不锈钢/碳钢热静压复合中表面形貌对界面变形及复合质量的影响

双金属受压变形复合过程中表面形貌是影响其界面变形行为及结合质量的重要因素。针对AISI 304不锈钢与Q235A碳钢,通过车削加工制备3种具有不同表面微观形貌的圆柱型试样组,在真空条件下实现该两种金属的热静压复合后,利用无损检测技术测定界面复合率、单轴拉伸破坏试验测定复合材料的强度,并在其复合区域取样,利用扫描电镜观察接触界面轮廓的几何特征,分析复合过程中界面变形规律及对复合质量的影响;基于商业有限元软件模拟分析复合过程接触表面粗糙峰变形,研究表面微观形貌对复合过程的影响机制。结果表明,表面微观形貌对热静压复合过程中界面的变形和复合质量影响显著;在复合过程中,较硬的不锈钢粗糙峰几乎无变形地嵌入进碳钢基体内,而较软的碳钢粗糙峰则明显被压扁变平;此外,不锈钢和碳钢试样在复合前通过表面预处理获得的不同粗糙度对于复合质量具有相反的影响作用,不锈钢表面越粗糙越有利于复合,碳钢表面越光滑越有利于复合;不锈钢侧界面粗糙度增大和碳钢侧界面粗糙度减小,都可以使得界面两侧金属相对滑动减小、界面间接触应力增大,从而提高了界面复合质量。

奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性,在石油化工、船舶、航空等行业应用广泛。采用不锈钢与低碳钢的层合板替代单纯不锈钢厚板,可以在既保证耐腐蚀性要求又满足力学强度要求的前提下,大大减少不锈钢用量,有效降低材料成本并节约NiCr等稀缺金属,符合绿色可持续发展理念,经济和社会效益将十分显著。

受压变形复合是金属层合板制造的主要工艺方法,属于固相连接,包括静压复合、轧制复合、爆炸复合和共挤压复合等。理论上,两个相互接触并几乎不相对滑动的洁净且平坦的表面,很容易通过接触界面间原子键合而形成界面之间的完美结合。但工程上,由于无法制备出绝对洁净且平坦的表面,目前异种金属材料的受压变形复合过程,总是需要相对较大的压力及形变使之表面氧化层破裂而裸露出洁净的次表层金属,并实现相互近似无滑动的接触,也总是以表面粗糙形貌尖峰的接触变形并首先实现界面间原子键合形成多点结合而开始。之后,随着受压变形的继续,界面间的结合点进一步增加,初始接触时界面间形成的缝隙和空洞不断收缩变小,从有限点结合发展到一定面积的面结合,尚未复合的界面间缝隙和空洞随着受压变形的继续而逐渐收缩甚至愈合消失,最终可能实现金属间的全部接触面完全复合。在复合过程中,温度和变形能促使实现结合的金属区域进一步出现跨界面的原子扩散并形成一定厚度的复合界面层,也会对界面间原子键合发挥促进作用。

一直以来,许多学者对扩散焊接过程中表面形貌对界面结合行为及接头力学性能的影响展开了一系列研究。ZHANG等提出在粗糙表面的MA 956合金扩散焊接过程中可能会留下空洞,进而对接头质量造成影响;WANG等研究了4种不同表面粗糙峰的高导无氧铜扩散焊接过程,发现随着表面粗糙峰波长的减小可以加速原子沿空洞方向的扩散,促使空洞收缩并提高了界面的结合强度;ISLAM等对比经过P60砂纸处理和未经处理过的不锈钢表面扩散焊后的结合质量的差异,发现经过P60砂纸处理需要更大的压力和更长的保温时间才能达到未经处理表面的结合质量;ZHANG等发现不锈钢在相同的焊接条件下,粗糙表面比光滑表面扩散焊接后的晶界迁移率及抗拉强度要小,并分析了两种晶界迁移机制的差异;SHAO等对不同表面粗糙度的钛和镍进行扩散焊接,发现不同表面粗糙度在焊接过程中所生成中间相是不同的,中间相在变形过程中产生的微裂纹是影响界面结合质量的主要因素;LI等认为幂律蠕变是扩散焊接过程中空洞收缩的主要机制,并建立了空洞收缩的动力学模型。然而,由于扩散焊接过程基材的变形很小,原始表面粗糙度不宜过大,否则可能会使后续保温过程中界面缝隙和空洞的愈合变得困难,对接头的结合质量造成不利影响。

采用粗糙表面作为受压变形复合界面已经受到关注。在热轧复合方面,LIU等对金属Al表面进行了宏观和微观的机械处理,研究了表面形貌对铝片/铝板/铝片热轧复合板结合质量的影响,发现芯层的粗糙度在0.030.58μm之间时界面结合面积和结合性能有明显改善;KIM等研究发现6XXX/5XXX/6XXX铝合金温轧复合前表面经过钢丝刷处理后,临界压下率得到降低,结合强度得到提高;王强试验研究了打毛处理和未打毛处理的铝表面经过热轧后不锈钢//不锈钢复合板界面微观形貌的差异,发现经过表面处理的复合板界面呈现相互嵌入的机械咬合现象,这种机械咬合现象使复合界面层的力学性能有所提高。大多数金属轧制复合过程,由于金属表面存在的氧化膜和吸附污染物会阻止待焊金属结合表面新鲜纯净金属的相互接触,增大界面的结合难度,复合前对金属表面进行处理是非常必要的,多位学者研究了表面处理工艺、表面粗糙度、纹理方向对冷轧层合板界面结合强度的影响,发现合适的表面预处理可以明显提高冷轧复合界面的结合强度。但以上研究忽视了各基材金属的待复合表面具有不同表面形貌时复合过程的差异,缺乏不同基材间表面形貌影响的对比分析,以及其对复合过程中接触区的变形规律和结合质量影响的比较研究。

从几何角度,界面结合质量可以通过宏观尺度的复合率以及细观尺度上的复合区接触面(或线)几何结构来表征,前者描述结合区和未结合区的面积比,后者反映界面结合区接触线的几何构型。从力学角度,界面结合质量可以通过复合后层合板的界面层力学性能来表征。Q235A碳钢、AISI304不锈钢作为基材,在不锈钢复合板的生产领域具有较强的代表性和应用范围。本文针对此两种典型钢种,通过试验和有限元仿真方法研究复合过程中基材不同表面形貌的界面接触区变形规律以及对界面结合质量的影响,以期为通过合理的表面预处理的方式提高界面结合质量、扩大AISI304不锈钢/Q235A碳钢轧制复合可行工艺条件范围提供指导。

1试验研究方法及方案

选用AISI304奥氏体不锈钢和Q235A低碳钢作为基材,化学成分见表1。两种材料试样规格均为直径10 mm、长45 mm的棒材。

如图1所示,通过车削加工制备了3种不同粗糙度的表面共组合7组试样,每组试样的表面三维粗糙度值如表2所示。由于对静压复合试样拉伸及接触区变形观测均需要对试样进行破坏,故增加同样表面形貌的7组备份试样在相同条件下进行复合试验。对第一批的7组复合试样进行复合率检测和界面接触区形貌观察,对第二批的7组备份进行试样抗拉强度测定。

复合前将每组不锈钢、碳钢试样接触表面进行清洗和脱脂,将两个试样端面叠合起来在Gleeble3500试验机上进行复合,为避免静压过程中试样失稳采用图2所示夹具进行约束,实际参与变形的试样总长度为12 mm。静压复合试验流程如图3所示,首先以5/s的速率升温至指定900℃,将试样在该温度下保温5 min,然后以0.1 s1的应变速率进行压下率40%的压力复合,之后进行卸载,按5/s速率冷却至室温。

采用UST 200水浸超声波C扫检测系统对复合后试样的结合面复合率进行检测,该系统主要由扫描装置、超声波信号发射与接收单元、信号分析和预处理单元组成。其中探头频率为10 MHz,焦点直径0.37mm,波速为5 800 m/s,扫描步长为0.1 mm,水中焦距30 mm。以第一次底面回波高度低于满屏刻度5%作为未结合区域统计界面复合率。之后对该7组试样沿轴向对称面使用线切割剖开成为两半,对其中一半进行制样,剖面磨制、抛光后采用LEO1450扫描电子显微镜(SEM)观察界面接触区域的形貌特征。

为研究表面粗糙度对复合后材料力学性能的影响,将7组备份试样在相同条件下复合后在CMT5105拉力机上进行单轴拉伸试验,测定其抗拉强度并观察其断裂情况。

2试验结果及分析讨论

2.1表面形貌对复合质量的影响

界面复合率从宏观尺度上反映了界面复合质量。对静压复合后的7组原试样进行复合率检测,根据回波与原波高度比的不同,不同的结合状态可以用不同的颜色来表示,各组复合试样界面结合状态和复合率大小分别如图4和表3所示,其中图4中回波高度比为0的区域代表完全结合区域,回波高度比为50%的区域代表半结合区域,回波高度比为100%以上的区域代表未结合区域。从复合率检测结果上来看,表面形貌对静压复合后试样界面复合率有着很大的影响。不锈钢表面粗糙度最大为6.0μm、碳钢表面粗糙度最小为0.9μm时,界面可以实现100%的结合,而不锈钢表面粗糙度为最小0.9μm、碳钢表面粗糙度最大6.0μm时,界面只有48.8%的复合率。总体来看,相同的工况条件下,整体呈现出不锈钢表面粗糙度越大、碳钢表面粗糙度越小,界面复合率越高的趋势。

复合板的拉伸破坏行为可以反映界面的结合强度,也可以反映界面复合质量。由于界面两侧不锈钢、碳钢两种材料力学性能与组织结构的差异,复合材料在拉伸方向上具有不均匀性。拉伸后的7组备份试样如图5所示,7组试样在拉伸过程中均在界面位置发生断裂,基材并没有发生明显的塑性变形,这说明复合材料在拉伸断裂时应力的大小可以作为表征界面结合强度的指标。图6为各组试样单轴拉伸过程中的应力应变曲线,可以看出,这7组试样有着相似的力学响应规律,但拉伸破坏强度却存在很大差异,金属表面微观形貌对结合强度影响显著。对于碳钢表面粗糙度最小0.9μm、不锈钢表面粗糙度最大6.0μm的第3组试样,其抗拉强度为330 MPa,该结果比第5组试样(碳钢表面粗糙度最大6.0μm、不锈钢表面粗糙度最小0.9μm)的抗拉强度145.3 MPa高了一倍以上(4)。以上结果总体呈现碳钢的表面粗糙度越小、不锈钢的表面粗糙度越大,结合质量就越高的规律,这一现象和复合率的检测结果是一致的。

2.2表面形貌对结合界面轮廓的影响

观察静压后试样剖面结合区变形情况,图7a7b分别为第12组试样静压后界面结合区形貌图,图7c7d为第3组试样不同放大倍数下界面结合区形貌图。可以看出,随着不锈钢表面粗糙度由0.9μm增大到1.3μm6.0μm,界面结合区形貌有着较大变化。图7a中轮廓线基本为一条直线,图7b轮廓线略有波动,图7c波动幅度更大,由局部放大图可以看到轮廓线呈抛物线形状。以上现象表明,在静压复合过程中,较硬的不锈钢表面基体挤压并嵌入较软的碳钢基体内部,从而对结合区变形产生影响,界面结合区形貌仍一定程度上保留着不锈钢的初始形貌特征。

8a8b为第5组试样(不锈钢表面粗糙度为最小0.9μm、碳钢表面粗糙度为最大6.0μm)的界面结合区域的形貌图,从图8a中可以看出,界面轮廓线并没有大的波峰出现,但在虚线框所示区域发现有空洞的存在,从8b放大图中可以明显观察到碳钢粗糙峰被压扁的现象。以上现象表明,由于碳钢相对不锈钢较软,当碳钢的表面粗糙度增大,碳钢表面粗糙峰并没有嵌入到不锈钢基体中,而是被逐渐压扁,随着压力的增大,从而增大实际接触面积,两粗糙峰之间的缝隙逐渐减小消失。

8c8d为不锈钢碳钢均为6.0μm时静压复合后试样中部的结合区形貌,通过前面的分析可知,变形后的结合区形貌仍由不锈钢的形貌所决定,但与图7c7d相比,轮廓线波形的幅度更大也更不规则,这说明不锈钢粗糙峰的变形程度比图7c7d中的要小,对不锈钢原始形貌的保留更充分,这是因为高粗糙度的碳钢在静压过程中更容易沿界面流动,从而向界面间的缝隙填充。

通过图像处理软件Image-Pro plus对每组试样界面中部结合区轮廓线进行提取,可以更直观地观察表面形貌的变形规律,如图9a所示,对比第123组轮廓线形状发现,随着不锈钢表面粗糙度的增大,界面轮廓线幅值逐渐增大而波动频率逐渐减小,这和复合前不锈钢的形貌特征是一致的,对于碳钢表面粗糙度最大的第5组试样,复合后碳钢粗糙峰被压扁变平,因而界面轮廓线波动最小。采用界面轮廓算术平均偏差定量表征界面轮廓形状,如图9b所示,静压复合前碳钢、不锈钢的轮廓算术平均偏差以及静压后界面轮廓算术平均偏差分别用图中3种符号表示,对比各组中三者大小可以看出,界面轮廓算术平均偏差与不锈钢基本一致,这同样表明,复合后的界面形貌主要是由不锈钢的形貌所决定。

综上所述,不锈钢、碳钢在静压复合过程中粗糙峰的变形形式是不同的,两基体变形过程中的机理图如图10所示,较硬的不锈钢粗糙峰随着压下量的增大逐渐嵌入进碳钢基体内,而较软碳钢粗糙峰随着压下量的增大逐渐被压扁。

3表面形貌对界面复合过程影响的有限元模拟

3.1有限元建模过程

为进一步研究表面形貌对不锈钢碳钢复合质量的影响机制,将图1中的三种实测二维形貌作为模型初始形貌,建立了考虑实际真实形貌的二维有限元仿真模型,模拟900℃条件下不锈钢碳钢的复合过程,在此温度下材料力学性能如表5所示,模拟长度和厚度分别为1.76 mm0.05 mm。采用二维四节点的平面单元2。界面长度方向共640个网格,在保证计算精度的情况下提高计算效率,建模过程中将基体表面网格进行加密,而基体内部网格相对稀疏。在求解过程中固定不锈钢上表面,在碳钢下表面全部节点位移耦合,然后在各个节点上施加Y方向的均布载荷,直到总变形率达到40%为止。静压前后的有限元模型示意图分别如图11a11b所示。

3.2静压后界面变形情况

为验证模型的可靠性,将有限元模拟静压后界面处节点位移进行提取并作图描述界面轮廓线,如图12所示,5组仿真模拟的不同表面初始形貌静压复合后的界面轮廓线,与图9a所示的试验结果相比,针对复合前后的表面粗糙度以及对应界面轮廓线的变化规律,模拟结果与试验结果取得定性一致。

静压后各组试样在界面中部区域Y方向的应力云图如图13a13e所示。由于不锈钢粗糙峰对碳钢的钉扎作用,应力集中的区域主要出现在不锈钢粗糙峰所在位置并沿界面断续分布,如图13a13c所示,随着不锈钢表面粗糙度的增大,粗糙峰所在区域的应力也逐渐增大,应力集中区域逐渐扩展。此外,对比图13a13c13d可以看出,碳钢表面粗糙峰被压扁后并没有明显的应力集中区域。

X方向的应变云图如图13f13j所示,其中应变量负值代表压应变,正值代表拉应变,从图中可以看出,各组碳钢的变形比不锈钢更显著,应变最大的位置为粗糙峰接触区域。图13h和图13f13g相比,不锈钢表面粗糙度的增大一方面增大了粗糙峰接触位置的应力,使该位置碳钢更容易向两侧延伸,表现为拉应变的增加(13h中的应变大于0.23的区域),另一方面,两粗糙峰之间碳钢部分出现了较大的压应变(13h中的应变在0.21左右的区域),这说明变形过程中不锈钢粗糙峰的钉扎作用限制了碳钢的水平延伸。对于碳钢表面粗糙度最大的图13i来说,碳钢在变形过程中更容易向两侧延伸,界面两侧应变差异最明显。

3.3表面形貌对复合质量的影响机理分析

静压复合过程中,在一定压力下不锈钢和碳钢原子距离缩小到一定范围时即可实现原子键合,因此,界面间足够的法向接触应力是实现金属复合的必要条件。静压后材料界面位置Y方向平均接触压力及延伸差如图14所示,对比图14a7组仿真结果的界面应力可以发现,不锈钢表面粗糙度的变化对Y方向平均接触应力的影响更加明显。不锈钢表面粗糙度大的第37组界面附近平均应力最大,这为异种金属复合提供了更多的能量,对结合质量的提高起到了促进作用。同时从静压复合过程中双金属真实接触面积的角度上来说,相同压下率条件下双金属的真实接触线长度越长,意味着接触面积越大,界面结合质量越好。

在法向压力产生的挤压作用的同时,由于静压复合过程中碳钢、不锈钢的延展性有明显差异,两基体延伸不均会造成界面不同基体之间的相互滑动。如图14b中所示,碳钢表面粗糙度较大的后四组比前三组延伸差更大,碳钢表面粗糙度的变化对延伸差的影响更加明显。其中碳钢表面粗糙度最高的第五组延伸差最大,这是由于碳钢粗糙峰被压平从而更容易沿界面流动造成的,而界面间产生的相对滑动对于复合是不利的。此外,第5组与第7组试样相比,尽管碳钢表面粗糙度相同,但第7组中不锈钢形貌对碳钢基体的钉扎作用使碳钢沿界面水平流动变得困难,因而具有更小的相对延伸。

以上研究表明,不锈钢、碳钢的表面形貌通过影响复合过程中结合区的变形从而影响双金属的结合行为,进而影响复合界面的结合质量。金属本身的塑性变形能力是影响复合质量的关键,通过一定的表面处理工艺,可以起到增大界面间接触压力及减小相对滑动从而提高结合质量的效果。

4结论

(1)双金属受压变形复合过程是从两基材界面粗糙峰发生接触变形开始的。随着受压变形的继续,界面间的结合点进一步增加,初始接触形成的空洞不断收缩变小,从有限点的复合扩展到一定面积的复合,形成具有一定复合率和结合强度的复合材料。表面形貌对于轧制复合质量具有重要影响,预先制备表面形貌是控制提高轧制复合质量的可行技术手段。

(2)表面形貌影响轧制复合质量的力学机理在于两基材的变形能力与粗糙峰变形行为的差异。在复合过程中,随着变形程度的增加,较硬材料的粗糙峰逐渐嵌入进较软材料基体内,而较软材料的粗糙峰则被压扁变平,这使得复合界面轮廓线在细观尺度上呈现具有一定规律的几何构型。对于不锈钢/碳钢静压复合过程而言,该构型主要由较硬的不锈钢形貌所决定。根据复合过程有限元模拟结果,不锈钢表面粗糙度越大,变形过程中界面间接触应力越大,这有利于提高该局部位置结合质量;反之,碳钢的表面粗糙度越大,变形过程中被压扁的碳钢粗糙峰越容易沿界面流动,使得界面间相对滑动增加,对界面结合是不利的。

(3)通过预先制备基材表面形貌可以有效提高界面复合质量,对于不锈钢与碳钢受压形变复合而言,不锈钢表面粗糙度越大、碳钢表面粗糙度越小,界面复合质量越好。当然,针对不同的金属基材配对,应根据两个配对基材的相对软硬,其中硬者表面采取高粗糙度,软者表面采取低粗糙度,将有助于提高复合质量。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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