熱軋異質(zhì)復(fù)合鋼板剪切試驗(yàn)研究

王超逸 ，李文斌 ，蔣健博 ，張友鵬 ，呂丹 ，孫紹廣

（1.鞍鋼集團(tuán)北京研究院，北京102209；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單一金屬材料由于在使用性能和成本方面有局限性，已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)新材料的要求。為了解決這個(gè)難題，各種復(fù)合材料迅速發(fā)展，已經(jīng)成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的發(fā)展方向［1］。在諸多復(fù)合材料中，基板為碳鋼的復(fù)合板最為常見(jiàn)，如不銹鋼-鋼、鈦-鋼、鋁-鋼、銅-鋼的異質(zhì)復(fù)合板等。與同質(zhì)鋼板相比，異質(zhì)復(fù)合板既具有基層材料的強(qiáng)度和韌性，又具有復(fù)層材料的耐腐蝕和耐磨性，相對(duì)純不銹鋼板和碳鋼涂層鋼板等，具有明顯的機(jī)械性能和成本優(yōu)勢(shì)，因此，異質(zhì)復(fù)合板被廣泛應(yīng)用于石油化工、船舶工程、海洋工程、電力、建筑、交通及日常生活等領(lǐng)域［2-4］。

以往生產(chǎn)異質(zhì)復(fù)合板的工藝往往采用爆炸復(fù)合法。近年來(lái)，一些大型鋼鐵廠開(kāi)始使用熱軋法大批量生產(chǎn)異質(zhì)復(fù)合板［5］。隨著產(chǎn)量和品種的不斷增加，對(duì)復(fù)合板性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，與一般的鋼板力學(xué)性能檢驗(yàn)不同，對(duì)異質(zhì)復(fù)合鋼板最重要的力學(xué)性能要求就是復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度。國(guó)標(biāo)《GB/T 6396-2008復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》中對(duì)復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)有詳細(xì)的規(guī)定和描述，各類(lèi)復(fù)合板的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中也都明確地規(guī)定了復(fù)合鋼板最小的剪切強(qiáng)度。本文基于各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，針對(duì)鈦-鋼、不銹鋼-鋼以及銅-鋼這三種異質(zhì)復(fù)合鋼板在剪切試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了具有代表性試樣的界面形貌,找出并說(shuō)明了影響這三種異質(zhì)復(fù)合鋼板界面剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用復(fù)合鋼板采用常規(guī)的Q345B碳鋼材料作為基板，同時(shí)，為了使試驗(yàn)具有廣泛的代表性，分別選擇鈦（TA2）、不銹鋼（316L）以及銅（Cu）作為復(fù)板，即不銹鋼-鋼、鈦-鋼、銅-鋼復(fù)合板。

熱軋?jiān)囍品桨福菏紫葘?duì)基板和復(fù)板表面做必要處理，采用對(duì)稱(chēng)的方式組坯，抽真空后在四周焊接，之后進(jìn)行軋制，復(fù)合板對(duì)稱(chēng)軋制技術(shù)示意圖如圖1所示，軋制后進(jìn)行分板，不同的復(fù)合板軋制方法不盡相同，但整體軋制變形量在75%以上。試樣經(jīng)超聲波檢測(cè)評(píng)定后，在界面復(fù)合良好的位置取樣。

圖1 復(fù)合板對(duì)稱(chēng)軋制技術(shù)示意圖

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《GB/T 6396—2008復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》，對(duì)軋制得到復(fù)合鋼板加工剪切（壓剪，下同）試樣，每種復(fù)合板各加工3塊試樣。采用符合國(guó)標(biāo)的剪切試驗(yàn)專(zhuān)用工裝，如圖2所示。利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的加載速率對(duì)試樣做剪切檢驗(yàn)。取有代表性的試樣界面，利用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察金相組織以及復(fù)合界面元素分布情況。

圖2 復(fù)合鋼板剪切試驗(yàn)專(zhuān)用工裝

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 剪切強(qiáng)度結(jié)果比較

根據(jù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，得到3組剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別是不銹鋼-鋼、鈦-鋼及銅-鋼復(fù)合板。3組復(fù)合板剪切強(qiáng)度比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3組復(fù)合板剪切強(qiáng)度比較

從表1中可知，剪切強(qiáng)度波動(dòng)最大的是鈦-鋼復(fù)合板，其最高的剪切強(qiáng)度可達(dá)242 MPa，最低的強(qiáng)度僅90 MPa,平均值為176 MPa。剪切強(qiáng)度最高的是不銹鋼-鋼復(fù)合板，其平均值達(dá)到419 MPa。銅-鋼的剪切強(qiáng)度是最穩(wěn)定的，其數(shù)據(jù)上下浮動(dòng)不超過(guò)20 MPa，平均值為177 MPa。可以看出，不同復(fù)板材料制成的復(fù)合鋼板剪切結(jié)果完全不同。鈦-鋼復(fù)合板界面的剪切強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于不銹鋼-鋼復(fù)合板的剪切強(qiáng)度，而平均值與銅-鋼復(fù)合板相近，然而鈦（TA2）本身的抗拉和剪切強(qiáng)度并不比不銹鋼低很多，且要遠(yuǎn)高于銅。由此可知，由不同種類(lèi)材質(zhì)制成的復(fù)合鋼板，其剪切強(qiáng)度完全不同，差異性很大，有必要分開(kāi)討論。

2.2 鈦-鋼復(fù)合板界面缺陷及剪切強(qiáng)度分析

通過(guò)表1可以看出，鈦-鋼復(fù)合板是最不穩(wěn)定的，強(qiáng)度最高的為3#試樣，可以達(dá)到242 MPa,而強(qiáng)度最低的2#試樣，只有90 MPa，說(shuō)明此試樣復(fù)合界面存在影響剪切強(qiáng)度的缺陷存在。

圖3分別是鈦-鋼復(fù)合板2#試樣斷口界面缺陷形貌和能譜分析，發(fā)現(xiàn)塊狀?yuàn)A雜物主要含有C、Ti和O元素，這說(shuō)明塊狀?yuàn)A雜物主要由TiC、TiO等脆性相構(gòu)成［6］。鈦復(fù)層和碳鋼基層在加熱和軋制力的作用下，會(huì)發(fā)生原子間結(jié)合，形成冶金連接。當(dāng)界面上的氧元素及其它雜質(zhì)沒(méi)能被徹底清除掉，就會(huì)在界面上形成TiO等夾雜。同時(shí)，在濃度梯度的作用下，基層中的C元素會(huì)向Ti復(fù)層擴(kuò)散，在復(fù)合界面產(chǎn)生偏聚，形成了塊狀的TiC脆性相。

圖3 鈦-鋼復(fù)合板斷口界面缺陷形貌及能譜分析

由于形成的TiO以及TiC等脆性相都較為粗大，無(wú)法在受力過(guò)程中隨基體發(fā)生塑性形變，在其邊緣形成了裂紋源，進(jìn)一步擴(kuò)展則會(huì)引起復(fù)合界面的開(kāi)裂［7］，而且這些氧化物和碳化物的分布狀態(tài)極不均勻，可能在某處產(chǎn)生富集。因此有些試樣沒(méi)有大的缺欠存在，其剪切強(qiáng)度較高，而有些試樣界面上分布著較嚴(yán)重的化合物堆積，其剪切強(qiáng)度自然要下降很多。這也是導(dǎo)致鈦-鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度差異很大的原因。上述化合物主要發(fā)生在界面上，因此鈦-鋼復(fù)合板剪切試驗(yàn)得到的結(jié)果能夠真實(shí)的反應(yīng)復(fù)合界面上的切向結(jié)合強(qiáng)度，即界面剪切值。

2.3 不銹鋼-鋼復(fù)合界面形貌及強(qiáng)度分析

通過(guò)表1可知，不銹鋼-鋼復(fù)合板的剪切強(qiáng)度較高，為了研究了其界面組織，以試驗(yàn)結(jié)果接近平均值的1#試樣作為研究對(duì)象，進(jìn)一步處理后，使用掃描電鏡觀察其界面形貌與金相組織結(jié)構(gòu)，圖4為不銹鋼-鋼復(fù)合板界面金相形貌及界面示意圖。

圖4 不銹鋼-鋼復(fù)合板界面金相形貌及界面示意圖

通過(guò)圖4（a）可以清楚地看出,在復(fù)合界面碳鋼（Q345B）一側(cè)存在一個(gè)低含碳量的區(qū)域。由于不銹鋼與碳鋼在軋制過(guò)程中形成了冶金結(jié)合，而不銹鋼的含碳量要低于碳鋼，故存在元素的擴(kuò)散現(xiàn)象，因此碳鋼側(cè)存在一定寬度的脫碳區(qū)，同時(shí)不銹鋼一側(cè)一定存在一個(gè)C元素的擴(kuò)散區(qū)［7］，復(fù)合界面的示意圖如圖 4（b）所示。從圖 4（a）中還可以看出，該脫碳層基本上以鐵素體為主，其剪切強(qiáng)度肯定小于未發(fā)生脫碳的區(qū)域，因此在做剪切試驗(yàn)時(shí)，得到結(jié)果實(shí)際上是該脫碳層的剪切強(qiáng)度，該強(qiáng)度要小于不銹鋼側(cè)的剪切強(qiáng)度，也要小于結(jié)合界面上的剪切強(qiáng)度［8］。但值得說(shuō)明的是，雖然脫碳層原本屬于基材碳鋼，但從復(fù)合板生產(chǎn)工藝上看，該脫碳層包括不銹鋼側(cè)元素?cái)U(kuò)散的影響區(qū)，是不銹鋼與鋼冶金結(jié)合的產(chǎn)物，從這種意義上講，該區(qū)域也屬于廣義復(fù)合界面的一部分。因此不銹鋼剪切試驗(yàn)得到的結(jié)果可以認(rèn)為是復(fù)合界面上碳鋼一側(cè)脫碳層的剪切強(qiáng)度。

2.4 銅-鋼復(fù)合板界面實(shí)際剪切強(qiáng)度分析

通過(guò)表1可知，銅-鋼復(fù)合板的剪切強(qiáng)度比較穩(wěn)定，圖5是銅-鋼復(fù)合板宏觀和微觀界面形貌。

圖5 銅-鋼復(fù)合板宏觀和微觀界面形貌分析

從圖5（a）可以看出，在宏觀上，復(fù)合界面沒(méi)有被完全剪切斷裂，復(fù)板銅一側(cè)發(fā)生了明顯的滑移，真實(shí)的失效界面發(fā)生在銅層基體。從5（b）可以更加清楚的看出在剪切試樣刃口尖端，銅-鋼復(fù)合界面發(fā)生了開(kāi)裂，然而裂紋沒(méi)有擴(kuò)展，反而是復(fù)板一側(cè)的銅被整齊的“剪切”下來(lái)。因此試樣真正發(fā)生切向變形的位置并不在其復(fù)合界面上，而是復(fù)板銅的基體。究其緣由，當(dāng)外力作用在剪切試樣上時(shí)，由于剪切工裝夾具刃口的硬度遠(yuǎn)高于銅自身，使得銅一側(cè)產(chǎn)生明顯的滑移，進(jìn)而導(dǎo)致了失效的產(chǎn)生。

此外，對(duì)純銅剪切試樣進(jìn)行加工，采用相同的試驗(yàn)方法和設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行剪切試驗(yàn)，純銅與銅-鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 純銅與銅-鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度比較

由表2可以看出，銅-鋼復(fù)合板的剪切強(qiáng)度與純銅基本一致，表明表1試驗(yàn)所得到銅-鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度實(shí)際上就是銅的剪切強(qiáng)度，而界面真實(shí)的剪切強(qiáng)度一定是大于銅的剪切強(qiáng)度的，否則失效界面應(yīng)該發(fā)生在復(fù)合界面上。因此，銅-鋼復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度的真實(shí)值要大于試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)。

2.5 復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度意義

一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度就應(yīng)該是指界面上的結(jié)合強(qiáng)度，然而，由于異質(zhì)熱軋復(fù)合板的多樣性和特殊性，剪切試驗(yàn)的結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)不同意義。根據(jù)本文試驗(yàn)的結(jié)果，即使在無(wú)損檢測(cè)合格的情況下，鈦-鋼復(fù)合界面也會(huì)有影響剪切強(qiáng)度的化合物或其他缺陷存在，因此，鈦-鋼復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于其復(fù)板與基板本身的剪切強(qiáng)度，其失效位置基本上就發(fā)生在復(fù)合界面上，這時(shí)試驗(yàn)的結(jié)果即為鈦-鋼復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度；對(duì)于不銹鋼-鋼復(fù)合板，在其復(fù)合界面碳鋼一側(cè)往往會(huì)形成一層脫碳層，該脫碳層的剪切強(qiáng)度要弱于不銹鋼和鋼自身剪切強(qiáng)度，其厚度和脫碳量的多少是決定剪切試驗(yàn)強(qiáng)度的關(guān)鍵，這時(shí)剪切試驗(yàn)的斷裂失效位置發(fā)生在該脫碳層上，試驗(yàn)的結(jié)果實(shí)際上是脫碳層的剪切強(qiáng)度；對(duì)于銅-鋼復(fù)合板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)的失效界面不在復(fù)合界面上，而是在銅自身內(nèi)部，這時(shí)得到的剪切強(qiáng)度值僅僅是銅自身的剪切強(qiáng)度。如果出現(xiàn)這種情況，應(yīng)當(dāng)注意銅-鋼復(fù)合界面實(shí)際的剪切強(qiáng)度要大于試驗(yàn)結(jié)果。

綜合來(lái)說(shuō)，復(fù)合板剪切試驗(yàn)的初衷是為了得到復(fù)合界面的真實(shí)剪切強(qiáng)度，但是在實(shí)際中，試驗(yàn)得到的結(jié)果卻是復(fù)合界面或界面兩側(cè)上最薄弱處的結(jié)合強(qiáng)度。在對(duì)某產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，只要剪切試驗(yàn)的結(jié)果高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該復(fù)合板剪切強(qiáng)度的要求，那么就認(rèn)為該產(chǎn)品是合格。在國(guó)標(biāo)中規(guī)定，鈦-鋼復(fù)合板0類(lèi)產(chǎn)品的剪切強(qiáng)度要大于196 MPa，這個(gè)值是考慮復(fù)合板界面化合物等缺欠存在情況下的最低強(qiáng)度。對(duì)于不銹鋼-鋼復(fù)合板，國(guó)標(biāo)中的要求是大于210 MPa，這個(gè)強(qiáng)度即使對(duì)于界面上的脫碳層來(lái)說(shuō)，也不算很高，根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，在界面結(jié)合良好的情況下，316L不銹鋼與Q345B的復(fù)合鋼板剪切強(qiáng)度可以達(dá)400 MPa以上。對(duì)于銅-鋼復(fù)合板，標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到100 MPa以上，然而剪切試驗(yàn)得到的可能僅是銅的剪切值，這種情況下就需要重新考慮該數(shù)值的合理性。

3 結(jié)論

在對(duì)不同的材質(zhì)熱軋異質(zhì)復(fù)合板做剪切試驗(yàn)時(shí)，影響剪切強(qiáng)度高低的關(guān)鍵因素是不同的。

（1）對(duì)于鈦-鋼復(fù)合板，影響剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵是界面上的化合物及其分布情況，剪切試驗(yàn)得到的結(jié)果能夠真實(shí)的反應(yīng)復(fù)合界面上的剪切值。

（2）對(duì)于復(fù)合良好不銹鋼-鋼復(fù)合板，剪切試驗(yàn)斷裂失效的位置發(fā)生在該脫碳層上，剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際上是基材一側(cè)脫碳層的強(qiáng)度。

（3）在對(duì)銅-鋼復(fù)合板或其它類(lèi)似復(fù)合鋼板做剪切試驗(yàn)時(shí)，所得強(qiáng)度并不一定是界面結(jié)合強(qiáng)度，有可能是界面兩側(cè)較薄弱的材料本身的剪切強(qiáng)度，其真實(shí)界面的結(jié)合強(qiáng)度大于試驗(yàn)所得的結(jié)果，這種情況尤其值得注意。