施壓加工對(duì)爆炸復(fù)合板力學(xué)性能的影響

王凱

摘 要：文章通過(guò)爆炸復(fù)合板的金相和顯微硬度分析，討論了施壓加工對(duì)不銹鋼與碳鋼復(fù)合板性能的影響，結(jié)果表明：該復(fù)合板具有足夠高的硬度，能承受施壓加工時(shí)較大的塑性變形，施壓后復(fù)合板整體硬度升高，而加熱只對(duì)不銹鋼起到部分去應(yīng)力的作用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合板；試壓加工；力學(xué)性能

液態(tài)化學(xué)物質(zhì)的存儲(chǔ)容器和反應(yīng)釜通常由耐高壓抗腐蝕的材料制成，為節(jié)約成本，多采用復(fù)合板。內(nèi)壁用耐腐蝕的不銹鋼，外壁用普通碳鋼，通過(guò)爆炸加工復(fù)合而成。

1 爆炸法生產(chǎn)復(fù)合材料的原理

爆炸法生產(chǎn)復(fù)合材料，做為業(yè)內(nèi)人士還有一定的了解，作為外行人可能就一無(wú)所知了。從專(zhuān)業(yè)角度講，它是以民用炸藥作為基礎(chǔ)能源，通過(guò)爆炸直接使能量釋放在要復(fù)合的板材上，與此同時(shí)才碰撞過(guò)程中發(fā)生各種能量轉(zhuǎn)換，最后達(dá)到基板與復(fù)板的結(jié)合。通過(guò)爆炸產(chǎn)生的能量，爆炸焊接工藝能在金屬板之間形成合金焊接層。在爆炸焊接前，需將金屬表面清理干凈，水平放置并固定，復(fù)板上按照一定的順序放置一層調(diào)配好的炸藥，爆炸開(kāi)始時(shí)，爆轟波界面迅速掠過(guò)復(fù)板表面，并在特定的條件下將復(fù)板壓在下面的基板上，整個(gè)過(guò)程時(shí)間很短，沒(méi)有產(chǎn)生熱量的傳遞，基板也沒(méi)有受到很大的加熱，因此金屬的性能保持不變，該工藝能在整個(gè)焊接平面上產(chǎn)生高強(qiáng)度、高韌性的合金焊接層。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，爆炸焊接一直是異金屬焊接可靠且可行的解決方案。所形成的復(fù)合板最大優(yōu)勢(shì)是降低成本且保證其使用性能。

2 復(fù)合板的金屬間結(jié)合

爆炸復(fù)合時(shí)，爆轟波可以將熔點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)和強(qiáng)度相差很大的覆板與基板牢固的粘接在一起，通過(guò)控制爆炸符合參數(shù)，界面可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的冶金結(jié)合。金屬?gòu)?fù)合界面有3種結(jié)合形式：金屬間形成連續(xù)的直線(xiàn)結(jié)合，金屬間形成均勻的熔化層，金屬間形成波紋狀結(jié)合。其中波紋狀接合面強(qiáng)度較高。對(duì)不銹鋼和碳鋼復(fù)合界面進(jìn)行金相分析觀察界面的結(jié)合情況。結(jié)果表明，爆炸復(fù)合界面為良好的波紋裝結(jié)合，試樣力學(xué)性能好，金屬間結(jié)合緊密。

復(fù)合后對(duì)板進(jìn)行無(wú)損探傷，如發(fā)現(xiàn)疵病，需打磨并補(bǔ)焊，再進(jìn)行去應(yīng)力退火并校平。

3 施壓加工對(duì)符合界面的影響

制罐時(shí)復(fù)合板在外力作用下彎曲成形，覆板被壓縮，基板受拉力作用，產(chǎn)生塑性變形。卷成圓桶后接口處焊接而成罐體，而罐體體積較大，此時(shí)不便放入爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，故用乙炔焰進(jìn)行去應(yīng)力退火，保證焊縫不會(huì)開(kāi)裂。

彎曲成形時(shí)基板斷面收縮率為2.8%，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)基覆板間波紋狀界面波峰略被壓低，但界面仍保持良好的結(jié)合狀態(tài)，不存在分層缺陷，爆炸復(fù)合界面具有足夠高的強(qiáng)度，可以承受諸如壓力加工產(chǎn)生的塑性變形。

4 施壓加工前后的顯微硬度變化

施壓加工前后材料的性能變化可由硬度的變化反映出來(lái)，測(cè)定了施壓加工前后爆炸復(fù)合板界面兩側(cè)的顯微硬度，可以看出，界面附近的硬度高一些，隨著界面距離的增加硬度值下降，到一定距離后硬度值趨于穩(wěn)定，硬度升高區(qū)約為0.2-0.3毫米寬。爆炸復(fù)合時(shí)，復(fù)合界面高速碰撞產(chǎn)生極高的壓力，復(fù)合界面兩側(cè)的金屬受到強(qiáng)烈的壓縮作用，產(chǎn)生劇烈的塑性變形，使界面兩側(cè)的金屬產(chǎn)生不同程度的加工硬化，表現(xiàn)為界面兩側(cè)硬度升高。硬度的高低反映了塑性變形的劇烈程度。距界面越近，塑性變形程度越大，硬度值越高，遠(yuǎn)離界面處，材料沒(méi)有發(fā)生塑性變形，硬度趨于定值。

施壓加工后的顯微硬度分布規(guī)律與施壓加工錢(qián)一致，但硬度值普遍升高。其原因是施壓加工時(shí)復(fù)合板整體塑性變形，材料內(nèi)位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)之間相互纏結(jié)形成胞狀結(jié)構(gòu)，使不動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量增加。造成材料的應(yīng)變強(qiáng)化，使硬度值均勻升高。

5 加熱對(duì)復(fù)合板施壓加工后顯微硬度的影響

施壓加工時(shí)的塑性變形是材料加工硬化，塑性降低，一小部分能量以增加金屬中的點(diǎn)陣缺陷和彈性應(yīng)變的形式儲(chǔ)存在金屬內(nèi)，使其在熱力學(xué)上處于一種不穩(wěn)定的亞穩(wěn)定狀態(tài)，將塑性變形后材料加熱，可消除殘余應(yīng)力，使材料的塑性得以恢復(fù)，施壓加工后的罐體在熱處理后碳鋼基板的顯微硬度有所降低，因其再結(jié)晶速度較快，完全再結(jié)晶后塑性得到回復(fù)。硬度降到最低。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析，得出以下結(jié)論：（1）不銹鋼與碳鋼復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度很大，可以承受較大的塑性變形加工。施壓加工后使復(fù)合界面波峰有所降低，但結(jié)合強(qiáng)度仍很大。（2）施壓加工使復(fù)合板整體硬度有所提高。（3）由于不銹鋼和碳鋼的熔點(diǎn)有一定的差異，對(duì)不銹鋼只能部分去除應(yīng)力，而碳鋼完全再結(jié)晶。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭哲敏，楊振聲.爆炸加工與焊接技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

[2]劉忠清，劉凱.異種金屬焊接技術(shù)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.