热轧不锈钢复合板界面组织与抗剪性能研究

热轧不锈钢复合板界面组织与抗剪性能研究

张心金;祝志超;刘会云

【摘 要】The present work aimed at studying the interfacial microstructure

and shear properties of lowcarbon steel/stainless steel clad plates

fabricated by hot-roll is very interesting to evaluate the

correlation between interfacial microstructure and shear

properties,especially,the interfacial fracture behavior and the credibility of

shear strength ,SEM,EDS and TEM were used to observe the

microstructure of the interface,and the microhardness and shear tests were

carried out in strict accordance with the national was found

that there was a diffusion phenomenon of chemical elements with

different diffusion length around the interface and resulted in the special

appearance of zonal the addition of Ni foil at the

interface,the diffusion of the interface elements is inhibited,which is

beneficial to improve the performance of stainless fracture

occured zigzag cracks along the weak interface,and the accuracy and

reliability of the shear results can be effectively evaluated by referring to

the diffusion of interface elements.%主要研究热轧不锈钢复合板界面组织特征

与抗剪性能之间的关系,重点分析剪切试验界面断裂过程特征与抗剪结果的可信性.

利用金相、SEM,EDS,TEM等手段观察结合界面微观组织,并严格按照国标进行显

微硬度与剪切试验.通过分析发现,复合界面存在元素扩散,且不同元素的扩散距离不

同,并导致在结合界面处形成带状组织的特殊形貌;结合界面处加入Ni箔后对界面

元素扩散有一定的抑制作用,有利于改善界面不锈钢侧综合性能;剪切断口沿界面薄

弱位置发生曲折开裂,参照界面元素扩散,可有效评定抗剪结果的准确性与可信性.

【期刊名称】《压力容器》

【年(卷),期】2017(034)010

【总页数】7页(P1-7)

【关键词】热轧;不锈钢复合板;抗剪强度;元素扩散

【作 者】张心金;祝志超;刘会云

【作者单位】中国第一重型机械股份公司天津研发中心,天津300457;中国第一重

型机械股份公司天津研发中心,天津300457;中国第一重型机械股份公司天津研发

中心,天津300457

【正文语种】中 文

【中图分类】TH142;TG115.5

通过热轧、爆炸等手段在碳钢或低合金高强钢上单面或双面复合一定厚度的不锈钢,

形成不锈钢复合板。该种复合板以其较好的综合力学性能、耐蚀性能、性价比等优

势,广泛应用于石油、化工、制碱、造船等行业[1-5]。热轧不锈钢复合板被做成容

器等产品件时,一般要承受温度、腐蚀、冲击、疲劳等作用,对其综合性能要求较高。

工程上所用的热轧不锈钢复合板,基体组织、拉伸与冲击性能以及界面抗剪强度是

其性能评价的重要指标。对于热轧不锈钢复合板界面元素扩散及微观组织特点,已

有文献报道[6-7],但其综合性能分析还不深入。在我国,通常参照GB/T 8165—

2008《不锈钢复合钢板和钢带》中的性能要求进行评价,其中通过剪切试验获得的

界面抗剪强度可以比较直观地显示复合板界面结合的好坏程度,因此,工程上对界面

抗剪强度数值关注较多,但对于剪切断裂过程的准确性分析却很少报道。因此,本文

围绕热轧不锈钢复合板界面元素扩散、微观组织结构、剪切断裂过程等展开分析,

以期对热轧不锈钢复合板综合性能有更进一步的认识。

使用的主要材料有Q345R，06Cr19Ni10(304)，Ni箔(N4),其材料成分如表1所

示,分别作为复合板的基层、覆层、界面夹层。复合板坯在组坯前经表面机械打磨、

有机溶剂清洗。为便于热轧板形控制,采用“A-B-B-A”两块复合板坯对称组坯结

构,其中304层位于复合坯内部,两块不锈钢板间添加隔离剂防止热轧粘接。板坯尺

寸分别为：300 mm×300 mm×85 mm(Q345R),270 mm×270 mm×15

mm(304),270 mm×270 mm×0.1 mm(N4),复合坯组合示意图如图1所示。其中

一块复合坯结合界面添加一层洁净的Ni箔,用于对比复合界面元素扩散及力学性能

[6-8],复合坯四周放置密封条,并将密封条与基体采用气保焊堆焊密封,复合坯一边密

封条上预留抽气小孔,采用真空泵抽真空至真空度0.01 Pa以下,密封抽气小孔。复

合坯加热保温,在此期间加热炉中不断充入N2以保护复合坯,经1200 ℃、保温2

h后热轧,轧制速度为1.2 m/s,变形累积压下总量为65%,5道次轧制,热轧后空冷至

室温,经机械加工获得2块复合板坯。

剪切试样结构尺寸如图2所示。为便于对比研究,Q345R、304、复合板(含Ni/不

含Ni)剪切试样在同一组复合板上加工取样。剪切试验为压剪试验,其剪切试样的加

工及试验严格按照GB/T 6396—2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》要求

进行,为减少因加工对剪切性能的影响,在图2的剪切试样A面的小面凸台侧根部注

意加工清根。剪切试验使用设备为C304-44300电子万能试验机，采用数码相机

抓拍剪切试样断裂详细过程。金相试样经机械研磨、抛光后用4%的硝酸酒精溶液

浸蚀,晶间腐蚀按照GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验

方法》中A法进行评价。在Axiovert 200MAT光学显微镜下进行金相组织及结合

界面形貌观察，在JEM-2100F场发射透射电子显微镜(TEM)观察结合界面处微观

组织及形态，在TuKon 2100B全自动显微维氏/维氏硬度计上测定结合界面附近

组织的显微硬度。剪切断口试样经清洁处理后,采用Quanta400扫描电镜(SEM，

EDS)及JEOL JXA-8530F场发射电子探针(EPMA)观察断口形貌、界面微观组织、

成分分析等。

2.1 界面组织及元素扩散

不锈钢复合板经热轧空冷后,其界面组织如图3所示。

图3(a)为结合界面不含Ni箔时复合板的金相组织,其中Q345R金相组织主要为珠

光体、铁素体、少量贝氏体(PFB,Pearlite + Ferrite+ Few Bainite)；结合界面偏

Q345R侧存在一条宽100 μm左右的铁素体带(FB,Ferrite Belt)；结合界面的304

侧经腐蚀后存在一条宽200～300 μm左右的晶间腐蚀带(ICB,Intergranular

Corrosion Belt)。图3(b)为结合界面含Ni箔复合板的金相组织,其中Q345R的金

相组织为珠光体、铁素体、少量贝氏体,与无Ni带时界面处组织相比,Ni带Q345R

侧的铁素体带与304侧的晶间腐蚀都几乎消失,仅局部存在。图3(c)为结合界面不

含Ni箔时界面处EPMA结果，图3(d)为结合界面含Ni箔时界面处EDS结果。

通过图3(c)，(d)中对界面处进行化学成分测定,发现结合界面处存在Cr，Ni，C等

元素的扩散,且Cr从304侧向Q345R侧的扩散距离要远大于Ni的扩散距离。经

测量,Cr在界面处的扩散距离约为30～40 μm,而Ni的扩散距离仅为5～10 μm。

由于C元素含量低,且易受设备影响,不易准确测出,但仍能看出明显的扩散趋势。通

过对比可以得出,界面Q345R侧因失去C元素而形成一条铁素体带,而界面304侧

因C含量增加,使热轧冷却后碳化物沿304晶界析出,造成晶界贫铬,经溶液腐蚀后

而形成晶间腐蚀,并呈网状分布。通过对比可以发现,C元素的扩散对界面两侧组织

具有重要的影响,界面Ni带的加入对C元素的扩散有一定的阻碍作用,可明显减少

因C的扩散而形成的铁素体带及晶间腐蚀带[9-12]。

同时,由于复合坯结合表面处理得较好以及较高的真空度,经热轧后，复合板结合界

面氧化物或夹杂物不仅尺寸小,而且含量极少。经统计,该复合板界面氧化物或夹杂

物单位界面长度占有率仅为1%,最大长度尺寸也仅为5 μm,因此,几乎可以忽略不

计氧化物或夹杂物对结合性能的影响。

2.2 力学性能结果

图4示出复合板4种类型剪切试样的抗剪强度结果。对于界面抗剪强度,GB/T

8165—2008中给出爆炸或热轧金属复合板界面抗剪强度为210 MPa,与该数值相

比,图4中两种复合板的界面抗剪强度均远大于该数值,说明异种材质间结合良好,但

其界面抗剪强度还是要小于单一材质的数值,304抗剪强度高达803 MPa,而

Q345R为475 MPa,这说明复合材质的界面结合性能与单一材质仍具有一定的差

异,故在实际使用中存在较多的安全隐患,这就是必须要通过各种手段提升界面结合

性能的原因。

2.3 剪切断口分析

为了保证复合板结合界面处的抗剪强度结果的可信性,一方面,按照GB/T 6396—

2008中的要求精确加工试样并进行试验；另一方面,在剪切试验后,对全部剪切断

口试样进行严格分析,根据金相组织中元素扩散的成分分布趋势,尤其是C,Cr,Ni元

素的分布趋势,在剪切断面上利用SEM与EDS对断面形貌及成分分布进行分析,来

确定断裂界面是否在结合界面处断裂,最终判断该抗剪强度是否为界面处的结合强

度。

图5示出剪切断口形貌及断面成分分析结果。本文分别对界面含Ni与不含Ni剪

切断口的典型形貌及定点、定区域成分进行了描述与分析[13-14]。图5(a)为不含

Ni箔复合板剪切断口,断口表面整体较平坦,局部存在剪切撕裂而形成的“舌头”状

花样,起裂源及最终断裂部位存在一定高度的台阶；两处均含有极少量的Cr元素,

但不含Ni,由于Cr向Q345R侧的扩散距离远大于Ni,说明两处断裂位置应该在近

界面Q345R侧断裂；随后从裂纹源到终端部位进行线性区域扫描,参照界面成分扩

散分析结果,发现该试样起裂于Q345R基体,中部区域断裂于近界面的Q345R侧,

局部由于粘连撕裂而断裂于304侧,终断于近界面Q345R侧,其抗剪强度为434

MPa。图5(b)为含0.1 mm Ni箔的复合板剪切断口,断口表面整体较平坦,含较多

撕裂状韧窝,局部仍存在“舌头”状花样；选取1，2两处典型形貌进行EDS分析,

发现两处均含有较高的Ni,不含Cr,说明断裂于Ni箔中,通过从起裂源到最终断裂部

位的线性区域扫描结果来看,该试样均断裂在Ni箔中,参照界面成分扩散分析结果,

由于Ni箔与304，Q345R两侧均发生扩散,无法判断具体断裂位置(还需要进一步

研究)，其抗剪强度为397 MPa。通过以上剪切断口分析,两种复合板抗剪强度试

验结果都是有效的,可以较准确地说明其界面结合性能的情况,满足图4中评定结果

要求。

本文根据剪切试样的剪切断面的元素成分,利用EDS和TEM对不含Ni层的结合界

面处的微观组织、元素扩散等进行详细地观察,并对结合界面处的显微硬度进行测

定,如图6所示。通过图6(a)中扫描照片可以清楚看出,复合板结合界面处分为3个

区域(①②③),并对应图6(b)中的3个区域,其中，①区为不锈钢晶间析出区,经溶液

腐蚀后,晶界处呈网状分布的“深沟”状；②区为白色区域,为复合板的结合界面,通

过②区的形貌可以看出,不锈钢复合板的结合界面并不是一条明显的界限,而是一条

具有一定宽度的扩散区域,经测量,图中白色区域的宽度约为5～10 μm；③区为

Q345R侧的铁素体脱碳区。本文定义图6(b)中X轴向的0点为图6(a)中②区域的

左边缘。将显微硬度测试曲线、线性与区域元素扩散统一作入图6(b)中,发现在②

区存在较高的硬度,说明该处强度较高,且该处正处于Cr，Ni元素扩散曲线的过渡

区间。有关文献曾提到,在结合界面处有马氏体条带生成[15]。随后通过TEM对热

轧空冷后不含Ni复合板的结合界面处进行观察,发现在该处确实产生了宽5 μm左

右的板条马氏体条带,如图6(a)所示。这主要可能是由于元素的扩散,致使该处成分

处于合金化状态,造成其淬透性提高,从而产生一条马氏体薄带区域。根据对热轧空

冷所获得的复合板的大量剪切试验结果及剪切断面的成分分析,剪切断裂面基本全

部位于图6(b)阴影部分的④区域位置,该处Cr含量基本在2%以下,且不含Ni，说

明④区域为剪切试验最易受剪开裂的薄弱位置。

笔者团队成员曾利用ABAQUS软件模拟分析过不同凸台尺寸对剪切性能的影响

[15-16]。图7示出剪切台阶的变形过程,其中：①为碳钢侧区域；②为结合界面区

域；③为不锈钢侧区域。剪切刃口对应②区结合界面区域位置,为方便解析剪切模

拟过程,将②区结合界面区域仅看作成一条线。根据模拟结果,选取合适试样尺寸,剪

切试样加工精度、剪切刃具及试验均按照GB/T 6396—2008要求进行,并选取图

7中A,B两处压剪位置进行分析,图中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ为刃具在压剪过程中与试样凸台的接

触点。

通过试验与模拟对比分析,由于剪切刃口具有一定的弧度,在剪切初期,即A位置,剪

切凸台受剪切压力作用,首先在剪切刃口弧形段Ⅰ点接触位置产生应力集中,不锈钢

凸台开始发生变形；当变形到达B位置时,可以看出剪切刃口的弧形段与剪切凸台

的接触点逐步靠近②区结合界面区域,此时,不锈钢侧产生形变强化。由于结合界面

区域②区为马氏体组织,强度较高,亦不易产生剪切开裂,但与结合界面紧邻的①区

(由于脱碳形成的铁素体区域)强度较低,且相对于马氏体组织为软相,因此容易在①

区铁素体与②区马氏体区域的结合部位的应力集中处形成剪切开裂。这种推断与观

察的大量结合良好的热轧空冷复合板剪切断面的成分分布结果是一致的。图7中

剪切刃口弧度在GB/T 6396—2008中要求R<0.1 mm,是有一定意义的：第一,若

刃口为直角刃口,则易直接损伤剪切位置,并产生裂纹,从而不易寻找结合界面的薄弱

位置；第二,一般机加工尚不能做到完全的直角刃口；最重要的是,剪切本身就应该

是一个通过剪切力来寻找结合界面处最薄弱位置引发裂纹并随后扩展断裂的过程。

因此,剪切刃口应该具有一定尺寸要求的弧度,若R太大,则剪切台阶在受力变形后会

变成撕裂型断裂；若R太小,则不易寻找结合界面的薄弱位置。

通过上述剪切断裂的分析结果,还可以发现,虽然界面不锈钢侧存在晶间析出,但剪切

断口却不易在此处断裂,说明刃口的塑性变形并未引发晶间析出带的脆性开裂,反而

是马氏体组织区与铁素体区域的交界处容易开裂。对于其他通过不同处理手段而获

得不同组织状态的不锈钢复合板的剪切断裂位置的界定，还需要后续进行深入、系

统地研究。

通过大量试验、观察和分析,较深入地分析了热轧不锈钢复合板的界面微观组织与

结合性能,并得出如下结论。

(1)复合坯经热轧复合后,结合界面处发生一定的元素扩散。当界面处不添加Ni层

时,由于C元素的扩散,在靠近界面的基层侧形成贫碳的铁素体带,而不锈钢侧形成增

碳的碳化物析出带；当界面添加Ni层时,对C元素的扩散有一定的抑制作用。

(2)若严格按照GB/T 6396—2008要求进行不锈钢复合板试样加工及抗剪试验,并

辅助剪切断面元素分析,抗剪强度数值可以较准确地评定其界面结合的好坏。

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