TA2-Q235B爆炸复合板钢侧组织特征

D0L:10.13374.issn1001-053x.2012.06.011 第34卷第6期 北京科技大学学报 Vol.34 No.6 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 TA2Q235B爆炸复合板钢侧组织特征 刘继雄 赵爱民江海涛“唐荻王进 北京科技大学治金工程研究院，北京100083 通信作者，E-mail:nwpujht(@yahoo.com,cn 摘要借助光学显微镜、电子背散射衍射和扫描电子显微镜等测试技术和手段，系统地研究热处理温度对TA2一Q235B爆 炸复合板钢侧组织转变的影响，并分析了其形成机理。结果表明：在热处理过程中，钢侧界面组织发生脱碳，形成完全由铁素 体组织组成的脱碳层，这些铁素体没有织构特征：当热处理温度在850℃及以下时，钢侧界面组织在靠近波头漩涡的地方发生 异常长大，形成粗大的铁素体：当热处理温度在900℃及以上时，钢侧界面组织在钛钢复合界面上发生异常长大，产生柱状的 铁素体组织.这些组织的形成受到碳元素的扩散和钢侧基体组织相变的共同作用.热处理过程中，界面产生的TC在界面上 分布不均，随温度升高，在界面局部富集，从而加速了碳元素向界面的扩散 关键词钛：碳钢；金属复合：爆炸焊接：界面结构；热处理；温度 分类号TG456.6 Microstructure features of the steel side in TA2-Q235B explosive clad plates LIU Ji-xiong,ZHAO Ai-min,JIANG Hai-tao,TANG Di,WANG Jin Metallurgical Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:nwpujht@yahoo.com.cn ABSTRACT The effect of heat treatment temperature on the microstructure transformation of the steel side in TA2-0235B explosive clad plates was studied by optical microscopy (OM),electron backscatter diffraction (EBSD)and scanning electron microscopy (SEM),and the formation mechanism was also analyzed.During the heat treatment process,the interface structure of the steel side decarburized,and a decarburized layer which is comprised of ferrite without structure characters formed.At 850C and below,the in- terface structure of the steel side near the swirl of the wave tip developed abnormally into big ferrite.At 900 C and above,the interface structure of the steel side unusually grew into a columnar-structure ferrite structure.These aforesaid structures are influenced by both carbon diffusion and the phase transformation of matrix microstructure in the steel side.During the heat treatment process,TiC genera- ted on the interface unevenly distributed on the interface,and locally accumulated on the interface with the increase of temperature, which accelerates the diffusion of carbon to the interface. KEY WORDS titanium:carbon steel:metal cladding:explosive bonding:interface structure;heat treatment:temperature 钛钢复合板充分利用钛材优异的耐蚀性能和钢 发生元素的扩散，使界面附近的组织发生转变，同时 材优良的力学性能，获得了良好的综合性能，并降低 会形成反应相，对界面结合性能产生重要影响.目 了材料成本.在化工、海水淡化、真空制盐和电厂脱 前对于钛钢复合板的爆炸复合工艺参数、界面组织 硫等领域得到了广泛地应用.爆炸法是生产钛钢复 特征和性能研究较多-.颜学柏等m研究了加热 合板的主要方法之一·它是利用炸药产生的高速冲 对钛钢爆炸复合板性能的影响.结果表明850℃以 击波，使钛材和钢材短时间内实现牢固地固相结合， 上加热使复合板的剪切强度和分离强度大大降低. 同时获得具有波状特征的界面，该界面上元素的扩 Akbari Mousavi等图研究了不同热处理工艺下钛钢 散距离短，脆性金属间化合物少，结合强度高.爆炸 爆炸复合板扩散区形成的界面金属间化合物的组成 法生产的钛钢复合板热加工过程中，复合界面上会 和厚度.另外国内外学者对热处理过程中在界 收稿日期：201104-24

第 34 卷 第 6 期 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 6 Jun． 2012 TA2--Q235B 爆炸复合板钢侧组织特征 刘继雄 赵爱民 江海涛 唐 荻 王 进 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 通信作者，E-mail: nwpujht@ yahoo． com． cn 摘 要 借助光学显微镜、电子背散射衍射和扫描电子显微镜等测试技术和手段，系统地研究热处理温度对 TA2--Q235B 爆 炸复合板钢侧组织转变的影响，并分析了其形成机理． 结果表明: 在热处理过程中，钢侧界面组织发生脱碳，形成完全由铁素 体组织组成的脱碳层，这些铁素体没有织构特征; 当热处理温度在 850 ℃及以下时，钢侧界面组织在靠近波头漩涡的地方发生 异常长大，形成粗大的铁素体; 当热处理温度在 900 ℃及以上时，钢侧界面组织在钛钢复合界面上发生异常长大，产生柱状的 铁素体组织． 这些组织的形成受到碳元素的扩散和钢侧基体组织相变的共同作用． 热处理过程中，界面产生的 TiC 在界面上 分布不均，随温度升高，在界面局部富集，从而加速了碳元素向界面的扩散． 关键词 钛; 碳钢; 金属复合; 爆炸焊接; 界面结构; 热处理; 温度 分类号 TG456. 6 Microstructure features of the steel side in TA2-Q235B explosive clad plates LIU Ji-xiong，ZHAO Ai-min，JIANG Hai-tao ，TANG Di，WANG Jin Metallurgical Engineering Research Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: nwpujht@ yahoo． com． cn ABSTRACT The effect of heat treatment temperature on the microstructure transformation of the steel side in TA2-Q235B explosive clad plates was studied by optical microscopy ( OM) ，electron backscatter diffraction ( EBSD) and scanning electron microscopy ( SEM) ，and the formation mechanism was also analyzed． During the heat treatment process，the interface structure of the steel side decarburized，and a decarburized layer which is comprised of ferrite without structure characters formed． At 850 ℃ and below，the in￾terface structure of the steel side near the swirl of the wave tip developed abnormally into big ferrite． At 900 ℃ and above，the interface structure of the steel side unusually grew into a columnar-structure ferrite structure． These aforesaid structures are influenced by both carbon diffusion and the phase transformation of matrix microstructure in the steel side． During the heat treatment process，TiC genera￾ted on the interface unevenly distributed on the interface，and locally accumulated on the interface with the increase of temperature， which accelerates the diffusion of carbon to the interface． KEY WORDS titanium; carbon steel; metal cladding; explosive bonding; interface structure; heat treatment; temperature 收稿日期: 2011--04--24 钛钢复合板充分利用钛材优异的耐蚀性能和钢 材优良的力学性能，获得了良好的综合性能，并降低 了材料成本． 在化工、海水淡化、真空制盐和电厂脱 硫等领域得到了广泛地应用． 爆炸法是生产钛钢复 合板的主要方法之一． 它是利用炸药产生的高速冲 击波，使钛材和钢材短时间内实现牢固地固相结合， 同时获得具有波状特征的界面，该界面上元素的扩 散距离短，脆性金属间化合物少，结合强度高． 爆炸 法生产的钛钢复合板热加工过程中，复合界面上会 发生元素的扩散，使界面附近的组织发生转变，同时 会形成反应相，对界面结合性能产生重要影响． 目 前对于钛钢复合板的爆炸复合工艺参数、界面组织 特征和性能研究较多［1--6］． 颜学柏等［7］研究了加热 对钛钢爆炸复合板性能的影响． 结果表明 850 ℃ 以 上加热使复合板的剪切强度和分离强度大大降低． Akbari Mousavi 等［8］研究了不同热处理工艺下钛钢 爆炸复合板扩散区形成的界面金属间化合物的组成 和厚度． 另外国内外学者［9--12］对热处理过程中在界 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.06.011

·672* 北京科技大学学报 第34卷 面上形成的TC做了研究，发现其对钛、铁金属间化 发射扫描电镜(SEM)分析界面元素的扩散特征. 合物的形成具有抑制作用.Morizono等图研究了钛 2实验结果 和亚共析钢爆炸复合界面钢侧界面在不同温度下的 组织.结果表明：对于平直界面，界面上会形成柱状 2.1钛钢复合板组织特征 铁素体；温度增加，柱状铁素体的尺寸增加.Yang 钛钢复合板热处理前及经不同热处理后的组织 等研究结果显示，爆炸钛钢复合板钛侧界面的组 形貌如图1所示。原始组织的特点如图1(a)所示。 织特征是形成绝热剪切带 钛钢复合板的界面为周期性的波状界面：波头的漩 目前钛钢复合板的组织研究，主要集中在界面 涡区为空洞、裂纹、夹杂、偏析和疏松等.钢侧组织 组织特征和钛侧的组织特征，而对钢侧的组织特征 为纤维状的变形流线：塑性变形的程度随距界面的 研究较少.通过研究不同温度下的钢侧组织特征， 距离而发生改变，离界面近的地方，塑性变形大，离 为爆炸钛钢复合板的热加工工艺控制提供依据，特 界面远的地方，塑性变形小.I区为细晶区，离钛侧 别是热加工后钛钢复合板的钢侧组织控制.本文重 最近，宽度很窄，可以观察到细小的晶粒.它产生的 点研究了不同温度下钢侧组织转变特征，分析了组 原因可能是强烈塑性变形下因破碎而成的亚晶粒， 织转变的机理 也有可能是大量变形热作用下再结晶后的等轴晶 粒的.Ⅱ区为塑性变形区，晶粒发生严重塑性变形 1 实验材料及方法 后被拉长.Ⅲ区为品粒未发生塑性变形区， 实验材料是爆炸复合工艺生产的钛钢复合板， 复合板经750℃保温30min热处理后，界面附 复层为工业纯钛TA2,基层为碳钢Q235B.爆轰速 近观察到脱碳后形成的铁素体组织如图1(b)所示. 度大于2kms-1,间隙值大于2mm,平行起爆.厚度 I区脱碳后晶粒直接长大，形状较规则.Ⅱ区晶粒 规格为4mm(TA2)+36mm(Q235B).表1为TA2 脱碳后回复再结晶，形状不规则.Ⅲ区晶粒发生二 和Q235B的成分.表2为复材TA2和基材Q235B 次再结晶形成粗大的晶粒.基体组织为铁素体基体 的力学性能. 加珠光体.经800℃保温30min后，脱碳层的区域 增大，三个区域的晶粒进一步长大.特别是Ⅲ区的 表1基层Q235B和复层TA2成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of TA2 and Q235B 晶粒更加粗大.850℃保温30min后，脱碳层的区域 增大不明显，组织特征与800℃时基本一致.900℃ 材料C Mn Si P S N H 0 Fe Ti 保温30min后的组织特征与850℃及以下温度明显 Q235B0.1600.500.150.0110.010 一 一 Bal.- 不一样：I区的晶粒变得异常粗大，Ⅱ区的晶粒相对 TA20.009一 0.0120.0020.060.031Bal. 较细小.继续升高温度至950℃保温30min后，I 表2TA2和Q235B的力学性能 区的晶粒进一步长大，Ⅱ区的晶粒也发生了长大. Table 2 Mechanical properties of TA2 and Q235B Ⅲ区基本没有变化. 材料 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 延伸率1% 2.2界面组织的电子背散射衍射分析 TA2 321 440 32 通过电子背散射衍射分析界面脱碳层的显微组 Q235B 260 445 31 织特征和取向特征如图2所示。其中显微组织特征 与金相组织结果一致.各种颜色代表不同晶粒取 热处理设备为电阻炉，最高加热温度为1300℃. 向。从上图2可以得出热处理后该组织的织构不明 热处理工艺：从钢侧组织的角度出发，选择保温温 显.特别是图2()，离界面最近的组织也没有明显 度，两相区加热750、800和850℃，完全奥氏体区 的织构，这部分的晶粒特征虽然跟凝固过程中生长 加热900和950℃；保温时间为30min;冷却方式 的晶粒特征有些类似，但没有统一的沿方向 为空冷. 生长.说明这部分晶粒的形核和长大不都沿着界面 试样经机械打磨和抛光后，用4%硝酸酒精侵 进行的，而是界面附近这个小的区域进行的. 蚀，利用光学显微镜ZEISS AX10进行组织观察.利 2.3热处理过程中界面扩散层的扫描电镜观察 用电子背散射衍射(EBSD)进行界面组织的微观织 在热处理过程中，不同材料的元素发生扩散. 构分析.试样经机械打磨后，进行电解抛光，电解液 利用背散射电子模式下不同元素的颜色差异来表现 用70%无水乙醇、20%高氯酸和10%丙三醇溶液； 扩散层的厚度.钢基体为白色，钛复层为黑色，在界 电解抛光电压为15V.利用ZEISS ULTRA55热场 面上钛侧有灰色过渡层，如图3所示.在950℃保温

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 面上形成的 TiC 做了研究，发现其对钛、铁金属间化 合物的形成具有抑制作用． Morizono 等［13］研究了钛 和亚共析钢爆炸复合界面钢侧界面在不同温度下的 组织． 结果表明: 对于平直界面，界面上会形成柱状 铁素体; 温度增加，柱状铁素体的尺寸增加． Yang 等［14］研究结果显示，爆炸钛钢复合板钛侧界面的组 织特征是形成绝热剪切带． 目前钛钢复合板的组织研究，主要集中在界面 组织特征和钛侧的组织特征，而对钢侧的组织特征 研究较少． 通过研究不同温度下的钢侧组织特征， 为爆炸钛钢复合板的热加工工艺控制提供依据，特 别是热加工后钛钢复合板的钢侧组织控制． 本文重 点研究了不同温度下钢侧组织转变特征，分析了组 织转变的机理． 1 实验材料及方法 实验材料是爆炸复合工艺生产的钛钢复合板， 复层为工业纯钛 TA2，基层为碳钢 Q235B． 爆轰速 度大于 2 km·s － 1 ，间隙值大于 2 mm，平行起爆． 厚度 规格为 4 mm ( TA2) + 36 mm ( Q235B) ． 表 1 为 TA2 和 Q235B 的成分． 表 2 为复材 TA2 和基材 Q235B 的力学性能． 表 1 基层 Q235B 和复层 TA2 成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of TA2 and Q235B % 材料 C Mn Si P S N H O Fe Ti Q235B 0． 160 0． 50 0． 15 0． 011 0． 010 — — — Bal． — TA2 0． 009 — — — — 0． 012 0． 002 0． 06 0． 031 Bal． 表 2 TA2 和 Q235B 的力学性能 Table 2 Mechanical properties of TA2 and Q235B 材料 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/% TA2 321 440 32 Q235B 260 445 31 热处理设备为电阻炉，最高加热温度为 1 300 ℃． 热处理工艺: 从钢侧组织的角度出发，选择保温温 度，两相区加热 750、800 和 850 ℃ ，完全奥氏体区 加热 900 和 950 ℃ ; 保温时间为 30 min; 冷却方式 为空冷． 试样经机械打磨和抛光后，用 4% 硝酸酒精侵 蚀，利用光学显微镜 ZEISS AX10 进行组织观察． 利 用电子背散射衍射( EBSD) 进行界面组织的微观织 构分析． 试样经机械打磨后，进行电解抛光，电解液 用 70% 无水乙醇、20% 高氯酸和 10% 丙三醇溶液; 电解抛光电压为 15 V． 利用 ZEISS ULTRA 55 热场 发射扫描电镜( SEM) 分析界面元素的扩散特征． 2 实验结果 2. 1 钛钢复合板组织特征 钛钢复合板热处理前及经不同热处理后的组织 形貌如图 1 所示。原始组织的特点如图 1( a) 所示。 钛钢复合板的界面为周期性的波状界面; 波头的漩 涡区为空洞、裂纹、夹杂、偏析和疏松等． 钢侧组织 为纤维状的变形流线; 塑性变形的程度随距界面的 距离而发生改变，离界面近的地方，塑性变形大，离 界面远的地方，塑性变形小． Ⅰ区为细晶区，离钛侧 最近，宽度很窄，可以观察到细小的晶粒． 它产生的 原因可能是强烈塑性变形下因破碎而成的亚晶粒， 也有可能是大量变形热作用下再结晶后的等轴晶 粒［15］． Ⅱ区为塑性变形区，晶粒发生严重塑性变形 后被拉长． Ⅲ区为晶粒未发生塑性变形区． 复合板经 750 ℃ 保温 30 min 热处理后，界面附 近观察到脱碳后形成的铁素体组织如图 1( b) 所示． Ⅰ区脱碳后晶粒直接长大，形状较规则． Ⅱ区晶粒 脱碳后回复再结晶，形状不规则． Ⅲ区晶粒发生二 次再结晶形成粗大的晶粒． 基体组织为铁素体基体 加珠光体． 经 800 ℃ 保温 30 min 后，脱碳层的区域 增大，三个区域的晶粒进一步长大． 特别是Ⅲ区的 晶粒更加粗大． 850 ℃保温 30 min 后，脱碳层的区域 增大不明显，组织特征与 800 ℃ 时基本一致． 900 ℃ 保温 30 min 后的组织特征与 850 ℃及以下温度明显 不一样: Ⅰ区的晶粒变得异常粗大，Ⅱ区的晶粒相对 较细小． 继续升高温度至 950 ℃ 保温 30 min 后，Ⅰ 区的晶粒进一步长大，Ⅱ区的晶粒也发生了长大． Ⅲ区基本没有变化． 2. 2 界面组织的电子背散射衍射分析 通过电子背散射衍射分析界面脱碳层的显微组 织特征和取向特征如图 2 所示。其中显微组织特征 与金相组织结果一致． 各种颜色代表不同晶粒取 向。从上图 2 可以得出热处理后该组织的织构不明 显． 特别是图 2( d) ，离界面最近的组织也没有明显 的织构，这部分的晶粒特征虽然跟凝固过程中生长 的晶粒特征有些类似，但没有统一的沿 ＜ 100 ＞ 方向 生长． 说明这部分晶粒的形核和长大不都沿着界面 进行的，而是界面附近这个小的区域进行的． 2. 3 热处理过程中界面扩散层的扫描电镜观察 在热处理过程中，不同材料的元素发生扩散． 利用背散射电子模式下不同元素的颜色差异来表现 扩散层的厚度． 钢基体为白色，钛复层为黑色，在界 面上钛侧有灰色过渡层，如图3 所示． 在950 ℃保温 ·672·

第6期 刘继雄等：TA2Q235B爆炸复合板钢侧组织特征 ·673· (a) (b) 0)m 200 2004m 200um 2004m 图1不同温度热处理钛钢复合板钢侧组织.(a)原始组织：(b)750℃：(c)800℃：(d)850℃：(e)900℃：(0950℃ Fig.1 Optical microstructures of the steel side in the titanium clad steel plates at different temperatures:(a)initial microstructure:(b)750 C: (c)800℃：(d)850℃：(e)900℃：()950℃ 时，这种过渡层的厚度最大.对于同一试样的波状 少量的扩散.界面上化合物的组成主要是TC 界面，元素的扩散存在不均匀性.将一个周期波分 900℃时，C在界面上浓度最高，表明界面上有C的 成三个特征位置.I为波头，Ⅱ为波峰，Ⅲ为波尾. 富集，主要以TiC的形式存在.同时Ti、Fe元素也会 850℃保温时过渡主要在I区：900℃保温时过渡层 发生扩散，界面上产生Ti一e金属间化合物。 在I区增厚，Ⅱ区也有过渡层；950℃保温时过渡层 950℃时，C向Ti侧进行扩散，沿界面C元素的分布 在波尾Ⅲ区也能明显的观察到 是不均匀的.局部TC的厚度增加明显.从钛侧到 选取850、900和950℃温度下保温30min的样 钢侧，依次为TiC、Ti-Fe金属间化合物.同时可以 品，在扫描电镜下进行局部区域的分析，观察扩散层 观察到Ti-Fe金属间化合物发生了分层。因此，在 的厚度及各扩散层的组成，如图4所示.从图4中 不同的热处理温度下，C元素都会在界面富集，钢侧 可以看出，碳元素在界面富集。图4(a)是850℃保 会形成铁素体区域. 温时界面上Ti、Fe和C元素的分布.可以看出颜色 最深的区域C浓度最高，钛复层和钢基体碳浓度都 3分析讨论 很低.保温过程中，C在界面上富集.Fe向Ti侧有 不同的热处理温度下，钛钢复合板钢侧界面附

第 6 期 刘继雄等: TA2--Q235B 爆炸复合板钢侧组织特征 图 1 不同温度热处理钛钢复合板钢侧组织． ( a) 原始组织; ( b) 750 ℃ ; ( c) 800 ℃ ; ( d) 850 ℃ ; ( e) 900 ℃ ; ( f) 950 ℃ Fig． 1 Optical microstructures of the steel side in the titanium clad steel plates at different temperatures: ( a) initial microstructure; ( b) 750 ℃ ; ( c) 800 ℃ ; ( d) 850 ℃ ; ( e) 900 ℃ ; ( f) 950 ℃ 时，这种过渡层的厚度最大． 对于同一试样的波状 界面，元素的扩散存在不均匀性． 将一个周期波分 成三个特征位置． Ⅰ为波头，Ⅱ为波峰，Ⅲ为波尾． 850 ℃保温时过渡主要在Ⅰ区; 900 ℃ 保温时过渡层 在Ⅰ区增厚，Ⅱ区也有过渡层; 950 ℃ 保温时过渡层 在波尾Ⅲ区也能明显的观察到． 选取 850、900 和 950 ℃温度下保温 30 min 的样 品，在扫描电镜下进行局部区域的分析，观察扩散层 的厚度及各扩散层的组成，如图 4 所示． 从图 4 中 可以看出，碳元素在界面富集。图 4( a) 是 850 ℃ 保 温时界面上 Ti、Fe 和 C 元素的分布． 可以看出颜色 最深的区域 C 浓度最高，钛复层和钢基体碳浓度都 很低． 保温过程中，C 在界面上富集． Fe 向 Ti 侧有 少量的 扩 散． 界面上化合物的组成主要是 TiC． 900 ℃时，C 在界面上浓度最高，表明界面上有 C 的 富集，主要以 TiC 的形式存在． 同时 Ti、Fe 元素也会 发生 扩 散，界 面 上 产 生 Ti--Fe 金 属 间 化 合 物。 950 ℃时，C 向 Ti 侧进行扩散，沿界面 C 元素的分布 是不均匀的． 局部 TiC 的厚度增加明显． 从钛侧到 钢侧，依次为 TiC、Ti--Fe 金属间化合物． 同时可以 观察到 Ti--Fe 金属间化合物发生了分层。因此，在 不同的热处理温度下，C 元素都会在界面富集，钢侧 会形成铁素体区域． 3 分析讨论 不同的热处理温度下，钛钢复合板钢侧界面附 ·673·

·674· 北京科技大学学报 第34卷 图2不同温度下钢侧组织的电子背散射衍射照片.(a)原始组织：(b)750℃：(c)850℃：(d)900℃ Fig.2 EBSD images of the steel side microstructure at different temperatures:(a）initial microstructure;(b)750℃；(c)850℃：(d)900℃ 胸 图3钛钢复合板扩散层扫描电镜背散射电子像.(a)850℃：(b)900℃：(c)950℃ Fig.3SEM-BSE images of diffusion layers in the titanium clad steel plates:(a)850℃；(b)900℃：(c)950℃ 近的组织表现出不同的特征.爆炸复合板钢侧界面 侧扩散.所以在界面上形成发生回复再结晶的脱碳 发生塑性变形，为热处理过程中的回复和再结晶提 层，最终组织为铁素体组织.在850℃及以下温度 供了畸变能.这部分晶粒在再结晶温度以上热处理 保温时，钢侧界面附近铁素体为等轴状.在波头漩 时发生回复和再结晶.同时靠近钛侧界面，钢中碳 涡附近形成的粗大的铁素体，形成的主要原因如下。 元素在浓度差异和T-C强的结合共同作用下向钛 一方面加热温度850℃及以下温度在两相区的时

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 2 不同温度下钢侧组织的电子背散射衍射照片． ( a) 原始组织; ( b) 750 ℃ ; ( c) 850 ℃ ; ( d) 900 ℃ Fig． 2 EBSD images of the steel side microstructure at different temperatures: ( a) initial microstructure; ( b) 750 ℃ ; ( c) 850 ℃ ; ( d) 900 ℃ 图 3 钛钢复合板扩散层扫描电镜背散射电子像． ( a) 850 ℃ ; ( b) 900 ℃ ; ( c) 950 ℃ Fig． 3 SEM-BSE images of diffusion layers in the titanium clad steel plates: ( a) 850 ℃ ; ( b) 900 ℃ ; ( c) 950 ℃ 近的组织表现出不同的特征． 爆炸复合板钢侧界面 发生塑性变形，为热处理过程中的回复和再结晶提 供了畸变能． 这部分晶粒在再结晶温度以上热处理 时发生回复和再结晶． 同时靠近钛侧界面，钢中碳 元素在浓度差异和 Ti--C 强的结合共同作用下向钛 侧扩散． 所以在界面上形成发生回复再结晶的脱碳 层，最终组织为铁素体组织． 在 850 ℃ 及以下温度 保温时，钢侧界面附近铁素体为等轴状． 在波头漩 涡附近形成的粗大的铁素体，形成的主要原因如下。 一方面加热温度 850 ℃ 及以下温度在两相区的时 ·674·

第6期 刘继雄等：TA2Q235B爆炸复合板钢侧组织特征 ·675· 25m 10m g 20m 图4钛钢复合板界面的Fc/Ti/C元素分布.(a)850℃：(b)900℃：(c)950℃ Fig.4Fe/Ti/C element distribution of the interfaces in the titanium clad steel plates::(a)850℃；(b)900℃；(c)950℃ 候，Q235B中珠光体向奥氏体转变，形成铁素体和奥 升高热处理温度，界面TC在局部进一步富集，并进 氏体共存的组织，同时界面附近碳元素向界面扩散. 一步向钛侧扩散.这种界面附近碳元素的扩散运动 在冷却的过程中，碳浓度低，原来存在的铁素体继续 对界面附近组织的形成产生了重要的影响.850℃ 长大，使这部分铁素体变得很粗大.钢侧基体组织 以上温度保温比850℃以下温度保温时，脱碳层的 中铁素体晶粒比未热处理的基体铁素体组织晶粒要 厚度薄.产生这种现象的原因是较低的温度下，碳 大.这部分铁素体在两相区冷却过程中，直接长大. 扩散的速度慢，碳元素在界面固定后，不能及时补 另一方面，由于界面附近脱碳造成碳浓度的下降，奥 充.在较高的温度下，碳元素扩散到界面被固定的 氏体向铁素体转变时开始温度随碳浓度的降低而升 同时，不断有碳元素向界面扩散，形成的脱碳层厚 高；保温的过程中，这部分铁素体也会直接长大，最 度薄. 终冷却的组织也会比较粗大. 4结论 在900℃及以上温度保温时，这时的加热温度 进入了奥氏体区.界面吸附碳元素的同时，高的温 (1)不同的热处理温度下，钛钢复合板界面组 度下碳元素扩散速率增加，向界面扩散距离增大，使 织差异很大.在850℃及以下热处理时，界面附件 得脱碳层的厚度减小.在冷却的过程中，钢侧界面 形成铁素体脱碳层，在靠近波头的地方形成粗大的 的铁素体在由脱碳造成的碳浓度梯度及由表面附近 铁素体区.在900℃及以上热处理时，界面形成排 温度低和心部温度高造成的温度梯度的共同作用 列整齐的柱状铁素体.热处理过程中的脱碳和原始 下，在界面附近形核，并向钢侧基体生长.950℃保 组织的相变共同作用形成了这种组织特征 温时，形成了特别粗大的类似柱状晶的铁素体.钢 (2)碳元素向钛侧扩散的过程中，界面上形成 侧基体组织经过完全奥氏体化后，铁素体和珠光体 的TC分布不均匀，随温度升高，在局部进一步富 晶粒相比未处理时得到细化. 集.这种界面上TC的富集，造成了界面脱碳层厚 通过电子扫描电镜观察结果可得，热处理过程 度的不均匀. 中碳元素向钛界面扩散.首先碳元素与钛元素结合 (3)钢侧界面铁素体区组织无特征织构.界面 形成TiC,沿结合界面这种TC的分布是不均匀的. 附近区域的铁素体的形核和长大同时进行，长大的

第 6 期 刘继雄等: TA2--Q235B 爆炸复合板钢侧组织特征 图 4 钛钢复合板界面的 Fe /Ti /C 元素分布． ( a) 850 ℃ ; ( b) 900 ℃ ; ( c) 950 ℃ Fig． 4 Fe /Ti /C element distribution of the interfaces in the titanium clad steel plates: ( a) 850 ℃ ; ( b) 900 ℃ ; ( c) 950 ℃ 候，Q235B 中珠光体向奥氏体转变，形成铁素体和奥 氏体共存的组织，同时界面附近碳元素向界面扩散． 在冷却的过程中，碳浓度低，原来存在的铁素体继续 长大，使这部分铁素体变得很粗大． 钢侧基体组织 中铁素体晶粒比未热处理的基体铁素体组织晶粒要 大． 这部分铁素体在两相区冷却过程中，直接长大． 另一方面，由于界面附近脱碳造成碳浓度的下降，奥 氏体向铁素体转变时开始温度随碳浓度的降低而升 高; 保温的过程中，这部分铁素体也会直接长大，最 终冷却的组织也会比较粗大． 在 900 ℃及以上温度保温时，这时的加热温度 进入了奥氏体区． 界面吸附碳元素的同时，高的温 度下碳元素扩散速率增加，向界面扩散距离增大，使 得脱碳层的厚度减小． 在冷却的过程中，钢侧界面 的铁素体在由脱碳造成的碳浓度梯度及由表面附近 温度低和心部温度高造成的温度梯度的共同作用 下，在界面附近形核，并向钢侧基体生长． 950 ℃ 保 温时，形成了特别粗大的类似柱状晶的铁素体． 钢 侧基体组织经过完全奥氏体化后，铁素体和珠光体 晶粒相比未处理时得到细化． 通过电子扫描电镜观察结果可得，热处理过程 中碳元素向钛界面扩散． 首先碳元素与钛元素结合 形成 TiC，沿结合界面这种 TiC 的分布是不均匀的． 升高热处理温度，界面 TiC 在局部进一步富集，并进 一步向钛侧扩散． 这种界面附近碳元素的扩散运动 对界面附近组织的形成产生了重要的影响． 850 ℃ 以上温度保温比 850 ℃ 以下温度保温时，脱碳层的 厚度薄． 产生这种现象的原因是较低的温度下，碳 扩散的速度慢，碳元素在界面固定后，不能及时补 充． 在较高的温度下，碳元素扩散到界面被固定的 同时，不断有碳元素向界面扩散，形成的脱碳层厚 度薄． 4 结论 ( 1) 不同的热处理温度下，钛钢复合板界面组 织差异很大． 在 850 ℃ 及以下热处理时，界面附件 形成铁素体脱碳层，在靠近波头的地方形成粗大的 铁素体区． 在 900 ℃ 及以上热处理时，界面形成排 列整齐的柱状铁素体． 热处理过程中的脱碳和原始 组织的相变共同作用形成了这种组织特征． ( 2) 碳元素向钛侧扩散的过程中，界面上形成 的 TiC 分布不均匀，随温度升高，在局部进一步富 集． 这种界面上 TiC 的富集，造成了界面脱碳层厚 度的不均匀． ( 3) 钢侧界面铁素体区组织无特征织构． 界面 附近区域的铁素体的形核和长大同时进行，长大的 ·675·

·676· 北京科技大学学报 第34卷 方向不一致. titanium-stainless steel composite.Mater Sci Eng A,2008,494 (1/2):329 参考文献 9]Xia CQ,Jin Z P.On the evolution of microstructure and diffusion [Findik F.Recent developments in explosive welding.Mater Des, paths in the titanium-steel explosion weld interface during heat 2011,32(3):1081 treatment.Less Common Met,1990,162:315 Nobili A,Masri T.Lafont M C.Recent developments in charac- [10]Yang Y,Zhang X M,Li Z H,et al.The microstructures in the terization of a titanium-steel explosion bond interface /Proceed- explosive cladding titanium/mild steel interface after heat treat- ings of Reactive Metals in Corrosive Applications Conference.Alba- ment.J Cent South Univ Technol,1995,2(1):105 y,1999 [11]Yang Y,Zhang X M,Li Z H,et al.Diffusion reaction in TA2/ B]Kahraman N,Gulenc B.Findik F.Joining of titanium/stainless A3 explosive cladding interface.Acta Metall Sin,1995,31 (4): steel by explosive welding and effect on interface.J Mater Process 189 Technol,2005,169(2):127 (杨扬，张新明，李正华，等.TA2/A3爆炸复合界面的扩散 4]Akbari Mousavi S AA,Farhadi Sartangi P.Experimental investi- 反应.金属学报，1995,31(4)：189) gation of explosive welding of cp-itanium/AISI 304 stainless steel. 12] Chiba A,Nishida M,Morizono Y,et al.Bonding characteristics Mater Des,2009,30(3):459 and diffusion barrier effect of the TiC phase formed at the bonding 5]Song J,Kostkaa A,Veehmayerb M,et al.Hierarchical micro- interface in an explosively welded titanium/high-carbon steel structure of explosive joints:example of titanium to steel cladding. clad.J Phase Equilibria,1995,16(5):411 Mater Sci Eng A,2011,528(6)2641 13] Morizono Y,Nishida M.,Chiba A,et al.Effect of heat treat- [6]Manikandan P,Hokamoto K,Fujita M,et al.Control of energetic ment on formation of columnar ferrite structure in explosively wel- conditions by employing interlayer of different thickness for explo- ded titanium/hypoeutectoid steel joints.Mater Sci Forum,2004, sive welding of titanium/304 stainless steel.J Mater Process Tech- 465/466:373 nal,2008,195(13):232 [14]Yang Y,Wang B F,Xiong J,et al.Adiabatic shear bands on Yan X B,LiZ H,Peng W A.Heating of titanium-steel explosive the titanium side in the titanium/mild steel explosive cladding in- cladding plate interface mechanical properties and microstructure. terface:experiments,numerical simulation,and microstructure Rare Metal Mater Eng,1990(5):38 evolution.Metall Mater Trans A,2006,37(10):3131 (颜学柏，李正华，彭文安.加热对钛一钢爆炸复合板界面力 [15]Zheng Y M.Explosive Welding and Metal Composite and their 学性能和显微结构的影响.稀有金属材料与工程，1990(5)： Engineering Application.Changsha:Central South University 38) Press,2002 [8]Akbari Mousavi S AA,Farhadi Sartangi P.Effect of post-weld (郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用.长沙： heat treatment on the interface microstructure of explosively welded 中南大学出版社，2002)

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