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2012-4-7 8:40:34金属爆炸复合材料的热处理

热处理是单金属材料为获得一定组织和性能的重要加工工序，也是金属爆炸复合材料为获得一定组织和性能的重要加工工序。这类材料的热处理类型亦有退火、淬火、回火、正火和时效等。本文以几种爆炸复合板的退火为例，讨论与此有关的问题。  
　　1试验用材  
　　本试验使用了如下几种爆炸复合板：钛-钢、不锈钢-钢、镍-钛、镍-不锈钢、铜-铝、铜-LY12、铜-LY2M和锆-钢等。  
　　2试验方法  
　　将上述爆炸复合板样品的坯料按表1所示的工艺进行退火热处理。然后开展如下工作：  
　　(1)将上述坯料的一部分用爆炸焊接的金相技术制成金相样品，在金相显微镜下观察不同退火工艺下复合板结合区的微观组织，并摄制相应的金相照片。  
　　(2)用上述钛-钢、不锈钢-钢、镍-钛和镍-不锈钢复合板的坯料制成剪切试样，在万能材料试验机上测试其剪切强度，并绘制这些数据在不同退火工艺下的变化曲线。  
　　(3)用钛-钢、不锈钢-钢、镍-钛和镍-不锈钢复合板的金相样品，按预定的程序和方法在显微硬度计上测量显微硬度，并绘制相应材料的结合区显微硬度分布曲线。  
3.1复合板的结合区组织  
　　由图1可见，钛-钢复合板结合区的微观形貌在退火以后发生了明显的变化。图1a为退火以前、即爆炸态的组织形态。由该图可见，其结合界面为波形形状。这种波形界面是爆炸焊接复合材料的过渡区所特有的。由该图还可见，波形界面的两侧出现了两种不同形式的塑性变形组织，在钢侧，这种变形表现为晶粒被拉长，就象常规轧制加工中的变形纤维一样。并且，在界面附近变形程度最严重，随着与界面距离的增加变形程度减弱。在波形以下的地方呈现出钢的原始组织，还可见到一些双晶。在高倍放大的情况下，在界面上可观察到亚晶粒和类似再结晶的等轴晶粒。在钛侧，金属的变形以从界面飞向钛内的“飞线”形式出现。这种飞线即绝热剪切线，实质上是一种特殊形式的塑性变形线［1］。钛内的双晶比钢内多。波前有一个漩涡区，这里汇聚了爆炸焊接过程中形成的大部分熔化金属，其中少量分布在波脊上，其厚度以μm计。具有如此特征的结合区即为爆炸焊接金属复合材料的焊接过渡区。  
　　退火后，结合区内的组织形态发生了许多变化：500℃时钛侧的飞线消失，钛开始再结晶，而钢侧的变形流线尚存(图1b)。600℃下退火钛的晶粒在长大；钢侧个别地方虽仍有变形流线，然而绝大部分也开始了再结晶，珠光体数量减少(图1c)。700℃退火时，钢中的变形组织完全消失，珠光体也消失，晶粒在长大；钛的晶粒则长得更大一些(图1d)。800和850℃退火后钛和钢的晶粒还在长大，此时在它们的界面上出现一种断续的团状新相区(图 1e、f)。900℃时那种新相区已连接成带(图1g)。此时，由于钢中的铁向钛侧扩散，使钛的α→β相变温度升高，即在此温度下还未发生那种相变(该相变温度为882℃)。当温度升到1000℃后，钛侧便由α-Ti转变成β-Ti。并且，由于铁、碳和钛元素通过界面的彼此扩散，使得界面上及其两侧出现若干有明显区别的组织形态区(图1h)，即含有大量金属间化合物的中间层。
                                
              
　　表1几种爆炸复合板的退火工艺  
   

    
   

    
        
            复合材料
            退火温度／℃
            保温时间／h
        
        
            钛-钢不锈钢-钢镍-钛镍-不锈钢锆-钢铜-铝铜-LY12 铜-LY2M
            500 500 500 500 500 300 300 300
            600 600 600 600 600 350 350 350
            700 700 700 700 700 400 400 400
            800 800 800 800 800 450 450 450
            850 900 900 900 900 500 500 500
            900 1000 1000 1000 1000 550 550 550
            1000 1100
            1 1 1 1 1 0.5 0.5 0.5
        
    
  
   
　　由于试样退火后是空冷，金属在高温下的组织形态基本上都保留下来。这种处理方法对研究类似的课题颇为有利。  
　　图2显示了另一些爆炸复合板在高温热处理后的结合区形貌。其中图2a～e显示出与图1h相似的中间层。这些中间层是基体金属的原子在高温下剧烈扩散和化合形成的，其内含有它们在高温下所能形成的所有的金属间化合物［2，3］。而对于图2f所示的情况来说(还有不锈钢-钢和镍-钢等双金属)，尽管退火温度很高，但它们的结合界面没有出现上述中间层。高温退火后，除了基体金属发生再结晶和晶粒长大之外，结合界面(包括波形)没有发生明显的变化。  
　　图2高温退火后几种复合板结合区的微观形貌(均缩小1倍)  
   

   
   
　　(a)铜-LY2M550℃退火×100(b)铜-LY12550℃退火×100(c)镍-钛1000℃退火×50(d)锆-钢1000℃退火×100(e)铜-铝550℃退火×50(f)镍-不锈钢1100℃退火×50  
　　3.2复合板的力学性能  
　　在不同工艺下退火以后，爆炸复合板的结合区发生了如上所述的不同的组织变化。这些变化必然地反映到它们的力学性能上来。试验结果如图3～图6所示。  
   

   
   
　　图3不锈钢-钢(1)和钛-钢(2)爆炸复合板剪切强度随退火温度的变化(爆为爆炸态)  
   

   
   
　　图4镍-不锈钢(1)和镍-钛(2)爆炸复合板剪切强度随退火温度的变化(爆为爆炸态)  
　　图3和图4为4种爆炸复合板在剪切试验中剪切强度的变化情况。由图3、4可见，不锈钢-钢和镍-不锈钢两种复合板的剪切强度随退火温度的升高变化不很大。而钛-钢和镍-钛两种复合板在同样的试验中，剪切强度随退火温度的升高而急剧地下降。研究指出，这两种不同类型的复合板在试验中力学性能如此不同的差异，与它们在上述的同样条件下结合区的组织变化密切相关：前者结合区内无金属间化合物的中间层，而后者却有厚实的这种中间层。性质硬脆的中间层的存在必然严重地削弱基体金属之间的结合强度。并且，退火温度越高和保温时间越长，这种中间层越厚，它们对双金属的结合强度的影响越大。
                                
              
　　图5退火对钛-钢(a)和不锈钢-钢(b)  
   

   
   
　　爆炸复合板结合区显微硬度分布的影响  
　　1.爆炸前2.爆炸后3.600℃退火4.800℃退火5.1000℃退火  
   

   
   
　　图6退火对镍-钛(a)和镍-不锈钢(b)爆炸复  
　　合板结合区显微硬度分布的影响  
　　1.爆炸前2.爆炸后3.600℃退火4.800℃退火5.1000℃退火  
　　图5和图6为上述4种爆炸复合板在不同工艺下退火后结合区的显微硬度分布曲线。由图可见，爆炸态下的结合区内的硬度均高于原始供纲态复合板两种材料的硬度，并且界面位置最高。这是结合区内，特别是界面附近金属强烈的塑性变形(爆炸加工硬化)所致。退火过程中，随着加热温度的繁荣昌升高，由于应力消除和再结晶，结合区内的硬度逐渐下降。加热温度越高，这种下降越大。但是，当温度为1000℃时将出现两种情况：对于钛-钢和镍-钛等结合区内生成金属间化合物的金属组合来说，此时界面上的硬度突然升高很多；对于不锈钢-钢和镍-不锈钢等结合区内不生成金属间化合物的金属组合来说，一般地此时的硬度最低，并处于原始供货态的硬度附近或以下(普通钢的供货态可能为正火态，其硬度高于退火态的)。  
　　4试验结果讨论  
　　4.1爆炸复合材料热处理的特点  
　　金属爆炸复合材料的热处理与单金属材料的热处理相比有许多相似之处。例如，都是以一定的加热速度将材料加热到预定高的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以一定的速度冷却。全过程在空气中、在真空中或在其他介质(水、油)中进行。以退火为例，分高温、中温和低温退火。目的亦为再结晶或消除应力等。根据不同的材料、组织、状态和性能的要求进行不同工艺下的热处理。  
　　爆炸复合材料的热处理也有它的特殊之处，那就是首先必须考虑组成复合材料的两种和多种组元，各自的熔点和再结晶温度、强度和塑性、耐蚀性和耐磨性、比热和热胀系数等物理及化学性能，特别是它们在高温下相互作用的特性。从而正确地设计热处理的工艺参数和预计热处理对它们的结合区组织、结合强度和各自基体组织及性能的影响等等。  
　　爆炸复合材料的热处理及其工艺参数的制订，要正确地处理好上述众多矛盾，在千差万别的金属组合中做到工艺、组织和性能的统一，为爆炸复合材料的正常使用提供可靠的组织和性能的保证。  
　　4.2爆炸复合材料的退火  
　　退火是爆炸复合材料后续加工中一个使用较多的重要工序。这类材料的退火有3个目的：  
　　第一，消除在爆炸焊接过程中在复合材料的表面、界面、底面和基体内部形成的不同方向及大小的残余应力，包括用爆炸复合材料制造的设备和构件的焊缝中的残余应力。此种退火温度最低。  
　　第二，消除爆炸硬化和爆炸强化，为复合材料后续的机械加工创造条件。对于原始硬度和强度较高的金属材料来说，它们的爆炸硬化和爆炸强化的趋势更强烈。此时，这种退火尤其重要。它们的退火温度较高。  
　　第三，再结晶退火。这种退火在不严重损失复合材料的结合强度的情况下，使结合区、复层和基层的变形组织最大限度地进行再结晶，从而为它们后续的压力加工、机械加工和使用创造条件。在压力加工过程中有时还会进行中间退火。最终产品有时还要进行成品退火(软态)。此种退火温度最高。  
　　爆炸复合材料的退火工艺就是根据上述不同的目的而制订的。大量实践经验指出，制订这类材料的退火工艺的原则是首先考虑金属组合中熔点最低者的熔点，其次考虑组合金属中以主要元素为依据的相图内是固溶体还是包含有金属间化合物，或者两者均有。特别是在高温下退火时尤其重要。
                                
              
　　图5退火对钛-钢(a)和不锈钢-钢(b)  
   

   
   
　　爆炸复合板结合区显微硬度分布的影响  
　　1.爆炸前2.爆炸后3.600℃退火4.800℃退火5.1000℃退火  
   

   
   
　　图6退火对镍-钛(a)和镍-不锈钢(b)爆炸复  
　　合板结合区显微硬度分布的影响  
　　1.爆炸前2.爆炸后3.600℃退火4.800℃退火5.1000℃退火  
　　图5和图6为上述4种爆炸复合板在不同工艺下退火后结合区的显微硬度分布曲线。由图可见，爆炸态下的结合区内的硬度均高于原始供纲态复合板两种材料的硬度，并且界面位置最高。这是结合区内，特别是界面附近金属强烈的塑性变形(爆炸加工硬化)所致。退火过程中，随着加热温度的繁荣昌升高，由于应力消除和再结晶，结合区内的硬度逐渐下降。加热温度越高，这种下降越大。但是，当温度为1000℃时将出现两种情况：对于钛-钢和镍-钛等结合区内生成金属间化合物的金属组合来说，此时界面上的硬度突然升高很多；对于不锈钢-钢和镍-不锈钢等结合区内不生成金属间化合物的金属组合来说，一般地此时的硬度最低，并处于原始供货态的硬度附近或以下(普通钢的供货态可能为正火态，其硬度高于退火态的)。  
　　4试验结果讨论  
　　4.1爆炸复合材料热处理的特点  
　　金属爆炸复合材料的热处理与单金属材料的热处理相比有许多相似之处。例如，都是以一定的加热速度将材料加热到预定高的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以一定的速度冷却。全过程在空气中、在真空中或在其他介质(水、油)中进行。以退火为例，分高温、中温和低温退火。目的亦为再结晶或消除应力等。根据不同的材料、组织、状态和性能的要求进行不同工艺下的热处理。  
　　爆炸复合材料的热处理也有它的特殊之处，那就是首先必须考虑组成复合材料的两种和多种组元，各自的熔点和再结晶温度、强度和塑性、耐蚀性和耐磨性、比热和热胀系数等物理及化学性能，特别是它们在高温下相互作用的特性。从而正确地设计热处理的工艺参数和预计热处理对它们的结合区组织、结合强度和各自基体组织及性能的影响等等。  
　　爆炸复合材料的热处理及其工艺参数的制订，要正确地处理好上述众多矛盾，在千差万别的金属组合中做到工艺、组织和性能的统一，为爆炸复合材料的正常使用提供可靠的组织和性能的保证。  
　　4.2爆炸复合材料的退火  
　　退火是爆炸复合材料后续加工中一个使用较多的重要工序。这类材料的退火有3个目的：  
　　第一，消除在爆炸焊接过程中在复合材料的表面、界面、底面和基体内部形成的不同方向及大小的残余应力，包括用爆炸复合材料制造的设备和构件的焊缝中的残余应力。此种退火温度最低。  
　　第二，消除爆炸硬化和爆炸强化，为复合材料后续的机械加工创造条件。对于原始硬度和强度较高的金属材料来说，它们的爆炸硬化和爆炸强化的趋势更强烈。此时，这种退火尤其重要。它们的退火温度较高。  
　　第三，再结晶退火。这种退火在不严重损失复合材料的结合强度的情况下，使结合区、复层和基层的变形组织最大限度地进行再结晶，从而为它们后续的压力加工、机械加工和使用创造条件。在压力加工过程中有时还会进行中间退火。最终产品有时还要进行成品退火(软态)。此种退火温度最高。  
　　爆炸复合材料的退火工艺就是根据上述不同的目的而制订的。大量实践经验指出，制订这类材料的退火工艺的原则是首先考虑金属组合中熔点最低者的熔点，其次考虑组合金属中以主要元素为依据的相图内是固溶体还是包含有金属间化合物，或者两者均有。特别是在高温下退火时尤其重要。
                                
              
　　5结论  
　　(1)金属爆炸复合材料的热处理对于获得既定组织和性能的金属复合材料有重要的意义。  
　　(2)爆炸复合材料的热处理有许多特点，这些特点使得这类材料的热处理工艺的制订和实施别具一格。在这个过程中，合金相图在相应的爆炸复合材料热处理的实践和理论中，将成为重要的物理、力学和化学分析的工具。