Mater. Sci. Eng. A：銅-鋼復合板爆炸焊顯微組織及力學性能研究

【引言】

銅具有良好的熱導率、塑性和耐腐蝕性能，所以銅在冶金、化學和石油行業得到了廣泛應用。然而純銅的變形能力差，線膨脹系數大，使得其應用得到了極大的限制。銅-鋼復合板具有高的熱導率和優異的力學性能，使得其具有廣闊的應用前景。人們對銅和鋼的焊接方法進行了很多嘗試，包括攪拌摩擦焊、激光焊以及爆炸焊等，雖然接頭金屬發生了熔化，但銅在鐵中的溶解度很小，并且低溫下不存在Fe-Cu相。而爆炸焊是一種固相連接技術，能夠實現銅和鋼的連接。

【成果簡介】

近日，北京科技大學的焦克新（通訊作者）在Materials Science and Engineering: A上發表了最新的研究成果“Microstructure and mechanical properties investigations of copper-steel composite fabricated by explosive welding”。在該文中，研究人員研究了銅-鋼板材爆炸焊的顯微組織和力學性能。

【圖文導讀】

圖1 爆炸焊原理圖

圖2 拉伸試樣的尺寸

圖3 銅-鋼界面橫截面顯微組織圖

（a）典型波形界面的背散射電子成像

（b）渦旋區域局部放大圖

（c）渦旋區及固固連接區

（d）渦旋區放大圖

（e）截線1的EDS圖

（f）固固連接區的放大圖

（g）截線2的EDS圖

圖4 銅基體的EBSD結果

?（a）銅基體的二次電子顯微圖

（b）銅基體的EBSD反極圖

（c）晶體取向-顏色關系圖

（d）再結晶分布圖

（e）銅晶粒尺寸分布圖

圖5 鐵基體的EBSD結果

（a）鐵基體的二次電子顯微圖

（b）鐵基體的EBSD反極圖

（c）晶體取向-顏色關系圖

（d）再結晶分布圖

（e）晶粒尺寸分布圖

圖6 過渡層EBSD圖

?

（a）二次電子顯微圖

（b）EBSD反極圖

（c）再結晶分布圖

（d）銅和鐵的相圖

（e）過渡層顯微組織的TEM圖

（f）過渡層銅和鐵的晶粒尺寸分布圖

圖7 顯微硬度圖

圖8 過渡層納米壓痕實驗

?（a）納米壓痕區的背散射電子圖

（b）壓痕A-C的P-h曲線

（c）計算得到的納米硬度

圖9 拉伸實驗過程中的LSCM圖

圖10 拉伸實驗得到的應力-應變曲線

圖11 拉伸斷口形貌

【小結】

主要結論如下：

（1）銅/鋼界面呈周期性的波浪結構，包括渦流區和固固連接區。銅/鋼之間過渡層的厚度在渦流區和固固連接區是變化的，使得界面的顯微組織不一致。

（2）銅基體、鐵基體和過渡層的EBSD結果表明：在銅基體中有典型的退火孿晶結構。銅晶粒的尺寸取決于爆炸焊工藝和熱處理以后的再結晶過程。在鐵基體的結合面附近有很多結晶顆粒，絕熱剪切帶為更為細小的等軸晶。由于應力波的傳播，使得晶粒發生變形，最終不同區域的晶粒取向各不相同，表明晶粒存在擇優取向分布。過渡區的晶粒尺寸只有60nm左右，遠小于鐵基體中的晶粒尺寸。超細的等軸晶對獲得優異的焊接接頭至關重要。

（3）顯微壓痕及納米壓痕分析結果表明界面的硬度（330.9MPa）、變形區（Cu為100HV，Fe為286.8HV）要比基體的高。由于過渡區納米晶的存在使得硬度更高。拉伸實驗結果表明裂紋并不是沿著界面結構擴展，而是在銅基體中，這說明接頭質量較好。

文獻鏈接：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）。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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