钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察

D0I:10.13374.issn1001-053x.2012.04.007 第34卷第4期 北京科技大学学报 Vol.34 No.4 2012年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2012 钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 刘继雄四赵爱民江海涛唐荻水恒勇 北京科技大学治金工程研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:liujixiong2007@126.com 摘要为了研究钛钢复合板在弯曲过程中的断裂行为，利用扫描电镜原位观察了爆炸和爆炸一轧制两种工艺生产的钛钢复 合板在弯曲过程中裂纹的萌生和扩展.结果表明：外弯过程裂纹萌生的角度小于内弯过程，钛钢复合板内弯比外弯具有更强 的抗裂纹产生能力.在爆炸钛钢复合板的弯曲过程中，裂纹主要在波头的界面结合处和漩涡中心处萌生：在爆炸一轧制钛钢 复合板的弯曲过程中，裂纹在TF金属间化合物硬块界面处萌生.产生裂纹的主要原因爆炸钛钢复合板的波头界面结合处 和漩涡中心处、爆炸一轧制钛钢复合板的界面块状T-F金属间化合物具有较高的硬度，在变形的过程中难以协调变形 关键词复合板：碳钢：钛；覆层：弯曲：裂纹 分类号TG456.6:TG335.59 In-situ SEM observation on titanium clad steel plates in the bending process LIU Ji-xiong,ZHAO Ai-min,JIANG Hai-tao,TANG Di,SHUI Heng-yong Metallurgical Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liujixiong2007@126.com ABSTRACT Two titanium clad steel plates were prepared by exploding and exploding-rolling,respectively.In order to study the fracture behavior of the clad plates during the bending process,crack initiation and propagation were observed by scanning electron mi- croscopy (SEM).The result shows that the crack initiation angle in external bending is less than that in internal bending,the capabili- ty of resistance to crack initiation in internal bending is stronger than that in external bending,but.During the bending process,cracks in the exploding clad plate mainly initiate on the interface junction of wave front and the center of whirlpools,but cracks in the explo- ding-rolling clad plate initiate at the hard lump interfaces of Ti-Fe intermetallic compounds.The main reason of cracking is that the in- terface junction of wave front and the center of whirlpools of the exploding titanium clad steel plate and TiFe intermetallic compounds in the exploding-and-rolling clad plate are difficult to compatibly deform because of their high hardness. KEY WORDS clad plates:carbon steel:titanium:cladding:bending:cracks 钛钢复合板一方面利用钛材获得优异的耐蚀性 为研究却很少 能，另一方面利用钢材获得足够的强度，降低了原 本文研究了爆炸法和爆炸一轧制法两种工艺生 材料成本，在压力容器/化工设备/海水淡化等领域 产的钛钢复合板的弯曲过程，利用扫描电镜观察钛 得到广泛应用.爆炸复合法和爆炸一轧制复合法是 钢复合板的动态弯曲过程，并分析钛钢复合板的微 目前生产钛钢复合板的主要方法.双金属材料的力 观断裂行为. 学行为和断裂行为是材料安全使用的重要考虑因 素.段文森等研究了爆炸复合工艺生产的 1实验材料和方法 钛钢复合板抗剪切疲劳特性及断裂机制和断裂韧 1.1实验材料 性.杨扬等o利用扫描电镜(SEM)原位观察了爆 以爆炸法和爆炸一轧制法工艺生产的钛钢复合 炸复合工艺生产的钛钢复合板拉伸过程中界面断裂 板为研究对象，复材为TA2,基材为Q235B,其中 机理，而对于钛钢复合板弯曲过程中的微观力学行 爆炸复合板的厚度为4mm（TA2)+36mm 收稿日期：201102-09

第 34 卷 第 4 期 2012 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 4 Apr． 2012 钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 刘继雄 赵爱民 江海涛 唐 荻 水恒勇 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 通信作者，E-mail: liujixiong2007@ 126． com 摘 要 为了研究钛钢复合板在弯曲过程中的断裂行为，利用扫描电镜原位观察了爆炸和爆炸--轧制两种工艺生产的钛钢复 合板在弯曲过程中裂纹的萌生和扩展． 结果表明: 外弯过程裂纹萌生的角度小于内弯过程，钛钢复合板内弯比外弯具有更强 的抗裂纹产生能力． 在爆炸钛钢复合板的弯曲过程中，裂纹主要在波头的界面结合处和漩涡中心处萌生; 在爆炸--轧制钛钢 复合板的弯曲过程中，裂纹在 Ti--Fe 金属间化合物硬块界面处萌生． 产生裂纹的主要原因爆炸钛钢复合板的波头界面结合处 和漩涡中心处、爆炸--轧制钛钢复合板的界面块状 Ti--Fe 金属间化合物具有较高的硬度，在变形的过程中难以协调变形． 关键词 复合板; 碳钢; 钛; 覆层; 弯曲; 裂纹 分类号 TG456. 6; TG335. 5 + 9 In-situ SEM observation on titanium clad steel plates in the bending process LIU Ji-xiong ，ZHAO Ai-min，JIANG Hai-tao，TANG Di，SHUI Heng-yong Metallurgical Engineering Research Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: liujixiong2007@ 126． com ABSTRACT Two titanium clad steel plates were prepared by exploding and exploding-rolling，respectively． In order to study the fracture behavior of the clad plates during the bending process，crack initiation and propagation were observed by scanning electron mi￾croscopy ( SEM) ． The result shows that the crack initiation angle in external bending is less than that in internal bending，the capabili￾ty of resistance to crack initiation in internal bending is stronger than that in external bending，but． During the bending process，cracks in the exploding clad plate mainly initiate on the interface junction of wave front and the center of whirlpools，but cracks in the explo￾ding-rolling clad plate initiate at the hard lump interfaces of Ti-Fe intermetallic compounds． The main reason of cracking is that the in￾terface junction of wave front and the center of whirlpools of the exploding titanium clad steel plate and Ti-Fe intermetallic compounds in the exploding-and-rolling clad plate are difficult to compatibly deform because of their high hardness． KEY WORDS clad plates; carbon steel; titanium; cladding; bending; cracks 收稿日期: 2011--02--09 钛钢复合板一方面利用钛材获得优异的耐蚀性 能，另一方面利用钢材获得足够的强度，降低了原 材料成本，在压力容器/化工设备/海水淡化等领域 得到广泛应用． 爆炸复合法和爆炸--轧制复合法是 目前生产钛钢复合板的主要方法． 双金属材料的力 学行为和断裂行为是材料安全使用的重要考虑因 素［1--6］． 段文森等［7 --9］研究了爆炸复合工艺生产的 钛钢复合板抗剪切疲劳特性及断裂机制和断裂韧 性． 杨扬等［10］利用扫描电镜( SEM) 原位观察了爆 炸复合工艺生产的钛钢复合板拉伸过程中界面断裂 机理，而对于钛钢复合板弯曲过程中的微观力学行 为研究却很少． 本文研究了爆炸法和爆炸--轧制法两种工艺生 产的钛钢复合板的弯曲过程，利用扫描电镜观察钛 钢复合板的动态弯曲过程，并分析钛钢复合板的微 观断裂行为． 1 实验材料和方法 1. 1 实验材料 以爆炸法和爆炸--轧制法工艺生产的钛钢复合 板为研究对象，复材为 TA2，基材为 Q235B，其中 爆炸复合板的厚度为 4 mm ( TA2 ) + 36 mm DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.04.007

第4期 刘继雄等：钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 ·425· (Q235B),爆炸-轧制复合板的厚度为1.2mm F加载前 (TA2)+10mm(Q235B).表1为复材TA2和基材 Q235B的力学性能. 表1TA2和Q235B的力学性能 Table 1 Mechanical properties of TA2 and Q235B F川载过程巾 材料 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 延伸率/% TA2 321 440 32 Q235B 260 445 31 图1弯曲加载的过程 1.2实验方法 Fig.1 Loading process of bending 分别在两种复合板上取样，经打磨、抛光后， 侧波的组织特征是存在塑性变形的流变组织，塑性 观察两种板材的原始组织. 变形在波峰临近界面处最为严重：随着离界面距离 利用JSM5800电镜观察复合板的弯曲过程. 逐渐增加，塑性变形逐渐减小.波头有金属熔块， 弯曲台型号为DEBEN,最大弯曲加载力为5kN,最 其基体为铁素体加珠光体的双相组织.图2(b)是 大弯曲行程为10mm.弯曲试样尺寸1mm×1mm× 钛钢爆炸复合板垂直爆炸方向组织，也具有波状界 50mm,复层和基层厚度比为1：1.用砂纸打磨至界 面，波周期长，在局部区域为平直界面.图3(a)和 面光亮，取四种状态下的试样，分别为爆炸复合方 (b)是钛钢爆炸一轧制复合板的组织，界面为平直 向、垂直爆炸复合方向、轧制复合方向和垂直轧制复 界面，界面上分布有呈多边形或长条状的白亮硬 合方向，弯曲过程分为内弯（钛在内侧，钢在外侧） 块，其基体为发生部分回复的带状组织. 和外弯（钢在内测，钛在外侧），观察八种状态下的 2.2裂纹产生的弯曲角度 弯曲变形过程.加载过程示意如图1所示，其中△l 弯曲试验可以检测层状复合板的结合强度.在 为加载点的行程，L为两个固定点的距离25.5mm, 层状复合材料的弯曲过程中，通过界面开裂的弯曲 a为弯曲半角.弯曲角计算公式为w=2a=2 arctan 角可以对复合材料界面结合质量做出初步判断.同 (2△1/L).根据加载过程中记录的弯曲力和位移曲 样，通过原位弯曲过程中裂纹刚开始产生时弯曲角 线，计算弯曲过程中初始出现的裂纹角度，通过得 的大小，可以判断界面抗裂纹产生能力的大小.在 出的角度大小，判断试样在弯曲过程中抗裂纹扩展 弯曲加载过程中，弯曲角度随着载荷的增大而增 能力. 大.当弯曲角度达到一定程度时，在界面处可以观 2实验结果和讨论 察到裂纹的萌生.继续加载，裂纹将扩展.根据原 位弯曲过程中裂纹开始产生的弯曲位移，计算裂纹 2.1原始组织观察 刚开始萌生的弯曲角.计算结果见表2. 界面原始组织如图2(a)所示，钛钢爆炸复合板 从表2可以看出，初始出现的裂纹弯曲角最小 界面沿爆炸焊接方向表现出爆炸焊接的典型特征， 为3.41°，最大为21.93°，说明在不同状态下材料 其界面为波状界面，波长0.8mm,波高0.2mm.钢 界面抗裂纹产生的能力存在较大差异.在内弯过程 (a) 100m 4 图2爆炸钛钢复合板钢侧组织.(a)爆炸方向：(b)垂直爆炸方向 Fig.2 Steel side microstructures of the exploding clad plate:(a)in the direction of explosion:(b)in the direction perpendicular to explosion

第 4 期 刘继雄等: 钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 ( Q235B) ，爆 炸--轧制复合板的厚度为 1. 2 mm ( TA2) + 10 mm ( Q235B) ． 表 1 为复材 TA2 和基材 Q235B 的力学性能． 表 1 TA2 和 Q235B 的力学性能 Table 1 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 1. 2 实验方法 分别在两种复合板上取样，经打磨、抛光后， 观察两种板材的原始组织． 利用 JSM--5800 电镜观察复合板的弯曲过程． 弯曲台型号为 DEBEN，最大弯曲加载力为 5 kN，最 大弯曲行程为 10 mm． 弯曲试样尺寸 1 mm × 1 mm × 50 mm，复层和基层厚度比为 1∶ 1． 用砂纸打磨至界 面光亮，取四种状态下的试样，分别为爆炸复合方 向、垂直爆炸复合方向、轧制复合方向和垂直轧制复 合方向，弯曲过程分为内弯( 钛在内侧，钢在外侧) 和外弯( 钢在内测，钛在外侧) ，观察八种状态下的 弯曲变形过程． 加载过程示意如图 1 所示，其中 Δl 为加载点的行程，L 为两个固定点的距离 25. 5 mm， α 为弯曲半角． 弯曲角计算公式为 w = 2α = 2arctan ( 2Δl /L) ． 根据加载过程中记录的弯曲力和位移曲 线，计算弯曲过程中初始出现的裂纹角度，通过得 出的角度大小，判断试样在弯曲过程中抗裂纹扩展 能力． 图 2 爆炸钛钢复合板钢侧组织． ( a) 爆炸方向; ( b) 垂直爆炸方向 Fig． 2 Steel side microstructures of the exploding clad plate: ( a) in the direction of explosion; ( b) in the direction perpendicular to explosion 2 实验结果和讨论 2. 1 原始组织观察 界面原始组织如图 2( a) 所示，钛钢爆炸复合板 界面沿爆炸焊接方向表现出爆炸焊接的典型特征， 其界面为波状界面，波长 0. 8 mm，波高 0. 2 mm． 钢 图 1 弯曲加载的过程 Fig． 1 Loading process of bending 侧波的组织特征是存在塑性变形的流变组织，塑性 变形在波峰临近界面处最为严重; 随着离界面距离 逐渐增加，塑性变形逐渐减小． 波头有金属熔块， 其基体为铁素体加珠光体的双相组织． 图 2( b) 是 钛钢爆炸复合板垂直爆炸方向组织，也具有波状界 面，波周期长，在局部区域为平直界面． 图 3( a) 和 ( b) 是钛钢爆炸--轧制复合板的组织，界面为平直 界面，界面上分布有呈多边形或长条状的白亮硬 块，其基体为发生部分回复的带状组织． 2. 2 裂纹产生的弯曲角度 弯曲试验可以检测层状复合板的结合强度． 在 层状复合材料的弯曲过程中，通过界面开裂的弯曲 角可以对复合材料界面结合质量做出初步判断． 同 样，通过原位弯曲过程中裂纹刚开始产生时弯曲角 的大小，可以判断界面抗裂纹产生能力的大小． 在 弯曲加载过程中，弯曲角度随着载荷的增大而增 大． 当弯曲角度达到一定程度时，在界面处可以观 察到裂纹的萌生． 继续加载，裂纹将扩展． 根据原 位弯曲过程中裂纹开始产生的弯曲位移，计算裂纹 刚开始萌生的弯曲角． 计算结果见表 2． 从表 2 可以看出，初始出现的裂纹弯曲角最小 为 3. 41°，最大为 21. 93°，说明在不同状态下材料 界面抗裂纹产生的能力存在较大差异． 在内弯过程 ·425·

·426 北京科技大学学报 第34卷 100 s100m 图3爆炸一轧制钛钢复合板钢侧组织.(a)轧制方向：(b)垂直轧制方向 Fig.3 Steel side microstructures of the exploding-rolling clad plate:(a)in the direction of rolling:(b)in the direction perpendicular to rolling 表2弯曲过程中初始出现的裂纹角度 加载的行程内，裂纹扩展到一定程度后，长度并未 Table 2 Crack initiation angle in the bending process 发生改变，但是裂纹的空隙增大，见图4(c)和(d) 试样 弯曲位移，△l/mm 弯曲角，w/() 由于基体材料塑性良好，对裂纹有很强的包裹作 爆炸内弯 1.25 11.20 用，因此阻碍了裂纹的扩展 爆炸外弯 0.43 3.86 图5为沿爆炸方向取样外弯时的扫描电镜照 轧制内弯 1.01 9.06 片.从图5(b)、(c)和(d)可以直接看出弯曲加载 轧制外弯 0.81 7.27 过程中裂纹的形态和数量变化.在弯曲加载过程 垂直爆炸内弯 2.47 21.93 中，裂纹在波头的漩涡处产生，裂纹为台阶状，裂 垂直爆炸外弯 1.30 11.64 纹数量随这载荷的增大而增加.该处裂纹是受到压 垂直轧制内弯 0.80 7.18 应力而变形不协调时产生的，但在结合界面没有裂 垂直轧制外弯 0.38 3.41 纹产生 图6为沿垂直爆炸方向取样的扫描电镜照片， 中出现的初始裂纹弯曲角均大于外弯过程中出现的 界面的波状组织周期长，结合界面以平直界面为 初始裂纹弯曲角，说明内弯过程中的抗裂纹产生能 主.在内弯过程中，图6(a)裂纹产生的位置及扩展 力强.钢的弹性模量约为214GPa,而a-钛合金的 和图4钛钢爆炸复合板爆炸方向取样内弯实验基本 弹性模量为112GPa.钛材的弹性模量小于钢材.在 一致；在外弯过程中，图6(b)裂纹的产生位置和扩 内弯过程中，弹性模量大的金属回弹也大，使得外 展和图5钛钢爆炸复合板爆炸方向取样外弯基本 侧的钢材发生回弹并与内侧的钛材产生一个附加的 一致 结合力，从而阻碍了界面裂纹的产生.复层钛材 2.3.2爆炸一轧制法钛钢复合板的弯曲过程的原 TA2的力学性能和基层钢材Q235B的力学性能相 比，钢材具有较低的屈服强度.在弯曲的过程中， 位观察 钢材比钛材更易发生塑性变形.内弯时主要是钢材 图7为爆炸一轧制复合板内弯和外弯时扫描电 发生塑性变形，而外弯时主要是钛材发生塑性形 镜照片.在两种弯曲过程中，界面的块状金属间化 变，这种塑性变形能力的差异也导致了内弯过程的 合物发生破碎，产生裂纹，并且裂纹数量随加载的 抗裂纹产生能量强. 增大而增加，导致块状金属间化合物更加破碎.钛 2.3钛钢复合板弯曲过程的原位观察 材、钢材和金属间化合物界面结合良好，没有观察 2.3.1爆炸钛钢复合板弯曲过程的原位观察 到有裂纹生成.图8为爆炸一轧制复合板垂直轧制 图4为沿爆炸方向取样内弯时的扫描电镜照 方向取样的扫描电镜照片.可以看出裂纹的形态和 片.灰色为钢侧，黑色为钛侧.在弯曲加载过程中， 图7基本一致.当块状金属间化合物不能继续破碎 图4(a)和图4(b)裂纹首先在钢侧波头与钛侧界面 的时候，在块状金属间化合物与基体和复层三者结 结合处产生，随后在波头的漩涡处产生.波头与界 合的地方，会继续产生裂纹，协调块状物质的变 面结合处的裂纹方向与加载方向一致.随后，裂纹 形.在扫描电镜下能谱分析块状金属间化合物的组 也在距离受力点稍远处产生，裂纹产生的位置及其 成见表3.可以看出Fe和Ti的原子比接近为I:1, 扩展方向与受力点最近处的裂纹形态一致.在弯曲 确定块状金属间化合物为Fe-Ti金属间化合物

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 3 爆炸--轧制钛钢复合板钢侧组织． ( a) 轧制方向; ( b) 垂直轧制方向 Fig． 3 Steel side microstructures of the exploding-rolling clad plate: ( a) in the direction of rolling; ( b) in the direction perpendicular to rolling 表 2 弯曲过程中初始出现的裂纹角度 Table 2 Crack initiation angle in the bending process 试样 弯曲位移，Δl /mm 弯曲角，w /( !) 爆炸内弯 1. 25 11. 20 爆炸外弯 0. 43 3. 86 轧制内弯 1. 01 9. 06 轧制外弯 0. 81 7. 27 垂直爆炸内弯 2. 47 21. 93 垂直爆炸外弯 1. 30 11. 64 垂直轧制内弯 0. 80 7. 18 垂直轧制外弯 0. 38 3. 41 中出现的初始裂纹弯曲角均大于外弯过程中出现的 初始裂纹弯曲角，说明内弯过程中的抗裂纹产生能 力强． 钢的弹性模量约为 214 GPa，而 α--钛合金的 弹性模量为112 GPa． 钛材的弹性模量小于钢材． 在 内弯过程中，弹性模量大的金属回弹也大，使得外 侧的钢材发生回弹并与内侧的钛材产生一个附加的 结合力，从而阻碍了界面裂纹的产生． 复层钛材 TA2 的力学性能和基层钢材 Q235B 的力学性能相 比，钢材具有较低的屈服强度． 在弯曲的过程中， 钢材比钛材更易发生塑性变形． 内弯时主要是钢材 发生塑性变形，而外弯时主要是钛材发生塑性形 变，这种塑性变形能力的差异也导致了内弯过程的 抗裂纹产生能量强． 2. 3 钛钢复合板弯曲过程的原位观察 2. 3. 1 爆炸钛钢复合板弯曲过程的原位观察 图 4 为沿爆炸方向取样内弯时的扫描电镜照 片． 灰色为钢侧，黑色为钛侧． 在弯曲加载过程中， 图 4( a) 和图 4( b) 裂纹首先在钢侧波头与钛侧界面 结合处产生，随后在波头的漩涡处产生． 波头与界 面结合处的裂纹方向与加载方向一致． 随后，裂纹 也在距离受力点稍远处产生，裂纹产生的位置及其 扩展方向与受力点最近处的裂纹形态一致． 在弯曲 加载的行程内，裂纹扩展到一定程度后，长度并未 发生改变，但是裂纹的空隙增大，见图 4( c) 和( d) ． 由于基体材料塑性良好，对裂纹有很强的包裹作 用，因此阻碍了裂纹的扩展． 图 5 为沿爆炸方向取样外弯时的扫描电镜照 片． 从图 5( b) 、( c) 和( d) 可以直接看出弯曲加载 过程中裂纹的形态和数量变化． 在弯曲加载过程 中，裂纹在波头的漩涡处产生，裂纹为台阶状，裂 纹数量随这载荷的增大而增加． 该处裂纹是受到压 应力而变形不协调时产生的，但在结合界面没有裂 纹产生． 图 6 为沿垂直爆炸方向取样的扫描电镜照片， 界面的波状组织周期长，结合界面以平直界面为 主． 在内弯过程中，图 6( a) 裂纹产生的位置及扩展 和图 4 钛钢爆炸复合板爆炸方向取样内弯实验基本 一致; 在外弯过程中，图 6( b) 裂纹的产生位置和扩 展和图 5 钛钢爆炸复合板爆炸方向取样外弯基本 一致． 2. 3. 2 爆炸--轧制法钛钢复合板的弯曲过程的原 位观察 图 7 为爆炸--轧制复合板内弯和外弯时扫描电 镜照片． 在两种弯曲过程中，界面的块状金属间化 合物发生破碎，产生裂纹，并且裂纹数量随加载的 增大而增加，导致块状金属间化合物更加破碎． 钛 材、钢材和金属间化合物界面结合良好，没有观察 到有裂纹生成． 图 8 为爆炸--轧制复合板垂直轧制 方向取样的扫描电镜照片． 可以看出裂纹的形态和 图 7 基本一致． 当块状金属间化合物不能继续破碎 的时候，在块状金属间化合物与基体和复层三者结 合的地方，会继续产生裂纹，协调块状物质的变 形． 在扫描电镜下能谱分析块状金属间化合物的组 成见表 3． 可以看出 Fe 和 Ti 的原子比接近为 1∶ 1， 确定块状金属间化合物为 Fe--Ti 金属间化合物． ·426·

第4期 刘继雄等：钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 ·427· (b) -200μm 50m (e) (d) 一200m -50um 图4爆炸钛钢复合板爆炸方向取样内弯的扫措电镜照片.(a),(b)裂纹萌生：(c),()裂纹扩展 Fig.4 SEM images of the exploding elad plate in the direction of explosion in intemal bending:(a)and (b)crack initiation:(e)and (d)crack propagation (b) -200m 一50m (e) (d) -50um -50um 图5爆炸钛钢复合板爆炸方向取样外弯的扫描电镜照片.(a),(b)裂纹萌生：()，(d)裂纹扩展 Fig.5 SEM images of the exploding clad plate in the direction of explosion in external bending:(a)and (b)crack initiation;(c)and (d)crack propagation

第 4 期 刘继雄等: 钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 图 4 爆炸钛钢复合板爆炸方向取样内弯的扫描电镜照片． ( a) ，( b) 裂纹萌生; ( c) ，( d) 裂纹扩展 Fig． 4 SEM images of the exploding clad plate in the direction of explosion in internal bending: ( a) and ( b) crack initiation; ( c) and ( d) crack propagation 图 5 爆炸钛钢复合板爆炸方向取样外弯的扫描电镜照片． ( a) ，( b) 裂纹萌生; ( c) ，( d) 裂纹扩展 Fig． 5 SEM images of the exploding clad plate in the direction of explosion in external bending: ( a) and ( b) crack initiation; ( c) and ( d) crack propagation ·427·

·428 北京科技大学学报 第34卷 (a) (b) 500m -1 mm 图6爆炸钛钢复合板垂直爆炸方向取样的扫描电镜照片.()内弯：(b)外弯 Fig.6 SEM images of the exploding clad plate in the direction perpendicular to explosion:(a)internal bending:(b)external bending -200m -50m 图7钛钢爆炸一轧制板沿轧制方向上内弯()和外弯(b)时的扫描电镜照片 Fig.7 SEM images of the exploding-rolling clad plate in the direction of rolling in internal bending (a)and external bending (b) (a) (b) -500m -5004m 图8钛钢爆炸一轧制板垂直轧制方向上内弯()和外弯(b)时扫描电镜照片 Fig.8 SEM images of the exploding-olling clad plate in the direction perpendicular to rolling in interal bending (a)and extemal bending (b) 表3块状金属间化合物的元素组成 使其在变形过程中表现出不均匀性.复合板的界面 Table 3 Elemental composition of bulk intermetallic compounds 是协调受力变形的地方，同时也是裂纹容易萌生的 元素 质量分数/% 原子分数/% 地方.爆炸法生产的钛钢复合板界面特征是波状界 i 44.22 48.03 面，这种波状界面是压力焊、扩散焊和熔化焊的综 Fe 55.78 51.97 合产物：而爆炸一轧制法生产的钛钢复合板界面特 总量 100.00 100.00 征是平直界面，在平直的界面上分布有较硬的块状 钛铁金属间化合物. 2.4两种材料的弯曲过程原位观察的对比 对于单一材料的弯曲过程，材料在弯曲时，外 钛钢复合板由两种材料组成，材料的非单一性 侧发生拉伸，内侧发生压缩变形.在爆炸钛钢复合

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 6 爆炸钛钢复合板垂直爆炸方向取样的扫描电镜照片． ( a) 内弯; ( b) 外弯 Fig． 6 SEM images of the exploding clad plate in the direction perpendicular to explosion: ( a) internal bending; ( b) external bending 图 7 钛钢爆炸--轧制板沿轧制方向上内弯( a) 和外弯( b) 时的扫描电镜照片 Fig． 7 SEM images of the exploding-rolling clad plate in the direction of rolling in internal bending ( a) and external bending ( b) 图 8 钛钢爆炸--轧制板垂直轧制方向上内弯( a) 和外弯( b) 时扫描电镜照片 Fig． 8 SEM images of the exploding-rolling clad plate in the direction perpendicular to rolling in internal bending ( a) and external bending ( b) 表 3 块状金属间化合物的元素组成 Table 3 Elemental composition of bulk intermetallic compounds 元素 质量分数/% 原子分数/% Ti 44. 22 48. 03 Fe 55. 78 51. 97 总量 100. 00 100. 00 2. 4 两种材料的弯曲过程原位观察的对比 钛钢复合板由两种材料组成，材料的非单一性 使其在变形过程中表现出不均匀性． 复合板的界面 是协调受力变形的地方，同时也是裂纹容易萌生的 地方． 爆炸法生产的钛钢复合板界面特征是波状界 面，这种波状界面是压力焊、扩散焊和熔化焊的综 合产物; 而爆炸--轧制法生产的钛钢复合板界面特 征是平直界面，在平直的界面上分布有较硬的块状 钛铁金属间化合物． 对于单一材料的弯曲过程，材料在弯曲时，外 侧发生拉伸，内侧发生压缩变形． 在爆炸钛钢复合 ·428·

第4期 刘继雄等：钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 ·429· 板的弯曲过程中，拉应力作用下产生的间隙状的裂 南大学出版社，2002) 纹，而受压应力作用产生的裂纹为台阶状.波状界 Li Y,Zhu Y M,Wu Y G,et al.Research on the interface struc- tures of explosive clad plate and rolled clad plate.Dev Appl Mater, 面的裂纹产生位置主要位于波头附近、波头漩涡处、 1996,11(1):24 波头与复材结合处.在爆炸一轧制钛钢复合板的弯 (李炎，祝要民，吴逸贵，等.爆炸复合板与轧制复合板界面 曲过程中，平直界面的裂纹产生于界面块状金属间 结构的研究.材料开发与应用，1996,11(1)：24) 化合物处.裂纹在上述位置产生，说明在变形过程 B] Akbari Mousavi S AA,Al-Hassani S T S,Atkins A G.Bond 中塑性较低不足以协调变形过程.对于波状界面， strength of explosively welded specimens.Mater Des,2008,29 (7):1334 在波头漩涡处，这里的硬度要高于其他界面附近的 [4]Nishida M,Chiba A,Honda Y,et al.Electron microscopy studies 硬度，其塑性较低.对于平直界面，块状钛铁金属 of bonding interface in explosively welded Ti/steel clads.IS//Int, 间化合物硬度比钛材和钢材都高，另一方面，由于 1995,35(2):217 钛和钢异种材料的晶体结构差异，α一钛为密排六方 [5]Akbari Mousavi S AA,Farhadi Sartangi P.Experimental investi- 结构，Q235主要是铁素体基体，为面心立方结构， gation of explosive welding of cp-itanium/AISI 304 stainless steel. Mater Des,2009,30(3):459 其弹性模量和剪切模量的大小也不一样，使得钛钢复 6 Kahramana N,Guilenc B,Findik F.Joining of titanium/stainless 合板在弯曲的过程中，界面上会形成附加切应力.界 steel by explosive welding and effect on interface.Mater Process 面上这些硬的物质容易引起应力集中而产生裂纹. Technol,2005,169(2):127 ] Duan WS,Lu H M,Liu JX,et al.Research on the propagation 3结论 and fracture mechanism of fatigue crack on metal explosion clad- (1)钛钢复合板弯曲过程中，内弯出现裂纹时 ding interfaces.Rare Met Mater Eng,1989 (3):6 (段文森，鲁汉民，刘建新，等.金属爆炸复合界面的疲劳裂纹 的角度比外弯出现裂纹时的角度大，抗裂纹产生能 扩展特性及断裂机制的研究.稀有金属材料与工程，1989 力强 (3):6) (2)钛钢爆炸复合板弯曲过程中，裂纹主要在 Lu H M,Duan W S,Pei D R,et al.Shear strength fatigue prop- 波头处产生并扩展，波头与复层结合的地方在也会 erty and fracture mechanism of titanium clad steel plate.Rare Met Mater Eng,1989(2):19 发生开裂.界面其他位置结合良好，没有裂纹 (鲁汉民，段文森，裴大荣，等.钛钢爆炸复合板抗剪切疲劳特 产生 性及断裂机制研究.稀有金属材料与工程，1989(2)：19)） (3)钛钢爆炸一轧制复合板弯曲过程中，裂纹 9] Duan W S,Ma D K,Lu H M,et al.Fracture toughness and frac- 在块状金属间化合物处产生，随着弯曲角度的增 ture mechanism of titanium/steel explosive clad plate.Rare Met 大，块状金属间化合物发生破碎 Mater Eng,1990(5):63 (段文森，马东康，鲁汉民，等.钛/钢爆炸复合板的断裂韧性 和断裂机理.稀有金属材料与工程，1990(5)：63) 参考文献 [10]Yang Y,Zhang X M,Li Z H,et al.In-situ SEM research on [Zheng Y M.Explosive Welding and Metal Composite and their En- TA2/A3 explosive clad plate interface.Acta Metall Sin,1994, gineering Application.Changsha:Central South University Press, 30(9):409 2002 (杨扬，张新明，李正华，等.TA2/A3爆炸复合界面微观断裂 (郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用.长沙：中 机制的SEM原位研究.金属学报，1994,30(9)：409)

第 4 期 刘继雄等: 钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察 板的弯曲过程中，拉应力作用下产生的间隙状的裂 纹，而受压应力作用产生的裂纹为台阶状． 波状界 面的裂纹产生位置主要位于波头附近、波头漩涡处、 波头与复材结合处． 在爆炸--轧制钛钢复合板的弯 曲过程中，平直界面的裂纹产生于界面块状金属间 化合物处． 裂纹在上述位置产生，说明在变形过程 中塑性较低不足以协调变形过程． 对于波状界面， 在波头漩涡处，这里的硬度要高于其他界面附近的 硬度，其塑性较低． 对于平直界面，块状钛铁金属 间化合物硬度比钛材和钢材都高． 另一方面，由于 钛和钢异种材料的晶体结构差异，α--钛为密排六方 结构，Q235 主要是铁素体基体，为面心立方结构， 其弹性模量和剪切模量的大小也不一样，使得钛钢复 合板在弯曲的过程中，界面上会形成附加切应力． 界 面上这些硬的物质容易引起应力集中而产生裂纹． 3 结论 ( 1) 钛钢复合板弯曲过程中，内弯出现裂纹时 的角度比外弯出现裂纹时的角度大，抗裂纹产生能 力强． ( 2) 钛钢爆炸复合板弯曲过程中，裂纹主要在 波头处产生并扩展，波头与复层结合的地方在也会 发生开 裂． 界面其他位置结合良好，没 有 裂 纹 产生． ( 3) 钛钢爆炸--轧制复合板弯曲过程中，裂纹 在块状金属间化合物处产生，随着弯曲角度的增 大，块状金属间化合物发生破碎． 参 考 文 献 ［1］ Zheng Y M． Explosive Welding and Metal Composite and their En￾gineering Application． Changsha: Central South University Press， 2002 ( 郑远谋． 爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用． 长沙: 中 南大学出版社，2002) ［2］ Li Y，Zhu Y M，Wu Y G，et al． Research on the interface struc￾tures of explosive clad plate and rolled clad plate． Dev Appl Mater， 1996，11( 1) : 24 ( 李炎，祝要民，吴逸贵，等． 爆炸复合板与轧制复合板界面 结构的研究． 材料开发与应用，1996，11( 1) : 24) ［3］ Akbari Mousavi S A A，Al-Hassani S T S，Atkins A G． Bond strength of explosively welded specimens． Mater Des，2008，29 ( 7) : 1334 ［4］ Nishida M，Chiba A，Honda Y，et al． Electron microscopy studies of bonding interface in explosively welded Ti /steel clads． ISIJ Int， 1995，35( 2) : 217 ［5］ Akbari Mousavi S A A，Farhadi Sartangi P． Experimental investi￾gation of explosive welding of cp-titanium/AISI 304 stainless steel． Mater Des，2009，30( 3) : 459 ［6］ Kahramana N，Gülenc B，Findik F． Joining of titanium/stainless steel by explosive welding and effect on interface． J Mater Process Technol，2005，169( 2) : 127 ［7］ Duan W S，Lu H M，Liu J X，et al． Research on the propagation and fracture mechanism of fatigue crack on metal explosion clad￾ding interfaces． Rare Met Mater Eng，1989( 3) : 6 ( 段文森，鲁汉民，刘建新，等． 金属爆炸复合界面的疲劳裂纹 扩展特性 及 断 裂 机 制 的 研 究． 稀有金属材料与工程，1989 ( 3) : 6) ［8］ Lu H M，Duan W S，Pei D R，et al． Shear strength fatigue prop￾erty and fracture mechanism of titanium clad steel plate． Rare Met Mater Eng，1989( 2) : 19 ( 鲁汉民，段文森，裴大荣，等． 钛钢爆炸复合板抗剪切疲劳特 性及断裂机制研究． 稀有金属材料与工程，1989( 2) : 19) ［9］ Duan W S，Ma D K，Lu H M，et al． Fracture toughness and frac￾ture mechanism of titanium/ steel explosive clad plate． Rare Met Mater Eng，1990( 5) : 63 ( 段文森，马东康，鲁汉民，等． 钛/钢爆炸复合板的断裂韧性 和断裂机理． 稀有金属材料与工程，1990( 5) : 63) ［10］ Yang Y，Zhang X M，Li Z H，et al． In-situ SEM research on TA2 /A3 explosive clad plate interface． Acta Metall Sin，1994， 30( 9) : 409 ( 杨扬，张新明，李正华，等． TA2 /A3 爆炸复合界面微观断裂 机制的 SEM 原位研究． 金属学报，1994，30( 9) : 409) ·429·