热轧不锈钢复合板冲击性能研究

张心金,郭秀斌，孟庆领，何 毅,李萌蘖

(中国一重能源装备材料科学研究所，天津， 300457)

热轧不锈钢复合板冲击性能研究

张心金,郭秀斌，孟庆领，何 毅,李萌蘖

(中国一重能源装备材料科学研究所，天津， 300457)

研究在不同复合比及温度条件下冲击载荷对热轧不锈钢复合板力学性能的影响。结果表明，热轧复合板随覆层厚度增大或试验温度升高，其冲击吸收能增大，覆层厚度为8 mm时，冲击功达到稳定值150 J；碳钢层断面为解理面与韧窝混合断裂形貌，不锈钢层断面为韧窝断裂形貌，靠近复合界面不锈钢侧呈沿晶断裂与韧性断裂形貌；复合界面处开裂情况对缺口位置不敏感；热轧不锈钢复合板冲击加载过程复合界面不易开裂。

不锈钢复合板；热轧；冲击功；断裂；中间夹层；力学性能

随着热轧复合技术的不断发展，热轧不锈钢复合板已广泛用于石油、化工、造船等工业领域[1-2]。生产实际情况表明，热轧复合板在后续加工使用过程中所承受的外力冲击，不仅会影响基层材料的力学性能，还会对结合界面处的结合性能有较大影响。因此，本文以热轧不锈钢Q345/316复合板为研究对象，研究在不同复合比及温度条件下冲击载荷对热轧不锈钢复合板力学性能的影响。

1 试验

1.1 试验方法

不锈钢复合板为Q345低碳钢(基层)和316不锈钢(覆层)经热轧复合而成。Q345/316复合板经1200℃保温2h后轧制，总压下量35%，轧后空冷至室温，终轧厚度为77mm(覆层厚11mm，基层厚66 mm)。不锈钢复合板化学成分如表1所示。不锈钢复合板冲击试样如图1所示。图1中，A面垂直于不锈钢层厚度方向，B面平行于复合板厚度方向，C面垂直于碳钢层厚度方向。分别在不锈钢复合板冲击试样A面、B面和C面上开V形缺口。取样位置及试样制备参照GB/T2975—1998，试样缺口及试样尺寸参照GB/T229—2007。

表1 不锈钢复合板化学成分(wB/%)

Table 1 Chemical compositions of stainless steel composite plate

1.2 检测分析

根据GB/T4334—2008对试样不锈钢层进行腐蚀。用200MAT金相显微镜观察试样显微组织，用Quanta400扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌，用能谱仪(EDS)分析试样断口夹杂物成分。用CBD-500电子式摆锤冲击试验机对试样进行冲击试验。

2 结果与讨论

2.1 界面组织形貌

不锈钢复合板界面组织形貌如图2所示。从图2中可看出，腐蚀后的Q345碳钢层与316不锈钢层中间出现一条复合界面，该复合界面分为Ⅰ区(铁素体+珠光体)和Ⅱ区(铁素体)两个区域。由于Q345碳钢层含C量远高于316不锈钢层，因而在加热轧制冷却过程中，C元素从碳钢层向不锈钢层扩散，并在碳钢层靠近复合界面侧形成宽约100 μm的脱碳区。此外还在不锈钢层靠近复合界面侧形成增碳区，腐蚀结果显示为明显的晶间腐蚀区。这是由于基层中C元素扩散至覆层，导致不锈钢层中大量Cr的碳化物沿晶界析出，形成不锈钢晶间腐蚀。GB/T4334—2008关于不锈钢晶间腐蚀试验方法认定，当不锈钢靠近界面侧晶间腐蚀严重时，将会形成以晶界为腐蚀沟、部分晶粒被腐蚀沟包围及全部晶粒被腐蚀沟包围3类情形的扩散带。这些扩散带影响着不锈钢复合板的结合性能，导致使用过程中界面腐蚀开裂[3]。

为了避免C元素扩散所致不锈钢层Cr的碳化物形成，可以在碳钢层与不锈钢层间加入一层Ni箔[4-5]。加入Ni层后不锈钢复合板界面组织形貌如图3所示。从图3中可以看出，不锈钢层靠近复合界面处晶间腐蚀区不明显。

Fig.2 Optical microstructures of the interfacial layers in stainless steel clad plate

2.2 冲击性能

不锈钢复合板冲击吸收能曲线如图4所示。从图4中可以看出，随不锈钢层厚度的增大或试验温度的升高，3种开口形式的不锈钢复合板冲击吸收能均呈增大趋势。0 ℃下不锈钢层厚度为8 mm时，其冲击吸收能达稳定值150 J，而低碳钢的冲击吸收能为41 J，由此可见， 316不锈钢在0 ℃时的冲击韧性远高于Q345低碳钢，这是由于316不锈钢为奥氏体型不锈钢，其在室温和低温下的冲击韧性非常优良。

Fig.3 Optical microstructure of the interfacial layers in stainless steel clad plate after adding Ni layer

Fig.4 Impact absorbing energy curves of stainless steel clad plate

2.3 断口形貌

缺口位于A面时材料断口SEM照片如图5所示，缺口位于B面时材料断口SEM照片如图6所示，缺口位于C面时材料断口SEM照片如图7所示，缺口位于C面时不锈钢断口韧窝内夹杂物EDS图谱如图8所示。从图5～图7中可以看出，试样碳钢层断面整体以解理为主，呈扇形河流花样，并含有韧窝的混合断裂；不锈钢层断面整体呈韧性断裂，含大量韧窝；靠近复合界面处不锈钢侧一定宽度内呈沿晶断裂与韧性断裂；断裂裂纹主要沿垂直主拉伸应力方向扩展，复合界面局部区域呈现混合断口形貌；除断口形貌差别外，复合界面处均未出现开裂，表明复合界面处的开裂情况对缺口位置不敏感。从图8中可以看出，点1处含有Al2O3夹杂物，点2处含有MnS夹杂物。该夹杂物主要由原始界面氧化物引入而形成，并随热轧的进行逐步移至复合界面偏不锈钢层内[6]。

(a)-20 ℃ (b)0 ℃ (c)20 ℃

图5 缺口位于A面时材料断口外观及SEM照片

Fig.5 Surface topographies and SEM images of the fracture when the notch is located on A surface of specimen

(a)-20 ℃ (b)0 ℃ (c)20 ℃

图6 缺口位于B面时材料断口外观及SEM照片

Fig.6 Surface topographies and SEM images of the fracture when the notch is located on B surface of specimen

(a)-20 ℃ (b)0 ℃ (c)20 ℃

图7 缺口位于C面时材料断口外观及SEM照片

Fig.7 Surface topographies and SEM images of the fracture when the notch is located on C surface of specimen

图8 20 ℃下缺口位于C面时不锈钢断口韧窝内夹杂物的EDS图谱

Fig.8 EDS spectra of inclusions in dimple of stainless steel when the notch is located on C surface of specimen at 20 ℃

2.4 冲击加载过程受力分析

为观察热轧复合试样冲击加载过程的应力变化，与具有相同复层厚度的爆炸复合试样作对比，利用ABAQUS软件对两种试样进行冲击数值模拟。两种试样冲击加载过程Mises应力云图如图9所示。从图9中可以看出，热轧复合试样结合界面平直，当冲击刃头接触试样不锈钢侧时，冲击载荷使不锈钢层发生塑性变形，继而扩展至结合界面处，由于基层和覆层材质及韧性的差异，会出现变形差，若碳钢层与不锈钢层结合良好，则两者变形差较小，结合界面不易开裂，载荷继续向碳钢层扩展直至断裂；反之，则两者变形差较大，形成界面开裂。爆炸复合试样的结合界面为锯齿状，与冲击载荷形成一定的受力角，因而在冲击载荷前端结合界面处形成剪切力，从而引起结合界面处应力集中，随着冲击载荷的继续传递，其应力集中区向两侧扩展，最终导致结合界面开裂，这与Ramazan Kacar等[7]的研究结果相似。相同载荷下，由于热轧复合试样的复合界面与冲击载荷方向垂直，不易形成界面剪切应力，与爆炸复合试样相比，较大程度上减小了结合界面处的开裂[8-9]。上述加载过程应力变化结果表明，热轧复合板界面结合良好，冲击断口不易在结合界面处开裂。

Fig.9 Mises stress nephograms of two kinds of impact specimen

3 结论

(1)热轧不锈钢复合板随覆层厚度增大或试验温度升高，冲击吸收能增大，覆层厚度为8 mm时，冲击功达稳定值150 J。

(2)热轧不锈钢复合板碳钢层断面为解理与韧窝混合断裂形貌，不锈钢层断面为韧窝断裂形貌，靠近复合界面不锈钢侧呈沿晶断裂与韧性断裂形貌。

(3)热轧不锈钢复合板复合界面处的开裂情况对缺口位置不敏感。

(4)热轧不锈钢复合板冲击加载过程复合界面不易开裂。

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[责任编辑 彭金旺]

Impact properties of hot rolled stainless steel clad

ZhangXinjin,GuoXiubin,MengQingling,HeYi,LiMengnie

(Materials Research Institute for Energy Equipments, China First Heavy Industries, Tianjin 300457, China)

The effect of impact load on the mechanical properties of hot-rolled stainless steel clad under different clad ratios and temperature conditions was studied. The results show that the impact absorbed energy increases with the increment of cladding thickness or temperature, and when the cladding thickness is 8 mm, the impact energy reaches 150 J.The fracture surface of carbon steel is mixture morphologies of cleavage surface and tough dimple, and that of stainless steel is dimple.The intergranular and ductile fractures occur near stainless steel side at the composite interface.The cracking at the interface of material is not sensitive to the notch position,and the composite interface of hot-rolled stainless clad is not easy to crack during the impact loading.

stainless steel clad; hot rolling; impact energy; fracture； insert layer; mechanical property

2015-01-16

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2013AA031302).

张心金(1984-)，男，中国一重能源装备材料科学研究所工程师.E-mail:88xjbb@163.com

TG335.8+1;TG142.71

A

1674-3644(2015)03-0169-05