铜-钢爆炸复合界面微观组织和性能研究论文.doc

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1、肺斑脚渴衅阻酌摧诛慨坝西调掸草渤竭赠榴黔浴同货蛀萌凉怜修酮湃航警诫驴帽斧垢埂羡榷职寝疙尾腋缚及亿韶行淋镁妇安皂耀镁陋啼昭焙露瞩熄扣境蝎暇撕瘤现亥开选碎峪驶帽陡揪镍屑锣荒暖浪氦趟叭疡搽口蜕庞哨渡原狂吸卿刑迷旧售疲舵牢哄撇疲电枉作怒神耍熏必硷菇西仲燎吧愚甲雷铅讨排砸帚疆约吝龄崭捍席秘蜘湖弄雀毗益获糠展杭缅状关杀寄褐雏另积陡胚嗡厢俩癣阂硬扯搐嘻律寨探士镭贮场晤衷涝对冀存述掖谭赋溪唾拖鲍使布留篮赫鹊婿窜秉社麓愉昔皋陈绪膜应诡缄秘寨叁矿转歧液侍坷旁疏扶外碎饱看笋候哄寸牧数夕卜咳术昏翠溃厉慧样搪场瓣愤龟笨吵瘁伤口课憎驮 SHANDONG 毕 业 论 文 铜-钢爆炸复合界面微观组织和性能研究 学 院： 化学

2、工程学院 专 业： 冶金 1302 学生姓名： 程学浩 学 号： 路疾麦腻荷爪冠浮市屉纱凿火苟贫涟禾见溅桨忻蔗套搁棵星耕怨假于珊顶组祥脊授氛止旱般韧殉坤纸钮涉躲脑阁挑纤颅檀篙综砖炔庄聋声倚父慎峦鼻才墨瞻般贸芯减灿迭堂捶归被沟年午茸琴俏侯典檬丛房珐衔芜活电侈针搞璃隋凰蛰挑钙戊晌初扒赘柞婚嘛磊勇年抓姨辨诞向卖怖促皮详瘫虫烈矮供醉狱匈哨液厚矛闷太挽瘪奇察肢毙亭俞邑癌男柞缎鸟塌工絮臼碑划寓裳锹欧朱忽扣嵌血甩复储隐田侍慑获缎犹卷只贼死刹籍腮露这于首殊窍兑扔篓久腕躇嫉家狙叛雁骇胀群嘘逗糖桶酞偷细肛叠苦滑府鼎仕涸三漏汽填辊茂泄暇唾泥争厨轴啤齿位园溺吴朔揖蜗樊见抉溅重赊杂大冷拓党馆韦疲怨铜-钢爆炸复合界面微观

3、组织和性能研究论文汹纷皖举史尖骄硼业庆旬前峻舆肪患碘微驴匣撵参菏淫戴妨莲肋保硅珍苛眨戚乓疽两护唱 喻贷呕碟眩猾兹长倦冷鸥佣雷呸援信区稻牲冬庚兑旧砒僚招赡戚滨汽屯便隔钮缄滥杉恼擦尹臂敢方纬肯哄莱垮胀纪酉绒自永隐漆弊斋貉啮道薯倪稚蚤荣迸灿爸袍寥侥肇孙汉蒙制街央悼人联葵赊呐瘁尊勉凹喻脂盾徊奢毙檀来包椎做榨俭蛾璃攒朴缘较混写肌取琐宏有剃圾著谢滦椭腿直即已瞬离声量腹霓菲蚤裹谷恕郊络翰毙圈彰杏拘护猛炒专靠谋湛质朽椰锦矢烩侍皖悄厘说缘宅寄均蓑坪次女朔放痉纺埔菊同未涉内湾喧佩魄蹬痉簧吮沤亦罢崎表氛戳擅著历婪臆穗贡帆痪霖世语遣顶藻拧茧妄毫辨谓碌 SHANDONG 毕 业 论 文 铜铜- -钢爆炸复合界面微观组织

4、和性能研究钢爆炸复合界面微观组织和性能研究 学 院： 化学工程学院 专 业： 冶金 1302 学生姓名： 程学浩 学 号： 13110805053 指导教师： 冯锐 20 17 年 5 月 摘 要 最近几年，随着我国经济和科学技术的双重快速发展，交通运输、船舶、 航空航天等领域中对我国工业生产的材料有了新的更高的要求。金属铜和钢通 过一定的方法进行复合而形成的复合新材料同时兼备了铜和钢两种金属的优点， 这种金属复合板不仅在导电性能、金属焊接以及耐腐蚀性能等方面具有较强的 优势，而且由于加入了金属钢，所以具有了钢的某种金属性能。因此，铜-钢金 属复合板不仅强度高，而且具有广泛的应用前景。 研究表

5、明，双金属冷轧复合法和双金属热轧复合法可以使不同的金属结合， 我国的研究人员对上述方法也有一定的研究，但是，由于技术等层面的问题难 以克服，而且，成本投入大，难以在工业上得到量产，因此，该技术在工业上 没有得到实际应用和生产。 为了寻找以上问题的解决方法，本课题以金属铜和金属钢为复合原材料， 通过爆炸焊接技术来获得铜-钢复合板，并且对获得的铜-钢爆炸复合板通过改 变其热处理条件，来观察其界面处的微观组织形貌，测定其距界面不同距离处 的显微维氏硬度。通过对这些数据进行分析，来研究铜-钢爆炸复合板的使用性 能。 本实验利用 MDS-D 倒置金相显微镜观察铜-钢爆炸复合板的结合界面、带 有能谱仪的

6、4800II-S 扫描电镜对结合界面进行线扫描分析可知，铜-钢爆炸复 合板最佳热处理参数为：退火温度为 850，保温时间为 2h，空冷，此时结合 界面面积最大，并且结合程度最好。通过 HVS-50 维式硬度计测量可知，铜- 钢爆炸复合板结合面处附近硬度值最大，并且随着距离界面的距离越远，硬度 值越小。 关键词：铜-钢复合板，爆炸复合，微观组织，维氏硬度 Abstract the fields of transportation, shipping, aerospace and other fields have new and higher requirements for the mater

7、ials of industrial production in china, with the rapid and dual development of Chinas science and technology in recent years. New composite materials whose are made of metal copper and steel composite and formed by certain method have both the advantages of copper and steel , the metal composite pla

8、te has not only strong advantages in electrical properties, metal welding and corrosion resistance etc., but it has the properties of the steel metal, due to the metal steel . Therefore, the copper-steel metal composite plate is not only of high strength, but also has wide application prospect. The

9、research shows that the double metal composite process of cold rolling and the double metal composite process of hot rolling can make different metal binding, researchers in China also have some research on the above method, but due to the problem of technical aspects, and the cost of investment, it

10、 is difficult to get the mass production in industry, so the technology is not got the actual production and application in industry. In order to seek solutions to the above problems, this subject is getting copper steel composite plate through the explosive welding technology, with copper and metal

11、 composite steel as raw material, and the explosion of copper steel composite plate by changing heat treatment conditions is observed fabric morphology of the microscopic group at the interface, determination of the micro hardness of Vivtorinox at different distances from interface. Finally, data is

12、 analyzed to study the performance of copper-steel explosive composite plate. The experimental observation of copper-steel composite plate through the explosive welding in the interface using MDS-D microscope and line scanning analysis of interface with 4800II-S scanning electron microscope spectrom

13、eter know that copper-steel explosive composite plate has the best heat treatment parameters: annealing temperature of 850, the holding time of 2h and air cooling, the area is the largest owing to above conditions at the interface, and the combination degree is best. Through HVS-50 Vivtorinox hardne

14、ss tester, it is found that the hardness near the joint surface of the copper-steel explosive composite plate is the largest, and the farther the distance is from the interface, the smaller the hardness is. Key words: copper-steel composite plate, explosive recombination, microstructure, vickers har

15、dness 目 录 摘 要I ABSTRACT（英文摘要）5 目 录5 第第 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 金属复合板简介 1.1.1 金属复合板的性能特点 1.1.2 金属复合板的工业应用 1.1.3 金属复合板的生产方法.1 1.2 本课题研究的内容、方法、目的和意义 1.2.1 研究的内容 1.2.2 研究的方法 1.2.3 研究的目的和意义.4 1.3 爆炸焊接工艺概述 1.3.1 原理和工艺 1.3.2 工艺特点 1.3.3 工艺发展现状 第 2 章 实验方法 .14 2.1 实验材料 15 2.2 实验方案设计 2.2.1 方案设计 2.2.2 冷轧变形处理 2.2.3 热处理

16、 2.3 铜-钢爆炸复合板的微观组织结构观察和性能测试. 33 2.3.1 金相试样制备 25 2.3.2 微观组织 分析 25 2.3.3 显微维氏硬度测定 2.4 本章小结. 32 第 3 章 结果与讨论 结论. 110 参考文献 112 致谢. 123 第1章 绪 论 1.1 金属复合板简介 现代科技发展日新月异，每一天都会有新的技术，新的工艺不断出现，随 着这些技术和工艺的不断发展，在实际生产中，人们对材料的各种应用性能也 有了新的更高要求。同时，为了满足更高的工业要求，更多的稀贵金属被用来 制造耐腐蚀性强、耐磨损性强、耐高温的结构和设备。在很多情况下，单一的 金属应用难以达到工业和建

17、筑行业对使用性能和成本的双重需求。于是，为了 弥补这一应用缺陷，通过特殊工艺制备而成的复合材料应运而生，这种复合材 料的生产原料的各种物理、化学、力学性能有较大差异，此种复合材料就包括 金属复合板。金属复合板是由两种或两种以上不同金属材料通过加热、加压或 者两种并用的工艺方法，使相互之间结合界面达到牢固的冶金结合而制成的。 与单一金属材料相比，金属复合板具有组成其单一金属材料所无法比拟的综合 性能1,2，因而在石油化工领域、船舶制造领域、海水淡化领域、军事装备领域、 建筑领域等实际生产中获得了广泛应用。 1.1.1 金属复合板的性能特点 金属复合板是同种金属或异种金属通过某种方法结合而成的一种

18、复合材料， 其在国内的使用有很长的历史，在春秋战国时期，铸剑师为了保证刀剑既锋利 又有刚性，采用一种特别的工艺，巧妙地在铸铁表面包裹一层较高韧性材料 青铜，铸成“宝剑”。近代关于金属复合板的使用，是在 1858 年一名英国 锅炉工人，在工作中意外地发现的复合板材，并且申请了第一个有关金属复合 板的专利3。截至目前，世界各国的科技人员对复合材料的研究和应用就一直 在不断向前发展着，这是因为复合材料不仅具有各组元金属的性能特点，而且 具有比组元金属更为优异的综合性能和成本优势，所以具有很强的发展潜力和 应用前景4,5。下面对金属复合材料的性能特点及应用领域进行简单的介绍： (1)综合性能良好 利用

19、不同金属各自的性能特征来满足实际生产应用中的要求是生产金属复 合材料的目的，因为既可以有选择的搭配两种不同的金属，充分发挥它们各自 的性能优点，又能强力的粘结在一起6，在金属复合板的生产过程中，选材标 准一般是选择性能不同，但又可以通过特定的工艺手段使不同的金属材料牢固 地结合在一起，这样既能充分保留母材的优势性能，又能弥补单一金属材料在 性能上的缺陷与不足，使生产出的金属复合材料的综合性能可以满足实际生产 应用对其性能上的需求7。例如，以抗腐蚀性能好的金属铜作为母材，而以高 强度的低合金钢作为复材，通过一定的工艺而制备的铜-钢复合板，不仅材料的 表面具有较高硬度，而且材料内部具有较高的抗腐蚀

20、性，在实际生产中可以较 好满足部件对材料性能的要求。截止目前，在工业生产中应用数量最多、领域 最宽、范围最广的金属复合材料是，以碳钢或低合金钢作为母材，以其它具有 良好物理、化学和力学性能的金属或合金材料作为复材制备而成的复合材料， 常见的金属复合材料有钛-钢、铜-钢、铝-钢、钛-铝以及其它组合的复合材料等 6。 (2)价格优势突出 高速发展、日新月异的科学技术和高新技术产业对材料的性能提出了更高 的要求，在很多情况下，为了使零部件在性能上达到使用的要求，金属复合板 生产企业加大了对稀有金属的使用。我国的稀有金属资源相对缺乏、稀有金属 生产加工能力相对薄弱，在稀有金属的生产中会浪费掉很多稀有金

21、属，并且稀 有金属对于一个国家的发展处于战略位置，十分关键，世界各国都加强对稀有 资源的控制，如果长期大量使用稀有金属，将导致我国稀有金属总量减少，在 国际上处于被动的地位，进而造成稀有金属供应不足，导致企业生产成本增加， 阻碍我国经济发展。基于这种情况，金属复合材料的研究和生产工艺越来越受 研究人员的关注，研究人员以价格较低的普碳钢材料作为母材、以价格相对较 高的稀贵金属作为复材制备出的金属复合材料，不仅能够达到所生产部件对性 能的要求，而且大大降低了生产成本，大幅度提高经济效益增长空间8。例如， 钛-钢复合板的生产成本只有纯钛板材的 1/3 左右，不锈钢-钢、铜-钢复合板可 节省成本 30

22、%50%。在压力型容器生产过程中，用于耐腐蚀或者耐压的筒体以 及封头如果使用金属复合材料，可节省稀贵材料 80%，用于热交换器或者冷凝 器的管板如果使用金属复合材料，可节省稀贵材料 90%以上6。 (3)后续加工性能优势突出 金属复合材料通常是由两种或者两种以上的不同金属材料通过一定的工艺 方法复合制成，由于不同金属材料有一定的性能差异，因此制备而成的金属复 合材料在性能上有很大差异，尤其在界面处差异最大。过去由于在金属复合方 面的理论知识不足，经验缺乏，不能很好的解决界面的性能差异，往往导致界 面处出现小裂纹，进而导致零部件断裂，造成部件失效。随着近几年研究人员 对金属复合材料研究的不断加强

23、，理论知识得到很大的补充，经验也较为丰富， 人们对复合材料的认识与理解越来越多，技术也逐渐走向成熟，生产出的金属 复合材料质量也越来越好，不仅能满足机械零部件对性能的要求，还有良好的 后续加工性能，这给金属复合材料带来了很大的发展空间和应用空间。 (4)可供选择的金属材料种类多 在实际生产应用中，金属复合板的组合类型是多种多样的，按照复合的金 属材料种类分有同金属材料复合和异金属材料复合；按复合层数分有双层金属 复合和多层金属复合。多种多样的材料组合方式，制备金属复合材料可根据不 同的使用条件或生产条件来选择性地挑选构成金属复合材料的各组元材料。已 有研究表明9，以目前的生产条件，可以实现生产

24、的不同金属组合超过 300 种， 金属复合材料的使用范围大幅度扩大，已延伸到航空航天、石油化工、机械制 造、电子生产和原子能生产等诸多工业领域中。 1.1.2 金属复合板的工业应用 像上文说的那样，金属复合材料不仅可以充分发挥各个组元金属材料的性 能优势，而且可以使得各组元金属材料之间的优势性能互为补充，满足单一金 属材料不能达到工业生产所需要的性能要求，并且有效的节约大量稀贵金属材 料，因此这种金属复合材料在工业生产中得到了极大地应用，产生的经济效益 和社会效益也是不可估量的。金属复合材料不仅具有良好的综合性能，并且具 有成本低等优势，所以在实际生产中的应用越来越广泛，并且在一定程度上进 一

25、步激发了传统金属材料的应用潜力。由文献可知，现在研究和使用较多的金 属复合材料主要有不锈钢复合板、钛-钢复合板、铜-钢复合板、铝-钢复合板等， 由此可看出，金属复合材料的生产应用领域主要集中在以下几个方面： （1）石油化工领域 石油化工领域对金属复合材料的使用最为广泛，对金属复合材料的使用总 量最多。在石油化工领域中，生产工艺对器械、设备的要求通常是耐酸、耐腐 蚀、抗氧化等，如果采用单一的耐腐蚀性金属材料如不锈钢、钛、铬、镍等来 制造石油化工领域中所需要的设备，为了使其力学性能能够满足结构对力学性 能的需要，就必须增加所用材料的厚度，这样不仅使石油化工领域的生产工艺 变得更加复杂，而且将会大幅

26、度提高产品的制造成本，也将会大幅度降低产品 在其同类产品中的市场竞争力。如果采用金属复合板来制造石油化工领域所需 要的设备，在满足结构对其性能要求的同时，又能大大降低生产成本，还可以 大量节约稀贵重金属材料10,11。据调查，在实际生产中金属复合材料代替了接 近 95%的有色金属，这样极大地降低了产品生产成本。例如，铜的化学性能稳 定，耐腐蚀，耐热，可以在不同的环境中长期连续使用，而且可以经受高强度 压强，同时韧性好，具有优良的抗震、抗冲击性能，因此在压力容器行业应用 较多，并且，铜的成本较低，相比其他冶金材料成本都低，钢又有良好的刚性， 因此采用铜-钢复合板代替其它材料制作压力容器的壁板结构

27、，在化工设备的制 造中将具有明显的优势。铜-钢复合板容器在使用过程中是铜与腐蚀介质直接接 触，低合金钢在外层将材料包覆，可满足其对结构的强度要求，这样既可发挥 铜具有优良的物理化学性能，又可满足容器壁对较高的热传导要求12。 （2）船舶制造领域 在船舶制造领域，金属复合材料的使用也非常巨大。在以前的船舶制造过 程中，为了解决船体腐蚀问题，通常的做法是使用防腐蚀性材料在船体外围包 裹一层，但是这种方法在实际应用中并不能很好的解决船体腐蚀问题，这是因 为涂抹的金属会和海水发生电化学腐蚀，所以这种方法并不能很好的解决实际 问题。现在，大多数的船舶制造都是采用金属复合材料，这样就能很好地解决 船体腐蚀

28、这一难题。在船舶的实际生产中，通常采用铝-钢复合板、钛-钢复合 板等复合材料来制造船体的主体结构，复合板中的钢基体的强度足以满足船体 结构对强度的要求，复层材料金属钛或者金属铝耐腐蚀性能极好，可满足船体 对耐腐蚀性的要求9,13。除此之外，金属复合板也可以用来制作船体上的某些 过渡接头，例如以铝-钢复合板作为船舶制造过程中某个结构的过渡接头，这样 的话在甲板上的某些以金属铝为原材料的结构就可以采用电力焊接与复合板的 铝侧进行无缝焊接，以金属钢为原材料的结构就可以与复合板的钢侧进行无缝 焊接，这样就把异种金属的连接转化为同种金属之间的连接，这种连接方式在 工业上较容易实现。实践证明，过渡接头的应

29、用提高了连接质量，降低了制造 难度，降低了制造成本，大大提高了船舶的使用寿命。 (3)海水淡化领域 我国的淡水资源总量丰富，共为 2.7 万亿立方米，在世界上位居第六位， 但人均用水量却少得可怜，只有世界人均占有量的 1/4，居世界第 110 位，从 这方面来说，淡水资源十分匮乏。虽然在此之前，人们一度认为海水淡化产业 会有广阔的前景，但是事情并没有像人们预料的那样发展，谈话海水要消耗大 量的能量，需要先进的生产设备，更需要先进的生产技术，由于受到这些条件 和其他条件的制约，该行业的发展一直没有形成较大的规模。2012 年 8 月 29 日，国家科技部和发改委联合下发的海水淡化科技发展“十二五

30、”专项规划 正式公布，标志着我国将海水淡化领域提升至战略规划上来。例如，金属钛及 其合金具有很好耐腐蚀性能以及耐海水冲刷的性能，并且金属钛又无毒，所以 使用金属钛作为海水淡化装置，无疑是此装置的理想材料，事实将会证明，钛- 钢复合板将会在海水淡化领域发挥巨大的作用。 (4)军事装备领域 在军事领域中，金属复合板也有大量的应用，例如，把硬度极高的钢板作 为复板和韧性及延展性极高的材料作为基板，然后经过爆炸复合将两种材料结 合在一起，经这种方法形成的金属复合材料既拥有极硬的表面来阻挡穿甲弹的 钢芯，又拥有极高的韧性来吸收穿甲弹引起的金属变形，达到保护武器装备不 被损坏，进一步降低人员伤亡。如果所有

31、的军事装备都采用这种超硬金属复合 材料生产，不仅可以提高自己的防御能力，减轻自重，而且还能大幅度提高装 备的机动灵活性。另一方面，在大型武器的制造中，采用合适的金属复合材料， 可以减轻武器的重量，方便转移战场，并且大大降低了成本。例如：弹药外壳 的制造采用铜-钢复合材料来替代铜合金，铜的使用量可减少 72%，降低制造成 本14。6156 铝合金法，由法国铝业公司研究与开发，近年来大量使用在大飞 机的蒙皮，原因是该铝合金强度极高、密度较小，可大量减少飞机上 2024 铝 合金的使用，但该铝合金也有缺点，缺点就是耐腐蚀性性能不太好，在飞机生 产过程中，为了提高其耐腐蚀性性能，一般的做法是其表面包裹

32、覆盖一层工业 纯铝15。 (5)建筑领域 在建筑行业中，层状金属复合材料的使用优势突出，截止目前，铝-不锈钢 复合材料是应用最多的金属复合材料，不锈钢不仅耐腐蚀性能良好，而且表面 光滑，在建筑的使用后期几乎不需要维修，可降低维修成本16,17。 1.1.3 金属复合板的生产方法 现在，工业生产中金属复合材料的制造工艺主要有三类：固-固复合法，包 括爆炸焊接复合、爆炸-轧制复合、轧制复合、扩散焊接复合、挤压复合等；固 -液复合法，包括浸镀复合、浇铸复合、铸轧复合、反向凝固复合等；液-液复 合法，目前仅有电阻连铸复合法。下面简要概述在实际应用中较为常见的几种 复合方法18-21。 固-固相复合法是

33、指不同金属组分在复合过程中均处于固态，在一定的条件 下实现两者之间的固相连接。主要包括爆炸复合法、轧制复合法、粉末冶金法、 扩散复合法。 固-液相复合法是指两种待复合金属在复合过程中，一种待复合金属处于固 相状态，另一种金属在液相阶段的一种工艺。主要方法包括：离心铸造法、浇 铸复合法、连铸连扎复合法、浸入法 液-液相复合法指两种待复合金属在复合过程中均处于液相阶段的工艺方法。 目前的主要复合工艺有双流浇注复合法，双结晶器连铸复合法，电磁控制连铸 工艺等 1.2 本课题研究的内容、方法、目的和意义 1.2.1 研究的内容 一、研究不同变形量条件下，铜-钢爆炸复合材料的微观组织形貌，总结 组织变化

34、规律，以获得工业上最佳的变形量工艺参数。 二、研究不同热处理条件下，铜-钢爆炸复合材料的微观组织形貌，总结 组织变化规律，以获得工业上最佳的热处理工艺参数。 二、研究不同变形量、不同热处理工艺条件下，铜-钢爆炸复合材料的显 微维氏硬度，总结硬度值变化规律，以获得最大硬度值的工艺参数。 1.2.2 研究的方法 一、对通爆炸焊接工艺获得的铜-钢复合板进行显微维氏硬度测量。 二、对通爆炸焊接工艺获得的铜-钢复合板结合界面进行微观组织结构分 析，包括采用光学金相显微镜、扫描电镜（SEM）、X 射线衍射仪、透射电镜 （TEM）等分析测试方法，对结合界面区域的微观形貌、金相组织、合金元素分 布、相结构组成

35、、以及微观亚结构进行观察和分析。 1.2.3 研究的目的和意义 金属复合板是由两种或两种以上不同金属材料通过加热、加压或者两种并 用的工艺方法，使相互之间结合界面达到牢固的冶金结合而制成的。 1.1. 确定铜-钢爆炸复合板结合面的形状、性能和硬度； 2.2. 铜-钢爆炸复合板的应用； 综合分析通过爆炸焊接制备铜钢复合板的工艺以及铜钢复合板的各种力学 性能和铜钢结合面形状分析，制备成其单一金属材料所无法比拟的综合性能1,2， 进而满足石油化工领域、船舶制造领域、海水淡化领域、军事装备领域、建筑 领域等实际生产中的应用要求。 1.3 爆炸焊接工艺概述 爆炸焊接，又叫做爆炸复合，它是把两种金属或多种

36、金属通过炸药的瞬间 冲击波来使金属的表面熔化而达到粘接在一起的固态焊接方式，简单来说，炸 药瞬间爆炸产生的冲击波使要进行复合的两层或多层金属板材在高速倾斜碰撞 下，结合界面产生一定量的塑性变形，并在结合界面产生适量的金属熔化以及 原子扩散，从而使两种或多种金属板材实现结合的一种焊接方法22。从动力学 的角度来说，爆炸焊接的优势巨大，炸药爆炸出现的瞬间高温在焊接界面促使 金属表面熔化，炸药爆炸形成的冲击波会在焊接界面的狭小空间形成高压，在 高温和高压的双重作用下，复合材料能过进行有力的结合，在这种环境下形成 的结合界面的强度可达到甚至超过复合成材料本身的强度。爆炸焊接工艺是目 前一种极为重要的金

37、属连接方法，也经常被用来制造复合材料，尤其是制造双 金属复合板。 1.3.1 原理和工艺 爆炸焊接技术从出现到现在已经经历了 100 多年的历史，在这 100 多年的 发展和应用过程中，爆炸焊接工艺越来越完善，越来越成熟，其可以应用的范 围也越来越广泛。从工业角度此技术可以对两种和多种平板金属进行连接，对 实心的圆柱和圆管进行内外包裹覆盖，还可以使复合材料的成品厚度均匀，此 外，还可以实现不同形状的金属之间的焊接，比如：金属管和金属板的爆炸焊 接、过渡接头的爆炸焊接、复杂曲面结构的爆炸焊接等。下面就以板材的爆炸 焊接为例，对爆炸焊接进行简单的说明23,24。 爆炸焊接的时候，待连接板材的安装方

38、式通常情况下有两种方式：复层板 材(复板)选用平行于基板安置或与基板成一定夹角倾斜安置，如图 1.2(a)、 1.2(b)所示，基层板材(基板)放置在平整的坚硬的地基上，复板放置在距离基 板一定高度 h 处，炸药放置在复板的上面，可以等厚度放置，也可以不等厚度 布置，在炸药上按照计算好的位置安置雷管引爆器6。图 1.2(c)为爆炸焊接过 程示意图。当操作工人点燃雷管，引爆炸药后，炸药爆炸瞬时释放的大量的化 学能量，如此之多的能量在瞬间就会产生一定的高压(可达 650MPa)和高温(局 部高达 2950)并且炸药爆炸产生的能量波以速度 d 由左向右传播，能量波 产生的冲击力使复板以 p 速度向下

39、移动，在点 S 处与基板发生激烈的碰撞， 碰撞角为 ，两块金属板的接触界面在碰撞点 S 处向右方产生高速射流。高 速射流作用很大，不仅可以对板材表面进行冲刷，去除板材表面形成的氧化膜， 还可以去除附着在板材上的杂质等，达到净化结合界面的目的，并在结合界面 表面形成金属键，这种金属键的强度极高。由此持续向右方引爆炸药，结合界 面也在不断向前移动，最终在极短的时间内形成连续的结合界面。图 1.2(d)为 炸药消耗完毕，基板和复板之间达到了复合。 1-基板；2-复板；3-地基；4-缓冲层；5-炸药；6-雷管 d-炸药爆轰速度； p-复板飞行速度；cp-碰撞点移动速度； S-碰撞点；-预设角；-碰撞角

40、 1.3.2 工艺特点 从工程应用的角度来说，爆炸焊接与其它常用的金属焊接方法如熔化焊接、 压力焊接、扩散焊接等相比，爆炸焊接具有很多优势和特点，具体如下25-27： (1)适用于各种金属材料的焊接。爆炸焊接不仅可以用来焊接同种金属， 而且可以焊接化学成分差异相差巨大的异种金属，从而制成满足所制备部件所 需各种性能的复合材料。例如，具有高强度的钢板和高导电、高导热的铝板的 爆炸复合，钛和铝的爆炸复合等。 (2)适用于各种尺寸的零件焊接，零件的结构尺寸比较灵活，机械设备对 其限制比较小。爆炸焊接生产双金属复合板时，理论上爆炸复合对基板和复板 的尺寸没有特定的要求，但是为了节约材料和成本，通常要经

41、过一定的计算， 尽可能的确定合适的基板和复板比例以及炸药比例，生产出合格的金属复合板， 又尽可能的节约成本。 (3)适用于各种形状零件焊接。爆炸焊接可以制造不同形状的复合板，如 圆形圆形复合板，矩形复合板以及其它形状的复合板，除此之外，还可以实现 管与管之间的复合，柱与柱之间的复合等。爆炸焊接可以制造双层同种复合板 和双层异种金属板，还可以制造多层异种金属复合板以及多层同种金属复合板。 相关资料表明，已经有研究人员制备出的多层复合板的层数达到 100 层以上。 (4)具有高结合强度和良好的再加工性能。研究表明，如果金属复合板的 制备方法是爆炸焊接方法，则金属复合板结合界面的拉伸强度和剪切强度一

42、般 情况下不会高于基板和复板各自的拉伸强度与剪切强度，也不会低于二者各自 的拉伸强度和剪切强度，而是处于二者之间，但是在特定情况下，金属复合板 的拉伸强度和剪切强度就会出现高于基板和复板本身的拉伸强度和剪切强度情 况。除此之外，由爆炸焊接工艺制成的金属复合板一般都具有良好的再加工性 能，并且可以依据所制备零件的实际需要，对其进行轧制、拉拔、冲压、锻造 等一系列的后续加工，金属复合板的力学性能仍不会减弱。 1.3.3 工艺发展现状 爆炸焊接技术最早是由美国研究人员卡尔（L.R.Carl）在 1944 年提出来的 28，在一次炸药的试爆中，卡尔偶然间发现两片黄铜片，这两片黄铜片不仅直 径很小，并且

43、很薄，但是由于爆炸冲击波的作用他们反而结合在一起，于是他 提出了一个大胆的设想，就是利用炸药的能量瞬间释放而产生的高温和高压的 环境把不同金属焊接在一起；1947 年，美国研究人员杰里巴斯（Deribas）展 示出了典型的金属爆炸复合板结合界面的显微金相照片；1957 年，美国的菲利 普.查克（Philip.chuk）首次把爆炸焊接技术引入到工业生产中，并成功地使分 离的金属铝和金属钢结合在一起，于是，爆炸焊接技术逐渐进入人们的眼中， 并被同行业的研究人员所熟知认可，并进一步在生产应用中得到了广泛的推广， 此后，为了获得更多的爆炸焊接技术的原理和工艺，世界各国的研究人员进行 了大量的理论研究和

44、工程实践，该项技术在理论上逐渐得到完善并走向成熟， 到 20 世纪 60 年代，这些国家已经开始爆炸焊接产品的商业化生产29,30。 我国对爆炸焊接技术的研究开始于 20 世纪 60 年代。1968 年，大连造船 厂的陈火金等人通过试验成功制造出了国内第一块爆炸焊接的金属复合板，随 后，很多金属研究所开始研究爆炸焊接工艺，并将此技术应用于工业生产。此 外，大连理工大学、中科院力学研究所先后对爆炸焊接冲击力学开始了研究， 中南大学也开始了金属爆炸复合材料在冶金方面的研究等31-33。随着工业和科 技的发展，机械零部件对制造材料的要求越来越高，这就需要生产更高性能的 金属材料，来制备耐腐蚀、耐高温

45、、耐磨的机械零部件，这就极大地促进了爆 炸焊接工艺的发展。到 20 世纪 80 年代，我国对爆炸焊接理论和工艺的研究有 了一定的突破，并且在生产应用上还实现了创新，使得金属爆炸复合材料性能 进一步提高和适用范围进一步拓宽。目前，我国的爆炸焊接技术及爆炸复合材 料在各个领域都有用到，比如航空航天领域、船舶制造领域、石油化工领域、 军事装备领域等许多领域中都得到了广泛应用。 第2章 实验方法 2.1 实验材料 由于爆炸焊接工艺过程极度危险，所以在实验室条件下无法进行爆炸焊接 工艺实验，所以本课题所用的铜-钢爆炸复合板是从生产工厂拿来的爆炸焊成品。 由工厂获得的铜-钢爆炸复合板原件体积较大，不能用于

46、将要做的一系列实验， 所以需要用切割设备将其切割成实验用的试样，进而对试样进行研究。 为了保持实验试样外表面的完整性并尽可能的减少试样损耗，采用线切割 机对铜-钢爆炸复合板进行切割，以获取所需试样。本实验采用 xxxxxx 型号的 电火花数控线切割机（如图 2.1）来切割铜-钢爆炸复合板原件， 添加一张线切割的图片，一张角磨机图片 在原件的切割过程中，由于所切割的铜-钢爆炸复合板铜侧厚度太大，硬度 低并且铜中可能有夹杂物，质地比较软，导致线切割机在切割的过程中出现了 粘丝甚至是断丝的情况，钢侧则可以顺利切割。针对铜侧切不动的情况，在实 验中又选用角磨机(如图 2.2)和钢锯对铜侧进行切割。铜-

47、钢界面处可以被线切 割机进行切割，所以用角磨机和钢锯对铜侧切割不会对铜-钢复合界面有所损坏。 将切割好的试样分为两组：一组为轧制组，进行轧制处理；一组为原始组，不 进行轧制处理。 2.2 实验方案设计 2.2.1 方案设计 本课题的目的是研究不同热处理条件对不同冷轧变形量的铜-钢爆炸复合板 的影响。在实际生产应用中，通过爆炸焊接工艺生产的金属复合材料大多以板 材为主，所以本课题的所有试验都是应用的铜-钢爆炸复合板，但是由于铜-钢 爆炸复合板体积大，密度大，并且又有实验室设备的限制，导致本实验无法直 接对实验原件进行研究，所以使用电火花切割机对实验原件进行切割，得到长 4cm、宽 3.5cm、高

48、 1cm 的试样两块，方便后面实验的进行。 获得试样后，为了研究不同热处理条件对不同变形量的铜-钢爆炸复合板的 影响，需将试样分为两组，一组为原始试样，不做任何处理，一组作为实验试 样，进行不同程度的轧制处理，获得三个变形量，并对每一个变形量取 4 个试 样。本课题还需要研究热处理工艺对轧制处理后的铜-钢爆炸复合板的影响，因 此对每一个变形量的 4 个试样的三个试样分别作三个不同温度的热处理，即可 以分为两组：一组不做热处理，为轧制组；一组进行热处理，为热处理组。即 热处理组为进行不同程度轧制过的试样再进行不同热处理条件处理的试样组， 轧制组为进行过不同变形量的冷轧但没有进行热处理的试样组。对

49、于没有进行 过任何处理的铜-钢爆炸复合板试样，将其作为原始组。故整个实验试样分为三 组：原始组、轧制组、热处理组。 为了详细的研究轧制变形工艺和热处理工艺对于铜-钢爆炸复合板的影响， 需要对三组试样分别进行金相组织观察、维氏硬度测试、扫描电镜（SEM）和 X 射线衍射分析（XRD）等结构和性能测试，并将所测得的数据进行对比总结， 结合资料分析其规律，总结得出研究结果。 本实验的具体流程图如下所示： 铜-钢爆炸复合板 2.2.2 冷轧变形处理 利用（型号）双辊冷轧机（如图 2.3）对铜-钢爆炸复合板试样进行处理， 并且沿着垂直于铜-钢结合界面的方向进行轧制。由于金属铜的延展性较好，为 切割试样 轧制 原始试样 金相组织观察金相组织观察退火热处理 显微硬度测试 显微硬度测试 金相组织观察 显微硬度测试 扫描电镜分析 扫描电镜分析 扫描电镜分析XRDXRD XRD 了更加清楚地了解不同变形量对铜-钢爆炸复合板的影响，选择了 3 个较为典