TA1_Q235循环累积变形复合界面的特性.pdf

第5 9 卷第3 期 2 007 年8 月 有色金属 N o n f e F r O t l SM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．3 A u g u s t20 07 T A l ／Q 2 3 5 循环累积变形复合界面的特性 李红8 ，许荣昌b ，任学平a ，何春雨a 北京科技大学a ．材料科学与工程学院b ．高效轧制国家工程研究中心，北京 10 0 0 8 3 摘要借助金相显微镜、能谱议等手段，分析G 1 e e b l e - 1 5 0 0 热模拟试验机循环累积变形复合后的T I ／O _ 2 3 5 复合试样的界面 组织、相结构和成分变化。结果表明，T t ／Q 2 3 5 在8 0 0 ℃以上9 0 0 ℃以下用循环累积变形复合的方法进行压制时，界面附近出现明 显的过渡区域，但界面又不会有较明显韵脆性相，影响缮舍强度。在8 5 0 ℃进行较低速率，多道次轧耐，大的累积压下置的工艺方 法，不会使结合界面处的脆性物质增加而明显降低结合强度。 关键词金属材料；钛钢复合板；累积叠轧焊；显微组织；结合界面 中图分类号T G 3 3 5 ．5 ；T B 3 3 1 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 3 0 0 0 5 一0 4 钛及钛合金铗钢复合板是集钢铁所具有的优 异的强度、导热性能及焊接性能与钛合金的耐腐蚀 性能为一体的新材料，属于高附加值产品。开发其 新的工艺路线，节约成本，更好的发挥复合材料的性 能潜力，在航空航天、化工及医疗器械等领域具有广 阔的应用前景。然而钛在高温条件下具有较高的化 学活性，很容易与其他材料发生化学反应，形成不良 产物，影响复合板的结合强度。 累积叠轧焊 A c c u m u l a t i v eR o UB o n d i n g ，A R B 是 将处理后的薄板在再结晶温度以下反复叠片，得到大 的压下量，轧制并使其自动焊合u j 。主要用于生产大 块超细晶金属材料。探讨在热模拟试验机上采用累 积叠轧焊工艺方法进行循环累积变形复合。模拟T i ／ 0 ．2 3 5 复合板的累积叠轧生产过程，使复合板获得超 常规大变形，获得更多的新生表面，提高T A l ／Q 2 3 5 a 第一次压制 复合板的结合强度。观察分析不同温度，不同压下量 条件下所压制试样的组织结构，界面区相结构，探讨 合适的工艺参数，为工业应用提供试验依据。 1实验方法 试验材料为热轧空冷状态的Q 2 3 5 钢，T i 采用 纯钛T A l ，化学成分列于表1 。试件规格Q 2 3 5 为 q 8 m m 8 m m 圆柱体 ，T A l 为夺8 m mX3 m m 圆柱 体 。试件经表面清理 除油，除脂，除氧化膜 ，结合 端面手工磨平，清刷，获得洁净、干燥、带有一定粗糙 度的新鲜表面，以利于二者复合【2 】。复合方式及工 艺过程见图1 。为了得到大的压下量，每次压制后 在试样两端面叠加Q 2 3 5 钢，然后再次压制。压制 时采用较低的变形速率，增加复合时间，以利于元素 扩散，促进T A l 与0 _ 2 3 5 的界面结合。 ⋯衄s 骺一制二|lJ I_卜∽歌翻H Q 嚣5 骺耗删 图1 循环累积变形复合工艺 F i g ．1 S c h e m eo fc y c l i ca c c u m u l a t e dd d o r m a t M np r o c e s s 表1T A l 和Q 2 3 5 的化学成分／％ 收稿日期2 0 0 5 1 1 2 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 4 7 5 1 7 4 作者简介李红 1 9 7 7 一 ，女。郑州市人，硕士，主要从事累积叠 轧焊制备双金属复合板等方面的研究。 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fT A la n d0 ．2 3 5 ／％ 成份 F eOCNS iHT i T A l0 ．1 50 ．1 50 ．0 5 0 ．0 3 0 ．1 00 ．0 1 5 余量 0 ．2 3 5 0 ．0 1 90 ．1 60 ．0 4 50 ．2 0 一一 成份M nS i SPC r ／N l ／C uA s T A l 一一一一一 0 ．2 3 5 0 ．6 1 0 ．2 0 0 ．0 2 30 ．0 1 9 0 ．3 0 0 ．0 8 0 万方数据 6有色金属 第5 9 卷 实现了良好复合的T A l ／Q 2 3 5 复合试样，用金 相显微镜和扫描电镜观察和分析界面的结合情况和 元素的扩散情况。 2实验结果及分析 2 ．1 显微组织分析 图2 是在首道次压下量和累积压下量不变的情 况下，在7 0 0 ，7 5 0 ，8 0 0 ，8 5 0 ，9 0 0 ，9 5 0 ℃6 个不同的 温度点所压制试样的金相组织照片。图3 为9 0 0 ℃ 时界面组织的局部放大图。 图2 和图3 中能看到晶界的部分是Q 2 3 5 钢。 从图中可以看到，随着变形温度的升高，钛层变得更 薄，结合界面也更加平直C 3 】。7 0 0 ，7 5 0 和8 0 0 ℃下压 制的试样中，钢侧的晶粒被拉长，出现明显的条带状 变形组织，并且随着变形温度升高，晶粒拉长程度减 轻。8 5 0 ℃及以上温度点变形的试样中，随着温度升 高，钢侧晶粒开始逐渐接近等轴状C 4 ] 。在钛和钢的 结合界面上，有深色的中间相和碳化物，在金相照片 上表现为沿界面的黑线，并且从8 5 0 ℃开始，这条黑 线变粗变浓。这是由于钛在高温下具有较高的化学 活性，在与钢的结合界面上容易形成T i F e 金属间 化合物和T i C 化合物，使结合强度降低。这个变化 说明，钛和钢的复合温度应该低于9 0 0 ℃。 a 一7 0 0 ℃； b 一7 5 0 “ C ； c 一8 0 0 ℃； d 一8 5 0 ℃； e 一9 0 0 “ C ； f 一9 5 0 “ C 图2 不同温度下变形后的界面组织 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fi n t e r f a c ea f t e rc y c t i ca c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o na tv a r i o u st e m p e r a t u r e 图3 界面金相组织局部放大 F i g ．3P a r t i a le n l a r g e dp i c t u r eo fm e t a l l u r g i c a l s t r u c t u r eo fi n t e r f a c e 金相照片中，结合界面附近还出现了明显的浅 色过渡区域一铁素体晶粒带，对称分布在钛的两侧， 晶粒排列整齐，几乎都垂直于界面。这个过渡区域 从8 0 0 ℃时出现，8 5 0 ℃时变得明显，并且随着温度 升高，晶粒变得粗大。经过分析，钛是强碳化物形成 元素，在压制的保温及冷却过程，钛的化学活性高， 从钢中夺取碳，形成T i C 化合物。而界面附近钢的 一侧，在铁素体，珠光体形核长大时，由于贫碳易于 铁素体形核，并且温度越高，这种现象加剧，铁素体 的晶粒也随之粗大。表2 为不同温度下过渡区域沿 垂直界面方向的厚度，是随温度增加的。 万方数据 第3 期李红等T A I ／0 ．2 3 5 循环累积变形复合界面的特性7 表2 不同变形温度下过渡区域厚度 、 T a b l e2T h i c k n e s so ft r a n s i t i o n a lz o n e sa tv a r i o u st e m p e r a t u r e 温度／ C7 0 0 7 5 08 0 08 5 09 0 09 5 0 厚度在m 一一 5 ．3 63 3 ．8 93 4 ．6 23 7 ．9 1 图4 为8 5 0 ℃下，不同的累积压下量所压制的 试样金相组织。钛层也随着累积压下量的增加变薄 明显。与图3 对照，有钢侧晶粒接近等轴状，铁索体 晶粒带明显的共同特征，但界面深色的碳化物和化 合物看不出明显变化，说明累积压下量的增加对这 些碳化物和化合物的生成影响不大。图4 中，过渡 区域中部分铁素体的晶粒晶界消失，出现大块的铁 素体。从表3 中也可以清楚的看到，过渡层的厚度 真应变达到2 0 0 ％时明显增厚。很明显这是由于为 了实现大的累积压下量，增加了叠加次数和压制时 间，元素的扩散时间更加充分所导致的。 表3 不同累积变形量下过渡区域厚度 T a b l e3T h i c k n e s so ft r a n s i t i o n a l 乃o I l e sa f t e rv a r i o u s a c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o n 累积应变／％ 5 0 1 0 01 5 02 0 0 厚度缸m 3 2 ．1 83 2 ．5 83 2 ．8 73 7 ．9 9 2 ．2 元素的扩散 图5 为变形温度8 5 0 ℃，初道次压下量相同，累 积应变分别为5 0 ％和1 5 0 ％的两个试样结合界面两 侧元素线扫描分布状况，在所测的范围内，钛向钢侧 的扩散要相对活跃一些，这是由元素的化学性质决 定的。钛与钢中的铁元素发生了相互扩散，钛和铁 的含量连续变化，如将图中钛和铁的含量曲线重叠 在一起的，二者相互交叉成X 型，说明在扩散层的 某些地方钛和铁的含量是成比例的，有形成T i F e 金属间化合物的可能。 T i F e 金属间化合物对钛钢复合的结合强度有 很大影响，但图中累积真应变达到5 0 ％和1 5 0 ％的 两个试样相比，母材元素扩散程度没有明显的区别， 可以推断所形成的佴F e 金属间化合物的量也变化 不大，与图4 中界面深色的中间相和碳化物随累积压 下量增加变化不大相一致。这说明，较低速率，多道 次轧制，大的累积压下量的工艺方法，不会使结合界 面处的脆性物质增加而明显降低结合强度。 图4 不同累积应变下的界面组织 F i g ．4 M i e r u s t r u e t u r eo fi n t e r f a c ea f t e rv a r i o u s a c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o n a 一真应变5 0 ％； b 一真应变1 5 0 ％ 图5 界面成分 F i g ．5B a s ee l e m e n t si n t e r d i f f n s i o n 3 结论 嚣王雷霎磊主雾妻冀萎鑫怒器翥雯 从热模拟试验看，T i ／Q 2 3 5 在8 0 0 I I EV A _ k9 0 0 1 2 的脆性相，影响结合强度。在8 5 0 “ 3 进行较低速率， 万方数据 8有色金属第5 9 卷 多道次轧制，大的累积压下量的工艺方法，不会使结合界面处的脆性物质增加而明显降低结合强度。 参考文献 [ 1 】S t a i t o Y ，U t S u n o m i y a H ．N o v e l d t r a h i g hs t r a i n i n g p r o c e 黯f o rb u l k m a t e r i a l s d e v e l o p m e n t o f t h ea c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g A R S p r o c e s s J 】．A c t aM a t e r ，1 9 9 9 ，4 7 2 5 7 9 5 8 3 ． [ 2 ] J h n G u oL u o ，V i o l aLA c o f f ．U s i n gc o l dr o l lb o n d i n ga n da n n e a l i n gt Op r o c e s sT i ／舭m u l t i h y e r e dc o m p o s i t e 8f r o m d e m e n t a l f o i l s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 4 ，3 7 9 1 6 4 1 7 2 ． [ 3 ] 欧国容，倪礼忠．复合材料基体与界面[ M ] ．上海华东化工学院出版社，1 9 9 1 1 0 5 ． [ 4 ] 许荣昌．累积叠轧焊对0 ．2 3 5 钢组织性能影响的研究[ C ] ／／中国金属学会第八届轧钢年会论文集．大连中国金属学 会，2 0 0 4 1 2 9 1 3 3 ． I n t e r f a c eC h a r a c t e r i s t i co fT A l ／Q 2 3 5C l a dP l a t eb yC y c l i c A c c u m u l a t e dD e f o r m a t i o nP r o c e s s L jh o n g ‘，X UR o n g - c h a n g 。，P E NX u e - p i n g ‘，H EC h u n - y u l 4 ．S c h o o lo fm a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，6 ．N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rA d v a n c e d R o l l i n gT e c h n o l o g y 。U n i v e r s i t y0 1S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 。C h i n a A b s t r a c t T h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i co fT A l ／Q 2 3 5c o m p o s i t es a m p l eb yc y c f i ca c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o np r o c e s sw i t h G l e e b l e - 1 5 0 0t h e r m a la n a l o gt e s t i n gm a c h i n e ，s u c ha si n t e r f a c es t r u c t u r e ，p h a s ec o m p o s i t i o na n dc o m p o n e n t s d i f f u s i o na r ea n a l y z e db ym e a n so fm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，e n e r g ys p e c t r o m e t e re t c ．T h er e s u l t ss h o wt h a t r e m a r k a b l et r a n s i t i o n a lz o n e sa r ed i s c o v e r e do nt h ei n t e r f a c eo fT i ／Q 2 3 5c o m p o s i t es a m p l ea f t e rc y c l i ca c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o np r o c e s sa t8 0 0 ℃- - 9 0 0 ℃，h o w e v e rt h e r ei Sn oo b v i o u sb r i t t l es u b s t a n c ew h i c hi sa d v e r s et ot h e b o n ds t r e n g t h ．T h eb r i t t l es u b s t a n c eo nt h ei n t e r f a c ei sn o ti n c r e a s e dw h e nt h ec o m p o s i t es a m p l ei sp r e s s e dt i m e a f t e rt i m ew i t hl o ws p e e da t8 5 0 ℃． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；T A I ／0 _ 2 3 5c l a d ep l a t e ；A R B ；m i c r o s t r u c t u r e ；b o n d i n gi n t e r f a c e 万方数据