（机械工程专业论文）焊接铜钢复合板的热处理研究.pdf

、! ： 、一i o 、上 ii_1-ll 1 1，j】1 ， t h er e s e a r c ho fw e l d i n gc o p p e r s t e e l c o m p o s i t ep l a t eb y h e a tt r e a t m e n t b yj i n gg a o f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh u a i l gx u q i a l l g n o r t h e a s t e mu n i v e r s 时 m a r c h2 0 0 8 ，。 ： 了 l t 独创性声明 学位论文作者签名：穿b 凸事 日 期：z 驴护缪； i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 、，。 东北大学硕士学位论文 摘要 焊接铜钢复合板的热处理研究 摘要 铜钢复合材料不仅具有铜的导电、导热率高、耐蚀性强、外表美观等优点，也具 1 h有钢的强度高、韧性好、成本低等一系列优点。所以铜钢复合材料被广泛的应用于电 ， 器、冶金、汽车、船舶和机械等各个领域。 、 本文采用了“焊接+ 轧制 的方法成功地制取了铜钢复合板，并对复合板进行了不 同加热温度和保温时间的热处理，利用金相显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 等检测手 段对其界面处组织、成分进行了较为详细的分析研究，同时也对复合板进行了拉伸、弯 曲、剪切等力学性能测试。 研究表明： 1 、不同的加热温度和保温时间的热处理对焊接铜钢热轧复合板f e 元素、c u 元素 的扩散情况无明显影响。 2 热处理温度低于6 0 0 时，复合板组织无明显变化，铜侧组织为沿轧制方向被拉 长了的q 单相组织，钢侧为铁素体和少量的珠光体组织； 3 热处理温度高于6 0 0 时，复合板发生了再结晶变化。随着热处理温度的升高和 保温时间的加长，晶粒继续长大。 4 热处理后，铜钢复合板的抗拉强度和抗弯强度均降低了，且随着热处理温度的 升高呈下降趋势；而复合板的剪切强度无明显变化。 关键词：铜钢复合板；热处理；结合界面；组织；成分；力学性能； 一 【 a 一 东北大学硕士学位论文摘要 t h er e s e a r c ho f w e l d i n gc o p p e r s t e e l c o m p o s i t ep l a t eb y h e a tt r e a t m e n t a bs t r a c t c o p p e r s t e e lc o m p o s i t ep l a t en o to i l l yh a v es o m ea d v a n _ t a g e so fc o p p e rs u c ha sg o o d c o i l d u c t i i 培e l e c t r i c i 劬l l i g l l 电r 卸陷m i t t i n gh e a t 船t e 孤db e a m i 丘l l 印p e a r a n c e ，b u ta l s ol l a v e s o m e 缸i v 础g e so fs t e e ls u ( 血a s1 1 i g hs 仃e n g t l l ，g o o dt o u g l l i l e s s 砒l dl o wp r i c ee t c h e n c e ， t h ec o p p e r s t e e lc o i n p o s i t ep l a t ew 弱w i d e l yl l s e di i lm 削l u 玛y ，a u t o m o b i l e ，蛳p p i l l g ， m e c b a n is ma n ds oo n i l l i sp a p e rs u c c e s s m l l yo b t a i n e dc o p p e r s t e e lc o n l p o s i t ep l a t eb y “w e l d i n g + i i o u i n g ” m e t h o d a r e rh e a tt r e 舳e n to fd i 仔e r e n th e a tp r e s e r v a t i o nt i i i l e 觚dt e m p e r a ：t i l r e ，p a i t i c i l l a d y 锄a l y z e dt 1 1 e 缸e r 】em i c r o s t n l c t l 鹏趾dc o i n p o n e n tu s i i l gm e t a l l o g 哪灿c 血c r o s c o p e 、 s e mi nm ep 印既t h e p a p e rm s ot e s t e d 恤m e c h 撕c a lp r o p e n i e so f 恤c o m p o s i t ep l a t es u c h 嬲：t e n s i l et e s t 、 b e n d i n gt e s t 、s h e a rt e s te t c t h er e s u h ss h o w n l a t ： 1 、b y d i a e r e n th e a tp r e s e r v a t i o nt e m p e r a l i l r e 龇l dd i 航r e n th e a tp r e s e r v a t i o nt i m e ，廿l e p e r v a s i o no ff ee l e m e ma i l dc ue l e m e n tw 硒b a s i c a l l yn o ti n n u e n c e d 2 、t h en l i c r o s m 】曲矾o ft h e 缸e m i c ec o p p e rs i d eo fm eh o t r o l l e dw 鹤廿l ea s i n g l e - p h a s et 1 1 a te l o n g a t e da l o n gt 1 1 er o l l i i l gd i r e c t i o n ，a l l ds t e e ls i d e 、e r ef e 玎i t ea n das m a l l a m o u l l to fp e a r l i t e t h ei i l t e r f a c en l i c r o 舭t u r eo ft l l er o l l e dr m c r o s t m c t u r ek d1 1 0o b v i o u s c h a i l g eb e l o w6 0 0 3 、a f 衙锄e a l i n go fa b o v e6 0 0 ，t l l ei n t e r f a c em i c r o s m 舳mh a dh 印p e n e do b v i o u s r e c r y s 诅l l i z a t i o n t h ec r y s t a lw a s 孕o w i i l gu pg 阳d u a l l y 、杭t ht l l eh e a tp r e s e a t i o nt e m p e r a t u r e r i s i i l ga n d t l l eh e a tp r e s e n ，a t i o nt i m el e n g m e i l i n g 4 、t h em e c i 瑚1 i c a lp r o p e m e st e s to f t h ec o p p e r s t e e lc o m p o s i t ep la _ t es h o w i lm a t ：剐置e r a n n e a l i n g ，t l l et e n s i l es t r e n g t l la n db e n d i n gs 仃e n g mo f 1 ec o m p o s i t ep l a t e 、e r ed e c l i n e d w i t hn l er i s i i l go ft l l eh e a t 仰e a t i i l gt e m 肼肛i t l l r e ，n l et e i l s i l es t r e n g t l l 锄db e n d i n gs t r e n g t l l p r e s e m e df 砒lo u tt e n d e n c y ，w h ilet l l es h e a rs t r e n g m i a dn 0o b v i o u sc h a i l g e i n 东北大学硕士学位论文 摘要 k e y w o r d s ： c o p p e r s t e e lc o m p o s 沁p l a t e ；h e a t 仃e a ：n i l e m ；c l a d 缸e k e ；i i l i c r o s 毗t u r e ； c o m p o n e n t ；m e c h a l l i c a lp r o p e r t i e s r，ak 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 金属复合板1 1 1 1 简介1 1 1 2 金属复合板的性能与应用2 1 1 3 金属复合板的生产方法2 1 2 固体中的扩散3 1 2 1 扩散的宏观规律3 1 2 2 扩散微观机制4 1 2 3 影响扩散的重要因素5 1 3 结合界面6 1 3 1 界面的概念6 1 3 2 界面类型6 1 3 - 3 界面研究的意义7 1 4 回复与再结晶7 1 4 1 金属及合金在退火过程中的变化7 1 4 1 回复8 1 4 2 再结晶8 1 4 3 晶粒长大一9 1 4 4 金属的热变形l0 1 5 本课题的研究目的和主要研究内容。l o 1 5 1 研究目的1 0 1 5 2 主要研究内容1 1 1 6 本课题的研究意义1 1 第二章实验方法1 2 2 1 实验过程1 2 2 1 1 复合板的制取过程1 2 2 1 2 热处理过程1 2 东北大学硕士学位论文目录 2 2 实验原料1 3 2 3 样品获取与制备1 3 2 3 1 样品获取1 4 2 3 2 样品制备1 4 2 4 实验设备与使用仪器1 4 第三章热处理对铜钢复合板界面处组织的影响16 3 1 铜钢复合板热处理前界面处的组织形貌1 6 3 2 铜钢复合板热处理后界面处的组织形貌1 8 3 3 热处理对铜钢复合板结合界面处成分的影响2 1 3 3 1 线扫描分析2 1 3 3 2 面扫描分析2 6 3 3 3 能谱分析2 7 3 4 显微硬度分析3 3 3 5 本章小结3 6 第四章热处理对铜钢复合板力学性能的影响3 7 4 1 拉伸试验3 7 4 1 1 试样尺寸3 7 4 1 2 取样数量与方向3 8 4 1 3 试验结果与数据分析3 8 4 2 弯曲试验。4 2 4 2 1 试样尺寸4 2 4 2 2 取样数量与方向4 2 4 2 3 试验结果与数据分析4 3 4 3 剪切试验。4 4 4 3 1 试样尺寸4 4 4 3 2 取样数量与方向4 5 4 3 3 试验结果与分析4 5 4 4 本章小结4 6 第五章结论4 7 参考文献4 8 致谢5 0 ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百y 匕 人类为了谋求生存和进步，企求理想材料制成新工具的愿望总是随着历史的发 展不断前进的。因此，人类发展的历史就和材料的发展的历史息息相关，历史学家 也把人类的发展史按石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代来划分。研究人 类历史的人们都可以清楚地看到，人类历史上各方面的进步是和新材料的创造、出 现和应用分不开的l l j 。随着科学技术、特别是高新技术的迅速发展，对材料提出了 越来越苛刻的要求，单一材料已无法满足使用中所需的全部性能。这就需要一类新 型材料一复合材料的产生。复合材料是由两种或两种以上性质不同而互补的材料所 组成的、并被赋予新特性的材料结构。复合材料在国民经济中已发挥出重大作用， 发达国家一直把它列为战略材料，列入为数有限的国防研究重点项目之一。复合材 料的最大特点是具有优异的综合性能和可设计性，它在航空航天等高新技术中发挥 了重要的作用，并在建筑、交通运输、化工等领域得到了广泛的应用，而且在未来 的新能源开发中也是理想的材料。复合材料的发展非常迅速，从4 0 年代开始到现在， 发展的历史虽然不长，但已经历了三个阶段【2 】：第一代复合材料的代表是玻璃钢， 其使用温度和弹性模量均较低；第二代是6 0 年代中后期发展起来的以碳纤维等高性 能增强剂和一些耐高温树脂基构成的高性能树脂基复合材料；第三代是金属基复合 材料、陶瓷基复合材料和碳碳基复合材料等。本文研究的铜钢复合板就属于金属 基复合材料【3 圳。 1 1 金属复合板 1 1 1 简介 金属复合板的研究最早是由美国于1 8 6 0 年开始的，经过一百多年的发展，金属 复合板的生产技术得到不断提高，生产方法也日益增多。2 0 世纪7 0 年代国外开发 成功“爆炸焊接+ 热轧 的工艺，两者的结合弥补了单纯采用爆炸焊接对产品厚、宽 和长度尺寸的限制，可以生产出薄规格、成卷以及异型复合材料。在日本，采用直接 轧制法生产不锈钢与碳钢的复合板工艺已较为成熟，而且其界面抗剪强度较高，不结 合面所占比例较小。我国的复合板研制起始于2 0 世纪6 0 年代初，主要方式有爆炸焊 接、爆炸焊接+ 轧制、冷轧、热轧等，但实物质量水平还有待提高，主要表现在未结合 面积占有的比例较大，结合面抗剪强度较低以及复层金属厚度不均等方面。多层金属 板的复合在国内仍处于试验阶段。总的来说，我国的复合板生产水平与国外先进技术 相比仍存在不少差距，但是在某些方面已经同国外水平相当，如不锈钢复合板爆炸焊 东北大学硕士学位论文第一章绪论 接结合率，脆性材料的复合、合理热处理工艺制度以及焊接工艺的确定等【5 刁】。 1 1 2 金属复合板的性能与应用 金属复合材料是由两种或两种以上金属经复合而形成的一种新型材料，由于其 工艺的先进性和材料本身的技术特性，因而复合板材具有单种金属材料不可比拟的 优点【6 】： l 复合板结构中，基、复材的比例比较大，节约了贵重金属，显示了价格上的 优越性。如钛钢、镍钢复合板的价格仅相当于纯钛和纯镍板的l 5 1 l o 。 2 良好的综合性能。如不锈钢碳钢复合材料在弱腐蚀行业的应用既解决了材料 、 的耐蚀性，又解决了其设计强度。 3 解决了材料的焊接性问题。由于其优越的技术特性以及其优越的性价比，也 使复合板的应用前景非常广阔。如不锈钢复合板可广泛应用于石油化工、机械、医 药卫生、环境保护等行业。钛复合板在航空工业、宇航、冶金等行业的应用将会有 很大的发展空间。 由于金属复合板能够兼具多种材料的优良性能而一直受到人们的重视。如钢 不锈钢复合钢板。不锈钢由于其机械性能好，美观耐用，在建筑行业中得到较为广 泛的应用，但不锈钢的一个重要缺点是其成本太高，而采用钢不锈钢复合板就可解 决这个问题。钢不锈钢复合板即具有不锈钢的美观耐用性、成型性、耐腐蚀性等优 良性能，又有碳钢的高强度和低成本的优点，因而应用前景广阔。 1 1 3 金属复合板的生产方法 目前金属复合板的生产方法从总体上可以分为三大类：固固相复合法、液一固 相复合法和液一液相复合法。每种方法都有其不同的特点和应用范围。 1 1 3 1 固一固相复合法 它是将两层或多层已经成形的金属板料，在接触面经过清理后，焊接成一体， 或将板料叠加直接进行轧制，形成复合板的工艺方法。其中包括爆炸焊接复合法、。 扩散焊接复合法、钎焊复合法、轧制复合法等【啪】。 目前，轧制复合法主要是热轧复合法或者热轧与冷轧相结合的工艺。轧制复合 。 法的缺点是制造过程工序多，因此不宜生产小规格的复合板【1 0 。12 1 。 1 1 3 2 液一固相复合法 它是将一种材料( 液相) 采用不同的方式均匀浇注到另一种材料( 固相) 表面，通 过两种金属材料间的中间反应实现金属的结合，待液态金属凝固后形成复合材料，然 后再进行压力加工的工艺方法。对于液一固相复合法，界面预处理是关键，如果预处 理效果不好，则会出现被氧化或污染，界面无法良好复合。 ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前研究开发的将液体浇注到固体材料表面的方法主要有直接浇铸法、铸轧法、 浸入法、反向凝固法以及喷射成形法等【1 3 小】。 1 1 3 3 液一液相复合法 工业的高速、高效及多样化发展需要开发新的复合钢板的生产方法，应用连铸技 术生产复合钢板由此应运而生。由于液一液相复合法可以免去基板表面活化处理等工 序，而且连铸结晶器控制技术的不断发展，使得连铸生产复合板成为可能【l5 1 。 以上分别介绍了金属复合板的一些生产方法，其中轧制复合法、爆炸焊接复合 法等已经被广泛的应用于实际生产中。但由于这些方法本身的一些缺陷导致其在复 合板的实际生产中受到了一定的限制。例如轧制复合过程由于没有充分的扩散和化 学反应，因此复合界面的过渡结构未能完全实现，因此结合晃面的强度等性能仍存 在缺陷；而爆炸结合法机械化程度低，工作条件差，且有一定的危险性以及制备的 金属板变形大、不平整等。所以铜钢复合板生产方法的研究有待于进一步完善。 焊接技术及工艺是复合材料实用化必须解决的关键问题之一，因此研究复合材 料的焊接性具有非常重要的意义。金属复合板的焊接技术以其界面结合强度高、界 面的显微组织和性能与基体金属接近以及操作过程简单等优点已经受到了国内外的 高度重视。美国从六十年代起就开始了复合材料焊接的研究工作，已成功的解决了 b a l 的钎焊、a 1 2 0 3 p a l 及b 4 c p a l 的氩弧焊等问题。日本则对a 1 2 0 3 纤维、短纤维 及粒子强化的a l 基复合材料的各种焊接方法进行了广泛而深入的研究。英、法、俄 等国在复合材料的焊接方面也做了大量工作。 1 2 固体中的扩散 由于热运动而导致原子( 或分子) 在介质中迁移的现象称为扩散。扩散是在固 体中质量传输的唯一途径。它和材料中的很多现象有关，因此扩散是影响材料的微 观组织和性能的重要过程因素【1 6 】。 1 2 1 扩散的宏观规律 十九世纪五十年代，菲克( a f i c k ) 首先总结提出了各向同性介质中扩散过程 的定量关系扩散定律( 也称菲克定律) 。 菲克( a f i c k ) 第一定律指出，在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积 的扩散物质量( 也称扩散通量) 与该截面处的浓度梯度成正比。数学形式为： ，：一d 丝 叙 ( 1 1 ) 也称第一扩散方程。式中比例系数d 称为扩散系数( s i 制单位为川s ) 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 菲克第一定律可直接用于处理稳态扩散问题。此时浓度分布不随时间变化，处理过 d ca c 程中可用全微分出代替式中的偏微分缸。 菲克第二定律是为了解决浓度随时间不断变化的非稳态扩散过程而提出的。菲 克第二定律的数学表达式为： 堡：旦f d 丝1 a 融l 苏 ( 1 2 ) 也称第二扩散方程。扩散系数d 一般与浓度c 有关。但如果浓度变化范围不大，为 了便于求解，可近似取d 为一个与无关的常数，则表达式也可以写为 、 丝：d 堡 钟缸2 ( 1 3 ) 1 2 2 扩散微观机制 1 间隙机制 当晶体中存在小的间隙原子时，这些间隙原子一般通过晶格间隙之间的跃迁实 现扩散【1 3 1 。 2 空位机制 根据统计热力学，绝对零度以上处于热平衡状态的晶体中总存在一定数量的空 位。在自扩散或置换原子参与的扩散( 置换扩散) 过程中，扩散原子离开自己的点 阵位置去填充空位，而原先的点阵位置形成新的空位。随着这一过程不断进行，就 形成了扩散原子与空位的逆向流动。显然，正是空位流造成了科肯道尔效应【17 1 。 3 填隙机制 本应处于点阵位置的原子有时会出现在间隙位置。它们会将邻近点阵原子挤到 间隙中，并取而代之。由于形成这种间隙原子所需能量较高，一般情况下这类缺陷 浓度十分低，为此对扩散贡献不大。但辐照可大大增加此类缺陷【16 1 。 4 直接换位机制和环形换位机制 此类机制需要有两个或更多的原子协同跳动，所需能量也较高( 特别是直接换 位机制) ；而且以此类机制换位的结果必然是通过界面流入和流出的原子数目相等， 不可能产生科肯道尔效应【16 1 。 5 反应扩散 通过扩散使固溶体内的溶质组元超过固溶极限而不断形成新相的扩散过程称反 应扩散或称相变扩散。材料中的许多相变过程均与反应扩散有关。反应扩散析出的 新相与原来的基体相之间存在明显的宏观界面。反应扩散的实际例子很多，如钢的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 氧化、渗氮等16 1 。 1 2 3 影响扩散的重要因素 1 温度 无论扩散以何种机理进行，扩散系数与温度t 的系数可用艋h e n i u s 公式表示： 。= d o 唧( 一荆 4 ， 式中q 扩散激活能； k 波耳兹曼常数 温度升高，原子热运动加剧，扩散系数很快地提高。扩散激活能取决于扩散机能。 2 晶体的类型与结构 在金属中扩散原子可通过热运动进入相邻的任何一个空位或间隙。但在晶体化 合物中，扩散离子要进入具有相同电荷的平衡位置需要移动更长的距离，同时还要 受到相邻离子电荷的作用。因此与金属相比，晶态化合物的扩散系数低而扩散激活 能高【1 7 】。 晶体中的扩散是扩散原子或离子在点阵阵点或间隙之间的迁移，因此同一物质 的扩散系数与其晶体结构有关。一般非密排结构的晶体比密排结构的晶体具有更高 的扩散系数。 由于晶体中阵点的间隙位置的排列因晶体学位向不同而异，因此晶体中的扩散 也会随之变化。 3 晶体缺陷 晶体中点、线、面缺陷都会影响扩散。关于点缺陷和晶界的影响已经有过介绍。 位错对扩散的影响在某些方面与晶界相似。可近似地将位错看成加速扩散的“管道 。 其影响在扩散物质浓度较低时更加突出。冷变形可使金属中的位错密度增加，从而 起加速扩散的作用。值得注意的是位错和空位都可促使置换扩散，但间隙溶质原子 落入位错中心或空位中会减少局部畸变，降低体系自由能。间隙原子要脱离这些晶 体缺陷发生扩散所需的能量就增加了，因此这些晶体缺陷会对间隙扩散起阻碍作用 【1 7 】 o 4 化学成分 金属的自扩散激活能随金属熔点提高而增大；通常若向组元a 内加入组元b 可 使其熔点下降，则系统互扩散系数增加；对于晶态化合物，加入杂质或改变化学配 比可使之成为非化学计量化合物都可引入非本征扩散。此外，第三组元的存在也会 产生很大的影响【17 1 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 结合界面 1 3 1 界面的概念 界面是一个广义的概斛1 3 】，对于复合材料结构，它可在不同尺度范围内定义， 包括构件与构件之间的粘接界面、层合板的层间界面、组分材料之间的界面、基体 或增强材料内部的晶体界面等。本文主要讨论的是组分材料之间的界面，它是基体 和增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能传递载荷作用的区域。 界面并不是一个几何面，而是一个过度区域。一般说这个区域从增强物内部性质不 同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点为止。该区域材料的结构与性能 不同于组分中的任何一个，称此区域为界面相( i n t e r p h a s e ) 或界面层( i n t e r l a y e r ) 。 界面和界面相是有区别的，如图1 6 所示，但习惯上把界面相的研究统称为界面问 题。 ：_ ：j ：i ? ：、：、 基体 ，一一。蔷 、 一- 一一- ，p _ 。 、j ，t 、 。、+ 界。面柏。：? 一- 一_ _ j 。 。+ 界面 增强物 图1 6 界面示意图 f i g 1 6t h es c h e m a t i cp i c t u r e0 f 。t h ei n t e r f a c e 1 3 2 界面类型 复合材料中实际存在的界面分四类1 9 】： 1 机械结合。基体与增强材料之间没发生化学反应，纯粹靠机械连接。这种结 合是靠粗糙的纤维表面和基体产生摩擦力而实现的，因此只能承受正向载荷。 2 溶解和润湿结合。首先液态基体润湿增强材料，然后发生相互原子扩散，产 生互相溶解，形成结合。界面是溶质浓度从0 到1 0 0 的过度带。 3 反应结合。基体与增强材料问发生化学反应，生成化合物，并且还通过扩散 发生元素交换，形成固溶体而将两者结合。 4 混合结合。这种结合较普遍，是最重要的结合方式，是以上几种结合式中的 几个的组合。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 界面研究的意义 界面是复合材料极为重要的微结构，它作为增强纤维与基体连接的纽带对复合 材料的物理、化学、及力学性能有着至关重要的的影响。第一、界面影响到纤维与 基体之间的应力传递，从而决定复合材料的强度，尤其是偏轴向强度；第二、晁面 影响到复合材料损伤累积与裂纹的传播历程，从而决定复合材料的断裂韧性；第三、 界面直接影响到复合材料的耐环境、介质稳定性，甚至影响到复合材料的功能性【i 引。 复合材料界面的重要性已经得到广泛的承认。许多国家都相继展开了界面微区 的研究和优化设计研究，以充分挖掘复合材料的潜力，制得综合性能更加优异的复 合材料。在高技术新材料发展中，界面结构的研究起着重要作用。界面问题是复合 材料的核心问题，它涉及到表面物理、表面化学、力学等一系列学科。界面研究早 在2 0 世纪6 0 年代开始，人们对界面的结构与性质以及它们与总体性能之间的关系 进行了广泛研究。然而，以往的研究工作大部分停留在微米尺度，其结果具有统计 平均性质，而大量的结构被掩盖。因此，只有深入了解界面的几何特征、化学键合、 界面结构、界面的化学缺陷与结构缺陷、界面反应与界面稳定性及其影响等因素， 才能在更深的层次上理解界面一材料性能之间的关系。 金属基复合材料都需在金属基体合金熔点附近的高温下制备。在制备过程中， 难免存在不同程度的基体与增强体之间的界面反应、溶解、扩散、元素偏聚，以及 纤维、晶须、颗粒等增强物与金属基体合金发生不同程度的相互作用和界面反应， 形成不同结构的界面。界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决定性的作用， 深入研究和掌握界面反应和界面对性能的影响规律，有效地控制界面的结构和性能 是获得高性能金属基复合材料的关键【1 。2 1 。 界面研究的成果不仅会给复合机理的研究带来促进作用，而且这项工作的深入 开展还关系到研究物质表面结构与性能的现代新技术和新仪器的进展，为推动金属 基复合材料的发展应用起了巨大的作用【l 9 1 。 1 4 回复与再结晶 1 4 1 金属及合金在退火过程中的变化 1 显微组织的变化 将冷塑性变形的金属材料加热到0 5 t 熔温度附近，进行保温，随时间的延长【7 】。 第一阶段显微组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，称为回复阶段。第二阶段 完全变成新的等轴晶粒，称为再结晶阶段。第三阶段称为晶粒长大阶段。 2 储存能释放与性能变化 东北大学硕士学位论文第一章绪论 冷塑变形时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量叫 储存能。储存能的释放使金属的对结构敏感的性质发生不同程度的变化。 1 4 1 回复 低温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失， 空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下 降。 中温回复时随温度升高原子活动能力增强，位错可以在滑移面上滑移或交 滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶 规整化。 高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是 多边化。 冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱 分布。高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑移，由原来能量较高的水平降 低【2 0 2 1 1 。 1 4 2 再结晶 冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶 粒的过程叫再结晶。再结晶包括形核与长大两个基本过程。 1 再结晶的形核机制 小变形量是弓出形核机制；亚晶合并机制；亚晶蚕食机制。 2 影响再结晶的因素。 影响再结晶的因素主要有以下几个方面【2 2 】： ( 1 ) 温度，热温度越高，再结晶转变速度v 再越快，完成再结晶所需的时间也 越短。 ( 2 ) 变形程度，金属的变形度越大储存能也越多，再结晶驱动力也越大，因此 再结晶速度也越低。 ( 3 ) 微量溶质原子，不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结晶，使再结晶温度 升高。 ( 4 ) 原始晶粒尺寸，晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶 温度越低。 ( 5 ) 分散相粒子，分散相粒子直径较大，粒子间距较大的情况下，再结晶被促进： 而小的粒子尺寸和小的粒子间距，再结晶被阻碍。 东北大学项士学位论文 第一章绪论 3 再结晶后晶粒大小 ( 1 ) 变形度的影响 变形量很小时，储存能少，不足以发生再结晶，故退火后晶粒尺寸不变：能发 生再结晶的最小变形度通常在2 一8 范围内，此时驱动力小，形核率低，最终能 长大的晶粒个数少，再结晶退火后晶粒特别粗大，称为“临界变形度 ；超过临界 变形度随变形度增加，储存能增加从而使再结晶驱动力增加，导致生核率n 与长 大率g 同时增加，但由于n 增加速率大于g ，同时增加但由于n 增加速率大于g ， 故再结晶后的晶粒得到细化。对于有些合金，当变形量相当大时再结晶晶粒义会更 新粗化，这是晶粒异常长大造成的。 ( 2 ) 退火温度的影响 提高退火温度，不仅使再结晶的晶粒长大，而且使临界变形度变小，临界变形 度越小，再结晶后的晶粒也越粗大。 1 4 3 晶粒长大 冷变形金属在完成再结晶后，继续加热时，会发生晶粒长大。晶粒长大又可分 为正常长大和异常长大( 二次再结晶) 。 1 晶粒的正常长大 结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒，当升高温度或延长保温时间，晶 粒仍可继续长大，若均匀地连续生长叫正常长大。 ( 1 ) 影响晶粒长大的因素 温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸后就不再长大， 但提高温度后晶粒将继续长大；杂质与合金元素杂质及合金元素渗入基体后能阻碍 晶界运动；第二相质点弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大受到 抑制。 ( 2 ) 相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低，故界面移动的 驱动力小，晶界移动速度低，界面能高的大角度晶界可动性高。 2 晶粒的异常长大： 异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶，是一种特殊的晶粒长大现 象。 发生异常长大的条件是，正常晶粒长大过程被分散相粒子，织构或表面热蚀沟 等强烈阻碍，能够长大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。晶粒尺寸差别越 大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利，大晶粒的长大速度也会越来越快，最后形成 东北大学硕士学位论文 晶粒大小极不均匀的组织。 二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织，从而降低了 与塑性。因此在制定冷变形材料再结晶退火工艺时应注意避免发生二 1 4 4 金属的热变形 热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。工业生 进行的锻造，轧制等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部同 工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。 1 、动态回复 动态回复主要发生在位错能高的金属材料的热变形过程中，动态回 或唯一的软化机制。 2 、动态再结晶 随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快，软化作用逐 软化作用开始大于加工硬化作用时。曲线开始下降。当变形造成的硬化 成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。在低应变速率下，与其 态阶段的曲线呈波浪形变化，这是由于低的应变速率或较高的变形温度 度增加速率小，动态再结晶后，必须进一步加工硬化，才能再一次进行 核。 因此这种情况下，动态再结晶与加工硬化交替进行，使曲线呈波浪 偏低的材料如铜及其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。故动态再结 能金属材料热交形的主要软化机制。 3 、热加工后的组织及性能 金属高温塑性好，变形抗力低。可进行大量的塑变，使铸锭中的组织缺陷明显 改善。如使气泡焊合提高了材料的致密度和机械性能，改善了组织 热加工过程中，某些枝晶偏析，晶界杂质偏聚。夹杂物或第二相粒子将随变形 的进行，沿加工变形方向分布，在浸蚀的宏观磨面上，可看到沿变形方向分布的形 态呈纤维状的“流线 。 1 5 本课题的研究目的和主要研究内容 1 5 1 研究目的 本课题的研究目的是通过对铜钢复合板( 焊接与轧制后) 的界面特征、组织、 成分以及模拟各种工作条件热处理后界面处组织的变化特点、界面区的成分变化特 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 征、力学性能的测试，深入理解热处理对铜钢复合板界面的组织、成分的影响规律 以及热处理对复合板力学性能的影响，为金属复合板的制造和实际工作应用提供理 论基础。 1 5 2 主要研究内容 本课题选用在钢板上堆焊( t i g 焊) 覆层铜，然后进行轧制，进行如下分析和 研究： 1 观察分析焊接板轧制后复合板结合界面处的组织、成分等变化情况； 2 对复合板采用不同温度、不同保温时间的热处理； 3 观察分析不同的热处理方式对复合板结合界面处的组织、成分等的影响； 4 复合板不同热处理后的力学性能测试，包括拉伸、剪切、弯曲。 1 6 本课题的研究意义 铜钢复合板是一种双金属复合材料，以碳素钢或低碳合金钢为基体金属，一面 或两面用各种方法机械地覆上紫铜或黄铜。这种材料既具备铜的高导电性、耐蚀性、 良好的焊接性等优点，也具备钢的强度高、韧性好、价格便宜等一系列优点。可以说， 铜钢复合材料在机械、电气、汽车、船舶、冶金、矿山等设备零件的制造方面，是 一种具有广阔应用前景的材料。 本论文采用堆焊+ 轧制的方法制取了铜钢复合板，此复合板既具备了焊接复合 板的界面结合强度高的优点，也具备了轧制复合板界面的显微组织均匀等优点。研 究不同的热处理方式对界面和力学性能的影响，可以了解复合板在实际应用中界面 和性能的变化情况，不但为工业生产提供理论指导而且为工业应用提供理论指导。 东北大学硕士学位论文 第二章实验方法 2 1 实验过程 第二章实验方法 本课题实验主要包括两部分，具体流程如图2 1 ： 图2 1 实验流程图 f i g 2 1t h ef i r s tn o w c h a no ft h et e s t 2 1 1 复合板的制取过程 本实验的焊接过程主要是将铜焊丝熔化均匀的堆焊在碳钢板上，采用的焊接方 法为钨极气体保护电弧焊( t i g 焊) 。本实验轧制了五道次，轧制到1 0 姗，初始轧制 温度为9 0 0 。 2 1 2 热处理过程 复合金属材料的热处理与单金属材料的热处理相差不多，都是以一定的速度将 材料加热到预定的温度，在此温度下保温一定的时间，然后以一定的方式冷却。本 东北大学硕士学位论文第二章实验方法 文采用加热后长时间保温的热处理方式，主要目的是模拟不同温度条件下界面处的 主要元素( 主要是f e 、c u ) 的扩散以及复合板力学性能的变化。 表2 1 热处理工艺 t a b l e2 1t h ep r o c e s s0 ft h eh e a tt r e a t m e n t 1 试样共9 件，o 号试样为轧制复合板直接切下的样件。 2 各样件均为空冷。 2 2 实验原料 铜焊丝与q 2 3 5 钢的成分及性能见表2 2 与2 3 ： 表2 2 铜焊丝与q 2 3 5 钢的化学成分 t a b l e2 2t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to ft h ec o p p e rw e l d i n gw i r ea n dq 2 3 5s t e e l 成分( )c m ns i s p c u f e 铜焊丝 0 2 o 5o 2 o 5o 0 2 0 1 5其余_ q 2 3 5 ( a ) 0 1 4 o 2 2o 3 旬6 50 3o 0 5 o 0 4 5 一其余 表2 3 铜焊丝与q 2 3 5 钢的力学性能 t a b l e2 3t h em e c h a n i c sc a p a b i l i t yo ft h ec o p p e rw e l d i n gw i 豫a n dq 2 3 5s t e e l o b ( m p )o 。( m p )6 ( ) h v 铜焊丝2 1 0 q 2 3 5 ( a ) 3 7 5 5 0 02 3 52 61 2 0 2 3 样品获取与制备 本实验主要研究的是不同热处理条件对铜钢复合板结合界面处的影响和力学性 能的影响，包括金相分析( o m ) 、扫描电镜分析( s e m ) 、以及维氏硬度测试分 东北大学硕士学位论文 第二章实验方法 析和力学性能分析。 2 3 1 样品获取 为了尽量降低取样过程对界面组织与性能的影响，采用线切割进行取样。 2 3 2 样品制备 2 3 2 1 金相样品制备 对于异种金属材料焊接接头来说，制各金相样品的主要困难在于接头中不同材 料的腐蚀性能差异悬殊，很难用一种腐蚀剂同时侵蚀出接头不同特征的显微组织， 通常需要采用不同的试剂进行多步侵蚀，在多步侵蚀中还要注意每步侵蚀之间不应 相互影响和干扰。 试样制备步骤如下： 1 样品截取：用线切割法在复合板上切取尺寸为1 0 1 0 m m 【2 3 1 ( 厚度为原复合板 厚度) 的试样若干。用于金相、成分和硬度分析。 2 研磨和