Mater. Sci. Eng. A：铜-钢复合板爆炸焊显微组织及力学性能研究

【引言】

铜具有良好的热导率、塑性和耐腐蚀性能，所以铜在冶金、化学和石油行业得到了广泛应用。然而纯铜的变形能力差，线膨胀系数大，使得其应用得到了极大的限制。铜-钢复合板具有高的热导率和优异的力学性能，使得其具有广阔的应用前景。人们对铜和钢的焊接方法进行了很多尝试，包括搅拌摩擦焊、激光焊以及爆炸焊等，虽然接头金属发生了熔化，但铜在铁中的溶解度很小，并且低温下不存在Fe-Cu相。而爆炸焊是一种固相连接技术，能够实现铜和钢的连接。

【成果简介】

近日，北京科技大学的焦克新（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“Microstructure and mechanical properties investigations of copper-steel composite fabricated by explosive welding”。在该文中，研究人员研究了铜-钢板材爆炸焊的显微组织和力学性能。

【图文导读】

图1 爆炸焊原理图

图2 拉伸试样的尺寸

图3 铜-钢界面横截面显微组织图

（a）典型波形界面的背散射电子成像

（b）涡旋区域局部放大图

（c）涡旋区及固固连接区

（d）涡旋区放大图

（e）截线1的EDS图

（f）固固连接区的放大图

（g）截线2的EDS图

图4 铜基体的EBSD结果

 （a）铜基体的二次电子显微图

（b）铜基体的EBSD反极图

（c）晶体取向-颜色关系图

（d）再结晶分布图

（e）铜晶粒尺寸分布图

图5 铁基体的EBSD结果

（a）铁基体的二次电子显微图

（b）铁基体的EBSD反极图

（c）晶体取向-颜色关系图

（d）再结晶分布图

（e）晶粒尺寸分布图

图6 过渡层EBSD图

（a）二次电子显微图

（b）EBSD反极图

（c）再结晶分布图

（d）铜和铁的相图

（e）过渡层显微组织的TEM图

（f）过渡层铜和铁的晶粒尺寸分布图

图7 显微硬度图

图8 过渡层纳米压痕实验

 （a）纳米压痕区的背散射电子图

（b）压痕A-C的P-h曲线

（c）计算得到的纳米硬度

图9 拉伸实验过程中的LSCM图

图10 拉伸实验得到的应力-应变曲线

图11 拉伸断口形貌

【小结】

主要结论如下：

（1）铜/钢界面呈周期性的波浪结构，包括涡流区和固固连接区。铜/钢之间过渡层的厚度在涡流区和固固连接区是变化的，使得界面的显微组织不一致。

（2）铜基体、铁基体和过渡层的EBSD结果表明：在铜基体中有典型的退火孪晶结构。铜晶粒的尺寸取决于爆炸焊工艺和热处理以后的再结晶过程。在铁基体的结合面附近有很多结晶颗粒，绝热剪切带为更为细小的等轴晶。由于应力波的传播，使得晶粒发生变形，最终不同区域的晶粒取向各不相同，表明晶粒存在择优取向分布。过渡区的晶粒尺寸只有60nm左右，远小于铁基体中的晶粒尺寸。超细的等轴晶对获得优异的焊接接头至关重要。

（3）显微压痕及纳米压痕分析结果表明界面的硬度（330.9MPa）、变形区（Cu为100HV，Fe为286.8HV）要比基体的高。由于过渡区纳米晶的存在使得硬度更高。拉伸实验结果表明裂纹并不是沿着界面结构扩展，而是在铜基体中，这说明接头质量较好。

文献链接：Microstructure and mechanical properties investigations of copper-steel composite fabricated by explosive welding（Materials Science and Engineering: A，2018，doi.org/10.1016/j.msea.2018.06.051）。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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