熱軋不銹鋼復(fù)合板沖擊性能研究

張心金,郭秀斌，孟慶領(lǐng)，何 毅,李萌蘗

(中國一重能源裝備材料科學(xué)研究所，天津， 300457)

熱軋不銹鋼復(fù)合板沖擊性能研究

張心金,郭秀斌，孟慶領(lǐng)，何 毅,李萌蘗

(中國一重能源裝備材料科學(xué)研究所，天津， 300457)

研究在不同復(fù)合比及溫度條件下沖擊載荷對熱軋不銹鋼復(fù)合板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，熱軋復(fù)合板隨覆層厚度增大或試驗溫度升高，其沖擊吸收能增大，覆層厚度為8 mm時，沖擊功達(dá)到穩(wěn)定值150 J；碳鋼層斷面為解理面與韌窩混合斷裂形貌，不銹鋼層斷面為韌窩斷裂形貌，靠近復(fù)合界面不銹鋼側(cè)呈沿晶斷裂與韌性斷裂形貌；復(fù)合界面處開裂情況對缺口位置不敏感；熱軋不銹鋼復(fù)合板沖擊加載過程復(fù)合界面不易開裂。

不銹鋼復(fù)合板；熱軋；沖擊功；斷裂；中間夾層；力學(xué)性能

隨著熱軋復(fù)合技術(shù)的不斷發(fā)展，熱軋不銹鋼復(fù)合板已廣泛用于石油、化工、造船等工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。生產(chǎn)實際情況表明，熱軋復(fù)合板在后續(xù)加工使用過程中所承受的外力沖擊，不僅會影響基層材料的力學(xué)性能，還會對結(jié)合界面處的結(jié)合性能有較大影響。因此，本文以熱軋不銹鋼Q345/316復(fù)合板為研究對象，研究在不同復(fù)合比及溫度條件下沖擊載荷對熱軋不銹鋼復(fù)合板力學(xué)性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗方法

不銹鋼復(fù)合板為Q345低碳鋼(基層)和316不銹鋼(覆層)經(jīng)熱軋復(fù)合而成。Q345/316復(fù)合板經(jīng)1200℃保溫2h后軋制，總壓下量35%，軋后空冷至室溫，終軋厚度為77mm(覆層厚11mm，基層厚66 mm)。不銹鋼復(fù)合板化學(xué)成分如表1所示。不銹鋼復(fù)合板沖擊試樣如圖1所示。圖1中，A面垂直于不銹鋼層厚度方向，B面平行于復(fù)合板厚度方向，C面垂直于碳鋼層厚度方向。分別在不銹鋼復(fù)合板沖擊試樣A面、B面和C面上開V形缺口。取樣位置及試樣制備參照GB/T2975—1998，試樣缺口及試樣尺寸參照GB/T229—2007。

表1 不銹鋼復(fù)合板化學(xué)成分(wB/%)

Table 1 Chemical compositions of stainless steel composite plate

1.2 檢測分析

根據(jù)GB/T4334—2008對試樣不銹鋼層進(jìn)行腐蝕。用200MAT金相顯微鏡觀察試樣顯微組織，用Quanta400掃描電鏡(SEM)觀察試樣斷口形貌，用能譜儀(EDS)分析試樣斷口夾雜物成分。用CBD-500電子式擺錘沖擊試驗機(jī)對試樣進(jìn)行沖擊試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 界面組織形貌

不銹鋼復(fù)合板界面組織形貌如圖2所示。從圖2中可看出，腐蝕后的Q345碳鋼層與316不銹鋼層中間出現(xiàn)一條復(fù)合界面，該復(fù)合界面分為Ⅰ區(qū)(鐵素體+珠光體)和Ⅱ區(qū)(鐵素體)兩個區(qū)域。由于Q345碳鋼層含C量遠(yuǎn)高于316不銹鋼層，因而在加熱軋制冷卻過程中，C元素從碳鋼層向不銹鋼層擴(kuò)散，并在碳鋼層靠近復(fù)合界面?zhèn)刃纬蓪捈s100 μm的脫碳區(qū)。此外還在不銹鋼層靠近復(fù)合界面?zhèn)刃纬稍鎏紖^(qū)，腐蝕結(jié)果顯示為明顯的晶間腐蝕區(qū)。這是由于基層中C元素擴(kuò)散至覆層，導(dǎo)致不銹鋼層中大量Cr的碳化物沿晶界析出，形成不銹鋼晶間腐蝕。GB/T4334—2008關(guān)于不銹鋼晶間腐蝕試驗方法認(rèn)定，當(dāng)不銹鋼靠近界面?zhèn)染чg腐蝕嚴(yán)重時，將會形成以晶界為腐蝕溝、部分晶粒被腐蝕溝包圍及全部晶粒被腐蝕溝包圍3類情形的擴(kuò)散帶。這些擴(kuò)散帶影響著不銹鋼復(fù)合板的結(jié)合性能，導(dǎo)致使用過程中界面腐蝕開裂[3]。

為了避免C元素擴(kuò)散所致不銹鋼層Cr的碳化物形成，可以在碳鋼層與不銹鋼層間加入一層Ni箔[4-5]。加入Ni層后不銹鋼復(fù)合板界面組織形貌如圖3所示。從圖3中可以看出，不銹鋼層靠近復(fù)合界面處晶間腐蝕區(qū)不明顯。

Fig.2 Optical microstructures of the interfacial layers in stainless steel clad plate

2.2 沖擊性能

不銹鋼復(fù)合板沖擊吸收能曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，隨不銹鋼層厚度的增大或試驗溫度的升高，3種開口形式的不銹鋼復(fù)合板沖擊吸收能均呈增大趨勢。0 ℃下不銹鋼層厚度為8 mm時，其沖擊吸收能達(dá)穩(wěn)定值150 J，而低碳鋼的沖擊吸收能為41 J，由此可見， 316不銹鋼在0 ℃時的沖擊韌性遠(yuǎn)高于Q345低碳鋼，這是由于316不銹鋼為奧氏體型不銹鋼，其在室溫和低溫下的沖擊韌性非常優(yōu)良。

Fig.3 Optical microstructure of the interfacial layers in stainless steel clad plate after adding Ni layer

Fig.4 Impact absorbing energy curves of stainless steel clad plate

2.3 斷口形貌

缺口位于A面時材料斷口SEM照片如圖5所示，缺口位于B面時材料斷口SEM照片如圖6所示，缺口位于C面時材料斷口SEM照片如圖7所示，缺口位于C面時不銹鋼斷口韌窩內(nèi)夾雜物EDS圖譜如圖8所示。從圖5～圖7中可以看出，試樣碳鋼層斷面整體以解理為主，呈扇形河流花樣，并含有韌窩的混合斷裂；不銹鋼層斷面整體呈韌性斷裂，含大量韌窩；靠近復(fù)合界面處不銹鋼側(cè)一定寬度內(nèi)呈沿晶斷裂與韌性斷裂；斷裂裂紋主要沿垂直主拉伸應(yīng)力方向擴(kuò)展，復(fù)合界面局部區(qū)域呈現(xiàn)混合斷口形貌；除斷口形貌差別外，復(fù)合界面處均未出現(xiàn)開裂，表明復(fù)合界面處的開裂情況對缺口位置不敏感。從圖8中可以看出，點1處含有Al2O3夾雜物，點2處含有MnS夾雜物。該夾雜物主要由原始界面氧化物引入而形成，并隨熱軋的進(jìn)行逐步移至復(fù)合界面偏不銹鋼層內(nèi)[6]。

(a)-20 ℃ (b)0 ℃ (c)20 ℃

圖5 缺口位于A面時材料斷口外觀及SEM照片

Fig.5 Surface topographies and SEM images of the fracture when the notch is located on A surface of specimen

(a)-20 ℃ (b)0 ℃ (c)20 ℃

圖6 缺口位于B面時材料斷口外觀及SEM照片

Fig.6 Surface topographies and SEM images of the fracture when the notch is located on B surface of specimen

(a)-20 ℃ (b)0 ℃ (c)20 ℃

圖7 缺口位于C面時材料斷口外觀及SEM照片

Fig.7 Surface topographies and SEM images of the fracture when the notch is located on C surface of specimen

圖8 20 ℃下缺口位于C面時不銹鋼斷口韌窩內(nèi)夾雜物的EDS圖譜

Fig.8 EDS spectra of inclusions in dimple of stainless steel when the notch is located on C surface of specimen at 20 ℃

2.4 沖擊加載過程受力分析

為觀察熱軋復(fù)合試樣沖擊加載過程的應(yīng)力變化，與具有相同復(fù)層厚度的爆炸復(fù)合試樣作對比，利用ABAQUS軟件對兩種試樣進(jìn)行沖擊數(shù)值模擬。兩種試樣沖擊加載過程Mises應(yīng)力云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，熱軋復(fù)合試樣結(jié)合界面平直，當(dāng)沖擊刃頭接觸試樣不銹鋼側(cè)時，沖擊載荷使不銹鋼層發(fā)生塑性變形，繼而擴(kuò)展至結(jié)合界面處，由于基層和覆層材質(zhì)及韌性的差異，會出現(xiàn)變形差，若碳鋼層與不銹鋼層結(jié)合良好，則兩者變形差較小，結(jié)合界面不易開裂，載荷繼續(xù)向碳鋼層擴(kuò)展直至斷裂；反之，則兩者變形差較大，形成界面開裂。爆炸復(fù)合試樣的結(jié)合界面為鋸齒狀，與沖擊載荷形成一定的受力角，因而在沖擊載荷前端結(jié)合界面處形成剪切力，從而引起結(jié)合界面處應(yīng)力集中，隨著沖擊載荷的繼續(xù)傳遞，其應(yīng)力集中區(qū)向兩側(cè)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)合界面開裂，這與Ramazan Kacar等[7]的研究結(jié)果相似。相同載荷下，由于熱軋復(fù)合試樣的復(fù)合界面與沖擊載荷方向垂直，不易形成界面剪切應(yīng)力，與爆炸復(fù)合試樣相比，較大程度上減小了結(jié)合界面處的開裂[8-9]。上述加載過程應(yīng)力變化結(jié)果表明，熱軋復(fù)合板界面結(jié)合良好，沖擊斷口不易在結(jié)合界面處開裂。

Fig.9 Mises stress nephograms of two kinds of impact specimen

3 結(jié)論

(1)熱軋不銹鋼復(fù)合板隨覆層厚度增大或試驗溫度升高，沖擊吸收能增大，覆層厚度為8 mm時，沖擊功達(dá)穩(wěn)定值150 J。

(2)熱軋不銹鋼復(fù)合板碳鋼層斷面為解理與韌窩混合斷裂形貌，不銹鋼層斷面為韌窩斷裂形貌，靠近復(fù)合界面不銹鋼側(cè)呈沿晶斷裂與韌性斷裂形貌。

(3)熱軋不銹鋼復(fù)合板復(fù)合界面處的開裂情況對缺口位置不敏感。

(4)熱軋不銹鋼復(fù)合板沖擊加載過程復(fù)合界面不易開裂。

[1] 李龍, 張心金, 劉會云, 等. 不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用[J]. 軋鋼, 2013, 30(3): 43-47.

[2] Long Li, Fuxing Yin, Kotobu Nagai. Progress of laminated materials and clad steels production[J]. Materials Science Forum, 2011, 675-677: 439-447.

[3] 謝廣明, 駱宗安, 王光磊, 等. 真空軋制不銹鋼復(fù)合板的組織和性能[J]. 東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2011, 32(10): 1398-1401.

[4] 郭昭君. 不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的中間夾層生產(chǎn)工藝研究[D]. 大連：大連交通大學(xué)， 2007.

[5] 張心金,李龍,劉會云, 等. 中間夾層在金屬復(fù)合板制造過程中的應(yīng)用[J]. 軋鋼， 2013, 30(6): 45-49.

[6] 李龍，張心金，劉會云，等. 熱軋不銹鋼復(fù)合板界面氧化物夾雜的形成機(jī)制[J].鋼鐵研究學(xué)報，2013，25(1)：43-47.

[7] Ramazan Kacar, Mustafa Acarer. An investigation on the explosive cladding of 316L stainless steel-din-P355GH steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 152: 91-96.

[8] A Khodadad Motarjemi, M Kocak, V Ventzke. Mechanical and fracture characterization of a bi-material steel plate[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2002, 79: 181-191.

[9] 李炎, 祝要民, 吳逸貴, 等. 爆炸復(fù)合板與軋制復(fù)合板界面結(jié)構(gòu)的研究[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用，1996, 11(1): 24-31.

[責(zé)任編輯 彭金旺]

Impact properties of hot rolled stainless steel clad

ZhangXinjin,GuoXiubin,MengQingling,HeYi,LiMengnie

(Materials Research Institute for Energy Equipments, China First Heavy Industries, Tianjin 300457, China)

The effect of impact load on the mechanical properties of hot-rolled stainless steel clad under different clad ratios and temperature conditions was studied. The results show that the impact absorbed energy increases with the increment of cladding thickness or temperature, and when the cladding thickness is 8 mm, the impact energy reaches 150 J.The fracture surface of carbon steel is mixture morphologies of cleavage surface and tough dimple, and that of stainless steel is dimple.The intergranular and ductile fractures occur near stainless steel side at the composite interface.The cracking at the interface of material is not sensitive to the notch position,and the composite interface of hot-rolled stainless clad is not easy to crack during the impact loading.

stainless steel clad; hot rolling; impact energy; fracture； insert layer; mechanical property

2015-01-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2013AA031302).

張心金(1984-)，男，中國一重能源裝備材料科學(xué)研究所工程師.E-mail:88xjbb@163.com

TG335.8+1;TG142.71

A

1674-3644(2015)03-0169-05