论文 程学浩

　　SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

　　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 materials of industrial production in china, with the rapid and dual development of China's 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 plate 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 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 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 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 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 spectrometer 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 hardness 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.

　　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，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”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、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. 确定铜-钢爆炸复合板结合面的形状、性能和硬度；

　　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 νd由左向右传播，能量波产生的冲击力使复板以 νp速度向下移动，在点 S 处与基板发生激烈的碰撞，碰撞角为 β，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 νd-炸药爆轰速度； νp-复板飞行速度；νcp-碰撞点移动速度； S-碰撞点；α-预设角；β-碰撞角

　　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、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-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：

　　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个较为典型的轧制变形量：70%，80%，85%。

　　采用双辊冷轧机进行轧制时，一定要缓慢的控制好上辊的压下量，使其满足所需要的轧制变形量。利用长钳小心的将试样放入双辊冷轧机中，每轧一次应用游标卡尺仔细测量轧制后试样的厚度，经过计算确保每个轧制量的准确。每完成一个程度的轧制量后，使用钢锯将轧制试样切割一部分下来，以作为该轧制程度的试样，并将该试样分为两部分，一部分用于做热处理工艺，研究热处理工艺对不同轧制量铜钢复合件的影响，另一部分不做处理。对于不同变形量的试样需要标记观察界面并且用包装袋将其包装好，尽可能的避免人为错误。

　　2.2.3 热处理

　　采用爆炸焊接的铜-钢爆炸复合板在生产的过程中会在其表面或者界面留下残余应力，并且在爆炸的影响下，铜与钢会产生变形，产生加工硬化和爆炸强化。在实验中使用的铜-钢爆炸复合板试样由于利用双辊冷轧机进行不同变形量的轧制，使得试样的变形量极大地增加，导致试样内部和表面的残余应力增多，加工硬化程度加深。

　　为了消除爆炸焊接及轧制造成的残余应力及加工硬化现象，实验采用了退火热处理工艺。 退火热处理工艺的作用有三点：第一，可以消除试样内的残余应力；第二，有助于消除试样内的爆炸强化和加工硬化；第三，退火热处理随炉冷可以使晶粒回复与再结晶，有助于析出第二相。

　　由于铜-钢爆炸复合板的组成为异种金属——钢和铜，钢和铜具有不同的物理性质和化学特性，根据资料查得，一般的异种合金结合组成复合材料，其退火温度取两种金属中熔点较低金属熔点的0.6～0.8倍，即退火温度区间应为

　　600℃～850℃。由于实验条件的限制及退火热处理非常明确的目的，本实验选取了退火热处理的温度为：650℃、700℃、750℃，保温时间2h，冷却方式为空冷。

　　本实验多用的加热设备为电阻炉箱式加热炉，将3种不同轧制程度的试样分组放入加热炉中，设置加热炉的程序，将其温度升到所需温度，并在该温度下保温两个小时，然后空冷，并做好记录。将不同轧制量的试样放入加热炉中时要注意标记位置，在加热的过程中试样会被氧化，会将标记在试样上的标记覆盖，也可区分铜的厚度来区别不同变形量的铜-钢爆炸复合板试样。

　　2.3 铜-钢爆炸复合板的微观组织结构观察和性能测试

　　2.3.1 金相试样制备

　　一、试样镶嵌

　　结合上述处理试样的过程，在设计实验过程中提到三种分组：原始组、轧制组及热处理组。由于实验需要研究复合界面的微观结构及其两侧金属的微观组织，所以需要MDS-D倒置金相显微镜（如图2.4）进行观察。

　　在准备三组试样的过程中，由于制取的试样比较小，而且轧制程度较大的试样比较薄，在制备金相试样的过程中不利于粗磨、细磨、抛光及观察，因此使用型号镶嵌机（如图2.5）和电木粉将各组试样镶嵌成大小合适的镶嵌试样。在镶嵌的过程中注意电木粉的使用量，避免用量过多导致镶嵌试样过高从而不利于试样的观察和维氏硬度的测量。镶嵌时需要将镶嵌机底面用干净布擦拭干净，尽量避免残余的镶嵌粉在加热加压的情况下融入待镶嵌的试样表面，发生观察金相时试样表面出现很多黑点的情况。擦拭干净后，将需要观察的界面平整的放在镶嵌机镶嵌孔的底面，对于轧制量较高的试样，由于其比较薄，可以在镊子的帮助下进行镶嵌，避免镶嵌位置偏移。

　　二、试样打磨

　　镶嵌机使用的电木粉可能会将试样需要观察的表面覆盖或污染，一旦出现此类情况，则需要用粗砂纸粗磨，直至所需要观察的表面不再含有电木粉。

　　试样粗磨以后需进行细磨处理，采用400目、600目、800目、1000目的细砂纸进行逐级打磨，直至试样的表面没有肉眼可观察到的划痕。打磨时应注意打磨方向，每级砂纸使用时应朝一个方向打磨。镶嵌试样呈圆柱状，注意避免细磨试样时方向偏离造成试样表面产生错乱划痕。每细磨完一级砂纸进行下一级砂纸打磨时，需要将方向旋转90℃，以便将上一级砂纸留下的划痕打磨掉。

　　金相试样在进行粗磨或细磨时要注意保持圆柱状镶嵌试样上底面和下底面保持平行，若不平行则会对后续的试样金相观察及显微硬度测试产生影响。

　　三、试样抛光

　　金相试样细磨至无肉眼可观察到明显划痕后在型号抛光机（如图2.5）上进行抛光，抛光剂选用氧化铝高级抛光粉。抛光时应将最后一级细磨打磨方向旋转90℃进行抛光，以抛掉细磨时产生的划痕，直至试样的表面变为光亮的镜面。

　　鉴于铜和钢两种金属材质的物理性质不同，硬度差异较大，因此在抛光时一定要注意均匀用力，避免试样出现斜坡，出现铜钢不在同一平面的情况，导致后期金相观察不清晰。抛光时间不要过长，铜和钢硬度的差异导致在相同的抛光时间内，铜的抛去量要比钢多，抛光时间过长易导致铜-钢爆炸复合板的结合界面金属铜和金属钢两侧出现高度差，导致误差出现。抛光剂在使用时应注意少量多加，清水多加，防止试样表面小孔出现。

　　四、试样腐蚀

　　在金相试样制备的过程中，最重要的步骤就是试样的腐蚀，腐蚀的程度直接决定着后期的金相观察情况。由于铜和钢两种材质的差异，单一的腐蚀剂很难同时将两种材料显示出合适的晶粒组织。在经过查阅资料并结合多次实际实验结果，确定本实验的腐蚀液配比为:乙醇45～65ml，硝酸4～6ml，盐酸15ml，重铬酸钾1～3g，苦味酸1～2g，三氯化铁2～4g。配置腐蚀液时将试剂按上述顺序依次加入烧杯，并用玻璃棒进行搅拌使苦味酸、重铬酸钾充分溶解。配置好的腐蚀液放入棕色试剂瓶内妥善保存。

　　经过轧制变形的试样由于产生加工硬化，其腐蚀难度要比未轧制前要大，不同轧制程度的腐蚀难度也不相同。根据轧制变形量的不同，试样腐蚀时间控制在10～15s。腐蚀过后立即用大量清水冲洗，用无水乙醇冲掉水渍，并用吹风机吹干试样表面，进行金相微观组织观察。

　　2.3.2 微观组织分析

　　一、金相组织观察

　　本实验所用的金相显微镜的型号为XXXX金相显微镜，采用的放大倍数为50、100、200、500。XXXX金相显微镜为倒置式金相显微镜，在金相观察时需要将试样倒置放在金相显微镜的托盘上进行观察并拍摄照片。结合金相显微镜观察铜-钢爆炸复合板结合界面的显微结构及界面两侧铜、钢两种金属的晶粒组织的变化，进而得到不同热处理条件对不同变形量的铜-钢爆炸复合板的变化规律。

　　二、X射线衍射分析

　　三、扫面电镜分析

　　2.3.3 显微维氏硬度测定

　　硬度是材料的基本物理性质，是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是比较材料软硬程度的指标。同样硬度测试也是检测材料物理性能的方法之一，硬度测试也可以间接反映出材料在化学成分、结构组成、处理工艺以及其他物理性质上的差异。硬度的大小通常受两种因素的影响，内部因素有材料的强度极限、材料的结构、分子形态以及原子内应力等因素，外部因素则指仪器的缺陷限制、计量的方法和限制条件等。铜-钢爆炸复合材料在冷轧的过程中，其内部会发生剧烈的塑形变形，导致内应力的产生，引起加工硬化问题，从而导致铜-钢爆炸复合板内部的显微组织、结构及其界面处的元素组成分布发生改变。

　　本实验研究不同轧制变形量下铜-钢爆炸复合板结合界面及界面两侧铜、钢的显微维氏硬度值分布规律及热处理后不同轧制程度的爆炸焊铜钢复合件的界面及其两侧材料显微硬度值分布规律，除此之外，还需研究原始组中未轧制过的铜-钢爆炸复合板试样的结合界面及界面两侧材料的维氏硬度分布规律，将三种测量结果进行对比，得出不同轧制变形量及不同热处理条件对铜-钢爆炸复合板显微维氏硬度的影响。

　　本实验所用设备的型号为XXXX显微维式硬度计（如图2.6），实验条件为：加载力9.808N（1kg），持续时间15s。该型号的硬度计测量显微硬度需要将试样正置，前文提到，圆柱形试样需要保持上底和下底的平行，才能保证硬度测试的准确性。将试样放置完毕后，应先测量铜-钢复合界面处的硬度值，测完结合界面的硬度值后，分别向两边距离界面1mm处测量面两侧铜和钢区域的硬度值，并且每隔1mm依次进行测量，每一排侧5个点，并且求每一排所有测量点的平均值，即为该距离处的硬度值，并记录整理。

　　2.4 本章小结

　　本章对铜-钢爆炸复合板进行了微观组织结构分析和显微维氏硬度值测量，通过试验和分析，可得到以下结论：

　　一、结合界面金相组织观察表明，铜-钢爆炸复合板的结合界面呈周期性波状（如图2.7）结构，由于复合材料显微硬度的增加，导致结合界面塑性变形的程度变大，并且产生加工硬化现象。结合界面的XRD分析表明，在结合界面处未检测到新的中间化合物生成；进一步对结合界面进行元素线扫描分析，发现主要合金元素在爆炸焊接过程中发生了互扩散现象，元素扩散有利于提高结合界面的强度，保证了获得复合板具有满意的力学性能

　　二、铜-钢爆炸复合界面显微硬度测试结果显示，复合板结合界面处的硬度值最大，距离界面越远，硬度值越小，但是铜侧硬度值下降较快，钢侧的硬度值下降较慢。分析其原因，可能是因为爆炸焊接过程是瞬态过程，铜-钢复合板沿爆炸冲击波方向上的各个位置所受热和力的作用基本一样，所以结合界面的硬度值大体相同。

　　三、扫描电镜分析结果显示，在靠近结合界面处铜侧的晶粒细小，晶界清晰可见，未形成变形流线组织，大量位错分布于晶粒内部，位错之间相互缠结，可增加对位错运动的阻力。距结合界面越远处，受热循环作用的影响减小，位错数量减少，晶粒大小趋近于铜母材原始组织。

　　结 论

　　本文对采用优化的爆炸焊接工艺参数制备出的铜-钢复合板进行试验，并对复合板结合界面的微观组织结构进行了系统分析，得到的主要研究结果如下：

　　1、金相组织观察显示，复合板的结合界面呈周期性波状结合特征，根据波长的大小可知，铜-钢复合板的结合界面属于小波状结合。在结合界面附近金属产生强烈的塑性变形，从界面向钢基体金属的显微组织变化依次为：等轴细晶区—纤维状变形组织区—纤维状变形和原始组织扭曲混合区—扭曲原始组织区—原始组织区。

　　2、对复合板结合界面进行 XRD 分析，结果表明，铜-钢复合板结合界面的相结构组成为 α-Fe 和 Cu-Ni 相，在结合界面未见有 Fe Ti、Fe2Ti、Ni3等有害相析出，保证了复合板结合界面具有较高的强度。进一步进行透射电镜亚结构分析，发现在结合界面及其附近塑性变形区的晶界和晶粒内部有大量位错，位错之间相互缠结，这些位错、胞状亚结构的形成有利于提高复合板及其结合界面的力学性能。元素线扫描分析结果显示，复合板中主要合金元素在爆炸焊接过程中发原子扩散，复层中的Ti、Cu、Ni 等元素向基层扩散，而基层中的 Fe 元素向复层扩散，扩散机制为受浓度影响在较高热力学温度下的元素互扩散机制，不过扩散结果并未造成合金元素的偏聚现象。

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　　致 谢

　　衷心感谢导师冯锐老师对本人的精心指导。他们的言传身教将使我终生受益。冯锐导师广博的学识和严谨的治学态度将使我受益终生。

　　感谢帮助过我的全体老师和同学多年来的关心和支持！感谢所有关心和帮助过我的人们！