壓下率對不銹鋼復合板組織及結合強度的影響

陳生祿 ，朱 琳 ，劉 鑫 ，張 強

（1.太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

1 引言

不銹鋼復合板通常以普碳鋼或其他合金材料為基層，不銹鋼材料為復層，經(jīng)軋制法、爆炸法[1-3]或其他復合方法將其復合而成，既具有基層材料的強度和韌性，又具有不銹鋼的耐腐蝕性和耐磨性[4]?；陔p重性能的考慮，不銹鋼復合板在冶金、石油化工及日常生活等領域有極為廣闊的應用前景[5]。界面結合強度是評價不銹鋼復合板性能的主要指標。因此，復合板界面結合強度備受眾多學者研究。文獻[6]研究了不同壓下率對真空軋制復合鋼板組織與性能的影響。文獻[7]研究了真空軋制復合鋼板的結合強度，表明首道次壓下率的增加有利于改善復合板的結合強度及力學性能。對于不銹鋼復合板界面結合強度的評定方法有多種，但主要依據(jù)剪切試驗[8-9]、剝離試驗[10]來測定復合板的結合強度。

真空軋制復合工藝的研究雖具有一定的學術價值，但在工業(yè)應用中，真空軋制因其設備原因很難實現(xiàn)，采用界面抽真空制坯軋制復合板則容易被推廣到工業(yè)應用中，但該工藝目前在工業(yè)生產(chǎn)中成材率低，還亟待解決復合強度的問題。目前，采用該工藝研究壓下率對其晶粒大小、滑移現(xiàn)象及結合強度的影響相關報道少。因此，文中以304不銹鋼/Q235碳鋼為研究對象，采用界面抽真空軋制不銹鋼復合板，通過控制總壓下率工藝參數(shù)，研究復合板復合質量。并通過系列工藝參數(shù)獲得剪切強度與位移的關系曲線，利用拉剪斷口形貌特征分析其斷裂方式。

2 不銹鋼復合板制備工藝

2.1 制坯工藝

試驗采用 Q235 碳鋼作基材，原規(guī)格為（100×100×12）mm，采用 304不銹鋼作復材，原規(guī)格為（100×100×2）mm，基材和復材化學成分，如表1所示。首先在基層碳鋼坯料待復合面一端部和側面分別鉆一直徑為3mm和5mm的小孔，要求所鉆小孔底部能夠與基/復板按順序疊裝后構成的結合面相連通，然后將基/復材待結合表面用鋼絲刷機械式打磨處理其表面氧化物及雜質，再使用酒精清洗表面，待結合面處理干凈后將其疊裝，疊裝后的復合板坯料四周焊接并抽真空保持至1×10-2～1×10-3Pa，抽真空完全后用感應加熱器加熱碳鋼管局部，在加熱部位借助外力迅速密封，封閉抽真空口，制坯工序完成，得到界面抽真空處理狀態(tài)的不銹鋼復合板坯，如圖1所示。

表1 不銹鋼復合板基層、復層材料主要化學成分（質量分數(shù)，%）Tab.1 Main Chemical Composition of Base and Clad Materials of Stainless Steel（wt%）

圖1 真空狀態(tài)不銹鋼復合板坯料Fig.1 Vacuum of Stainless Steel Composite Plate Blank

2.2 軋制工藝

將界面抽真空處理狀態(tài)的不銹鋼復合板坯料在加熱爐中加熱到1250℃，保溫20min后進行兩道次軋制，本次試驗分四組軋制工藝進行研究。分別編號 1、2、3、4，1組壓下率為 25%和13.3%，總壓下率為35%；2組壓下率為30%和14.7%，總壓下率為40%；3組壓下率為35%和15.4%，總壓下率為45%；4組壓下率為40%和16.7%，總壓下率為50%；軋制速度為0.1m/s，復合板軋后空冷至室溫。具體軋制工藝，如表2所示。分別選取4組復合板中間部位沿著軋制方向切割金相試樣并拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕基材，并利用VHX-2000超景深顯微鏡觀察界面組織形貌。按照國標GB/T6396—2008制取不同軋制工藝下不銹鋼復合板剪切試樣，利用WDW-100型微機控制電子式萬能拉伸試驗機測量其界面結合強度，利用超景深顯微鏡觀察其斷口形貌。

表2 不銹鋼復合板軋制工藝參數(shù)Tab.2 Stainless Steel Clad Plate Rolling Process Parameters

3 研究結果與分析

3.1 復合界面組織

熱軋不銹鋼復合板結合界面顯微組織，如圖2所示。從圖中可以看到復合界面結合良好，近界面碳鋼側內(nèi)有寬約80μm的鐵素體帶，是因不銹鋼（0.04%）和Q235碳鋼（0.18%）的含C質量分數(shù)差異較大，構成大的濃度梯度，在高溫軋制狀態(tài)下，C元素由碳鋼側向不銹鋼側擴散，發(fā)生脫碳現(xiàn)象而形成脫碳層。對比分析圖2（a）～圖2（d）金相圖，隨著總壓下率的增加，碳鋼側鐵素體組織晶粒逐漸細小、均勻化，細小的珠光體分布在鐵素體周圍，其體積減小，數(shù)量卻增大，晶界的面積也越來越大，因為在大的軋制變形下，晶粒遭到破壞，晶界能增加，析出的碳化物更加細小、均勻。晶粒越細小，晶粒數(shù)越多以及晶界的面積越大，可提高不銹鋼復合板的屈服強度。同時晶界既可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形趨于均勻化，也可阻止裂紋的擴展，有效的改善不銹鋼復合板的塑性和韌性。

但同時也發(fā)現(xiàn)隨著壓下率的增加，塑性變形到一定程度，晶體在切應力作用下在其表面出現(xiàn)許多相互平行的線條，如圖2（c）、圖2（d）所示。說明碳鋼側晶體發(fā)生不同程度的晶內(nèi)滑移，且隨壓下率的增加，晶內(nèi)滑移更加明顯，在鐵素體中出現(xiàn)滑移帶。當壓下率為50%時，可觀察到部分晶間滑移現(xiàn)象，因為晶間處的塑性變形抗力遠高于晶粒本身。晶界處原子排列紊亂，晶格畸變較大，且雜質常存在其間，使滑移過程中的位錯移動受到阻礙。

3.2 結合界面處剪切強度曲線的測定與分析

按照國標GB/T6396—2008相關規(guī)定取復合板中間部分作為剪切試樣，拉剪試樣及斷裂試樣，如圖3（a）所示。不同壓下率下不銹鋼復合板界面剪切強度與位移的關系曲線如圖4所示。按照剪切強度計算公式得出在總壓下率為50%時，不銹鋼復合板結合界面處的剪切強度達到459.6MPa，遠超過GB/T 8165—2008規(guī)定不銹鋼復合板剪切強度最小值210MPa。

圖2 不同軋制壓下率不銹鋼復合板復合界面金相組織Fig.2 Microstructure of Composite Interface of Stainless Steel Composite Plate Under Different Rolling Reduction Rate

圖3 拉剪試樣尺寸和斷裂前后試樣宏觀形貌Fig.3 The Size of Sample and the Macroscopic Morphology of the Shear Sample Before and after the Fracture

圖4 不同軋制壓下率下復合板界面的剪切曲線Fig.4 Shear Curved of Composite Panel Interface under Different Rolling Reduction Ratio

從剪切曲線來看，圖4（a）中復合界面到剪切強度最高點時有較為明顯的弧頂，說明其斷裂方式為韌性斷裂，塑性較好。圖4（b）、圖4（c）中剪切強度到達最高點時弧頂不明顯，斷裂方式為脆性斷裂+韌性斷裂。圖4（d）中剪切強度到達最高點時弧頂最小，斷裂方式為脆性斷裂，說明在壓下率為50%時，滑移現(xiàn)象引起的加工硬化最為嚴重，塑性和韌性嚴重降低。不同壓下率的不銹鋼復合板復合界面剪切強度隨壓下率的增加而呈增加的趨勢，如圖5所示。但增加的幅度逐漸減緩。

圖5 復合界面處壓下率與剪切強度的關系Fig.5 The Relationship Between the Reduction Ratio and the Shear Strength on the Composite Interface

當總壓下率為50%時，剪切強度達到最大值，說明在大軋制力下可更好的破碎界面氧化物及雜質，使其界面兩側更多新鮮金屬牢固的實現(xiàn)冶金結合，更好的提高不銹鋼復合板的結合強度。

3.3 不銹鋼復合板剪切斷口形貌分析

為進一步研究不銹鋼復合板的剪切性能，對剪切斷口形貌特征進行觀察，復合板界面剪切斷口形貌，如圖6所示。

圖6 不同軋制壓下率不銹鋼復合板界面處剪切斷口形貌Fig.6 Shear Fracture Morphology at Interface of Stainless Steel Composite Plate under Different Rolling Reduction Ratio

圖6（a）中可以看到斷口呈現(xiàn)出由高低不平的解離臺組成的河流花樣和韌窩，斷口呈纖維狀，其斷裂方式為脆性斷裂+韌性斷裂。從圖6（b）中可以看到斷口呈現(xiàn)出粗糙、明顯的條狀和面狀撕裂痕跡，是因為復合界面處發(fā)生大量元素擴散現(xiàn)象，碳鋼中的碳原子擴散到近界面不銹鋼側，不銹鋼中Cr、Ni原子擴散到近界面碳鋼側，造成界面反應生成大量的C-Cr-Ni化合物，當進行剪切試驗時，這些化合物與一側界面相連卻與另一側界面撕裂。因碳原子體積小，在鐵晶格中擴散速度較大，容易擴散到晶界形成碳化物。由于碳與鉻的親和力比較大，在晶界形成碳化鉻的可能性更大，且在近界面不銹鋼處析出的碳化物遠比近界面碳鋼處多。這些碳化物大多為脆硬相，因此其斷裂方式為脆性斷裂。

4 結論

（1）不銹鋼復合板界面結合良好，近界面碳鋼側形成脫碳層，遠界面處為鐵素體+珠光體組織。隨著軋制壓下率的增加，晶粒更加細小、均勻，晶界面積增大，可有效地提高不銹鋼復合板的強度。同時晶界既可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形趨于均勻化，也可阻止裂紋的擴展，有效的改善不銹鋼復合板的塑性和韌性。

（2）當壓下率為45%時，碳鋼側晶體發(fā)生不同程度的晶內(nèi)滑移，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。且隨壓下率的增加，晶內(nèi)滑移更加明顯，在鐵素體中出現(xiàn)滑移帶。壓下率為50%時，可觀察到部分晶間滑移現(xiàn)象。因此，一定程度的增大軋制壓下率可有效改善不銹鋼復合板的塑性和韌性，但較大的軋制壓下率會使不銹鋼復合板產(chǎn)生嚴重的加工硬化現(xiàn)象，降低不銹鋼復合板的塑性和韌性。

（3）不銹鋼復合板結合強度最低可達305.9MPa，均高于國標規(guī)定的最小值210MPa，且結合強度隨壓下率的增加呈逐漸增加的趨勢，增加的趨勢逐漸減緩。當壓下率為45%時，界面結合強度高達406.5MPa，不銹鋼復合板塑性較好。