可以反映界面復合質量。由于界面兩側不銹鋼、碳鋼兩種材料力學性能與組織結構的差異,復合材料在拉伸方向上具有不均勻性。拉伸后的7組備份試樣如圖5所示,7組試樣在拉伸過程中均在界面位置發生斷裂,基材并沒有發生明顯的塑性變形,這說明復合材料在拉伸斷裂時應力的大小可以作為表征界面結合強度的指標。圖6為各組試樣單軸拉伸過程中的應力應變曲線,可以看出,這7組試樣有著相似的力學響應規律,但拉伸破壞強度卻存在很大差異,金屬表面微觀形貌對結合強度影響顯著。對于碳鋼表面粗糙度最小0.9μm、不銹鋼表面粗糙度最大6.0μm的第3組試樣,其抗拉強度為330 MPa,該結果比第5組試樣(碳鋼表面粗糙度最大6.0μm、不銹鋼表面粗糙度最小0.9μm)的抗拉強度145.3 MPa高了一倍以上(4)。以上結果總體呈現碳鋼的表面粗糙度越小、不銹鋼的表面粗糙度越大,結合質量就越高的規律,這一現象和復合率的檢測結果是一致的。

    2.2表面形貌對結合界面輪廓的影響

    觀察靜壓后試樣剖面結合區變形情況,圖7a7b分別為第12組試樣靜壓后界面結合區形貌圖,圖7c7d為第3組試樣不同放大倍數下界面結合區形貌圖。可以看出,隨著不銹鋼表面粗糙度由0.9μm增大到1.3μm6.0μm,界面結合區形貌有著較大變化。圖7a中輪廓線基本為一條直線,圖7b輪廓線略有波動,圖7c波動幅度更大,由局部放大圖可以看到輪廓線呈拋物線形狀。以上現象表明,在靜壓復合過程中,較硬的不銹鋼表面基體擠壓并嵌入較軟的碳鋼基體內部,從而對結合區變形產生影響,界面結合區形貌仍一定程度上保留著不銹鋼的初始形貌特征。

    8a8b為第5組試樣(不銹鋼表面粗糙度為最小0.9μm、碳鋼表面粗糙度為最大6.0μm)的界面結合區域的形貌圖,從圖8a中可以看出,界面輪廓線并沒有大的波峰出現,但在虛線框所示區域發現有空洞的存在,從8b放大圖中可以明顯觀察到碳鋼粗糙峰被壓扁的現象。以上現象表明,由于碳鋼相對不銹鋼較軟,當碳鋼的表面粗糙度增大,碳鋼表面粗糙峰并沒有嵌入到不銹鋼基體中,而是被逐漸壓扁,隨著壓力的增大,從而增大實際接觸面積,兩粗糙峰之間的縫隙逐漸減小消失。

    8c8d為不銹鋼碳鋼均為6.0μm時靜壓復合后試樣中部的結合區形貌,通過前面的分析可知,變形后的結合區形貌仍由不銹鋼的形貌所決定,但與圖7c7d相比,輪廓線波形的幅度更大也更不規則,這說明不銹鋼粗糙峰的變形程度比圖7c7d中的要小,對不銹鋼原始形貌的保留更充分,這是因為高粗糙度的碳鋼在靜壓過程中更容易沿界面流動,從而向界面間的縫隙填充。

    通過圖像處理軟件Image-Pro plus對每組試樣界面中部結合區輪廓線進行提取,可以更直觀地觀察表面形貌的變形規律,如圖9a所示,對比第123組輪廓線形狀發現,隨著不銹鋼表面粗糙度的增大,界面輪廓線幅值逐漸增大而波動頻率逐漸減小,這和復合前不銹鋼的形貌特征是一致的,對于碳鋼表面粗糙度最大的第5組試樣,復合后碳鋼粗糙峰被壓扁變平,因而界面輪廓線波動最小。采用界面輪廓算術平均偏差定量表征界面輪廓形狀,如圖9b所示,靜壓復合前碳鋼、不銹鋼的輪廓算術平均偏差以及靜壓后界面輪廓算術平均偏差分別用圖中3種符號表示,對比各組中三者大小可以看出,界面輪廓算術平均偏差與不銹鋼基本一致,這同樣表明,復合后的界面形貌主要是由不銹鋼的形貌所決定。

    綜上所述,不銹鋼、碳鋼在靜壓復合過程中粗糙峰的變形形式是不同的,兩基體變形過程中的機理圖如圖10所示,較硬的不銹鋼粗糙峰隨著壓下量的增大逐漸嵌入進碳鋼基體內,而較軟碳鋼粗糙峰隨著壓下量的增大逐漸被壓扁。

    3表面形貌對界面復合過程影響的有限元模擬

    3.1有限元建模過程

    為進一步研究表面形貌對不銹鋼碳鋼復合質量的影響機制,將圖1中的三種實測二維形貌作為模型初始形貌,建立了考慮實際真實形貌的二維有限元仿真模型,模擬900℃條件下不銹鋼碳鋼的復合過程,在此溫度下材料力學性能如表5所示,模擬長度和厚度分別為1.76 mm0.05 mm。采用二維四節點的平面單元2。界面長度方向共640個網格,在保證計算精度的情況下提高計算效率,建模過程中將基體表面網格進行加密,而基體內部網格相對稀疏。在求解過程中固定不銹鋼上表面,在碳鋼下表面全部節點位移耦合,然后在各個節點上施加Y方向的均布載荷,直到總變形率達到40%為止。靜壓前后的有限元模型示意圖分別如圖11a11b所示。

    3.2靜壓后界面變形情況

    為驗證模型的可靠性,將有限元模擬靜壓后界面處節點位移進行提取并作圖描述界面輪廓線,如圖12所示,5組仿真模擬的不同表面初始形貌靜壓復合后的界面輪廓線,與圖9a所示的試驗結果相比,針對復合前后的表面粗糙度以及對應界面輪廓線的變化規律,模擬結果與試驗結果取得定性一致。

    靜壓后各組試樣在界面中部區域Y方向的應力云圖如圖13a13e所示。由于不銹鋼粗糙峰對碳鋼的釘扎作用,應力集中的區域主要出現在不銹鋼粗糙峰所在位置并沿界面斷續分布,如圖13a13c所示,隨著不銹鋼表面粗糙度的增大,粗糙峰所在區域的應力也逐漸增大,應力集中區域逐漸擴展。此外,對比圖13a13c13d可以看出,碳鋼表面粗糙峰被壓扁后并沒有明顯的應力集中區域。

    X方向的應變云圖如圖13f13j所示,其中應變量負值代表壓應變,正值代表拉應變,從圖中可以看出,各組碳鋼的變形比不銹鋼更顯著,應變最大的位置為粗糙峰接觸區域。圖13h和圖13f13g相比,不銹鋼表面粗糙度的增大一方面增大了粗糙峰接觸位置的應力,使該位置碳鋼更容易向兩側延伸,表現為拉應變的增加(13h中的應變大于0.23的區域),另一方面,兩粗糙峰之間碳鋼部分出現了較大的壓應變(13h中的應變在0.21左右的區域),這說明變形過程中不銹鋼粗糙峰的釘扎作用限制了碳鋼的水平延伸。對于碳鋼表面粗糙度最大的圖13i來說,碳鋼在變形過程中更容易向兩側延伸,界面兩側應變差異最明顯。

    3.3表面形貌對復合質量的影響機理分析

    靜壓復合過程中,在一定壓力下不銹鋼和碳鋼原子距離縮小到一定范圍時即可實現原子鍵合,因此,界面間足夠的法向接觸應力是實現金屬復合的必要條件。靜壓后材料界面位置Y方向平均接觸壓力及延伸差如圖14所示,對比圖14a7組仿真結果的界面應力可以發現,不銹鋼表面粗糙度的變化對Y方向平均接觸應力的影響更加明顯。不銹鋼表面粗糙度大的第37組界面附近平均應力最大,這為異種金屬復合提供了更多的能量,對結合質量的提高起到了促進作用。同時從靜壓復合過程中雙金屬真實接觸面積的角度上來說,相同壓下率條件下雙金屬的真實接觸線長度越長,意味著接觸面積越大,界面結合質量越好。

    在法向壓力產生的擠壓作用的同時,由于靜壓復合過程中碳鋼、不銹鋼的延展性有明顯差異,兩基體延伸不均會造成界面不同基體之間的相互滑動。如圖14b中所示,碳鋼表面粗糙度較大的后四組比前三組延伸差更大,碳鋼表面粗糙度的變化對延伸差的影響更加明顯。其中碳鋼表面粗糙度最高的第五組延伸差最大,這是由于碳鋼粗糙峰被壓平從而更容易沿界面流動造成的,而界面間產生的相對滑動對于復合是不利的。此外,第5組與第7組試樣相比,盡管碳鋼表面粗糙度相同,但第7組中不銹鋼形貌對碳鋼基體的釘扎作用使碳鋼沿界面水平流動變得困難,因而具有更小的相對延伸。

    以上研究表明,不銹鋼、碳鋼的表面形貌通過影響復合過程中結合區的變形從而影響雙金屬的結合行為,進而影響復合界面的結合質量。金屬本身的塑性變形能力是影響復合質量的關鍵,通過一定的表面處理工藝,可以起到增大界面間接觸壓力及減小相對滑動從而提高結合質量的效果。

    4結論

    (1)雙金屬受壓變形復合過程是從兩基材界面粗糙峰發生接觸變形開始的。隨著受壓變形的繼續,界面間的結合點進一步增加,初始接觸形成的空洞不斷收縮變小,從有限點的復合擴展到一定面積的復合,形成具有一定復合率和結合強度的復合材料。表面形貌對于軋制復合質量具有重要影響,預先制備表面形貌是控制提高軋制復合質量的可行技術手段。

    (2)表面形貌影響軋制復合質量的力學機理在于兩基材的變形能力與粗糙峰變形行為的差異。在復合過程中,隨著變形程度的增加,較硬材料的粗糙峰逐漸嵌入進較軟材料基體內,而較軟材料的粗糙峰則被壓扁變平,這使得復合界面輪廓線在細觀尺度上呈現具有一定規律的幾何構型。對于不銹鋼/碳鋼靜壓復合過程而言,該構型主要由較硬的不銹鋼形貌所決定。根據復合過程有限元模擬結果,不銹鋼表面粗糙度越大,變形過程中界面間接觸應力越大,這有利于提高該局部位置結合質量;反之,碳鋼的表面粗糙度越大,變形過程中被壓扁的碳鋼粗糙峰越容易沿界面流動,使得界面間相對滑動增加,對界面結合是不利的。

    (3)通過預先制備基材表面形貌可以有效提高界面復合質量,對于不銹鋼與碳鋼受壓形變復合而言,不銹鋼表面粗糙度越大、碳鋼表面粗糙度越小,界面復合質量越好。當然,針對不同的金屬基材配對,應根據兩個配對基材的相對軟硬,其中硬者表面采取高粗糙度,軟者表面采取低粗糙度,將有助于提高復合質量。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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