文摘
摘要界面微观结构,元素的扩散功能的接口,和成键特性在镍基合金/碳钢复合复合由真空热轧卷成键进行调查,全面。元素分布对界面结合强度的影响了。结果表明,有一个13μ米厚的扩散层界面的镍基合金/碳钢复合镀层,它是有益的一个强大的债券之间的镍基合金、碳钢、以及机械性能在厚度方向上的平稳过渡。柯肯特尔空洞和细粒度结构(晶粒尺寸约为41.5海里)被剥落的镍基合金熔覆层,大大促进了元素扩散和增强镍基合金的界面结合强度/碳钢复合镀层。倪在界面的扩散系数是2数量级大于纳米晶体的铁。抗剪强度达到453 MPa,这是远远高于最低140 MPa的ASTM - 264规范中定义。此外,在剪切试验,断裂发生在X52碳钢侧在接触而不是复合板界面。
1。介绍
在现代社会随着科学技术的进步,近年来,该领域,如汽车、船舶、和行业,材料的综合性能要求越来越高,这使得单一材料难以满足要求。因此,复合材料集成各种材料的优越性能已成为一个重要的研究方向1- - - - - -7]。使用最广泛的复合材料之一是镍基合金复合镀层由热轧粘合,不仅拥有高耐腐蚀的镍基合金(8,9),但也可以利用的结构支撑碳钢或低合金钢。此外,可以减少大量的镍基合金(10),这将大大降低材料成本,在化学工业中,有着广泛的应用前景(石油、海水淡化等领域11,12]。
在复合材料中,界面分层是一个重大的问题,这需要伟大的失败在其服务的责任13- - - - - -15]。因此,界面结合强度起着决定性的作用在整个复合材料的力学性能和后续处理性能(16]。复合界面可以影响的应力转移衬底和包层之间的金属,裂纹扩展,稳定的媒介。因此,界面微观结构和结合强度确定的总体性能复合镀层。因此,它具有重要意义揭示界面微观结构之间的关系和复合板块的结合性能17,18]。最近,许多研究研究粘结机理、界面元素扩散、界面微观结构和性能评价复合材料轧制板进行的,但大多数研究只给出一个定性的解释,而不是定量分析;如(19- - - - - -22];的力学性能研究基于微观结构和元素分布,然而,没有进一步揭示界面元素之间的互扩散系数和界面微观结构的演变。特别是,本文着重于元素的互扩散系数,规模结构界面微观结构的表征,NO8825-X52镍基合金复合材料板的剪切破坏特性。相互扩散系数、计算数学拟合进行研究的主要元素分布在复合镀层的厚度方向。,相互扩散系数的解释提出了从微观结构和晶粒尺寸。界面微观结构和粘接强度之间的关系,讨论了基于上述定量研究。目的是提高复合材料的综合性能,通过控制界面微观结构,它提供了一个科学和理论依据的处理镍基合金复合板材。
2。材料和方法
镍基合金复合板是由真空热轧粘合。X52碳钢被选为衬底9毫米的厚度和NO8825镍基合金被选为覆盖层的厚度3毫米。金属的化学成分表中列出1。
的10×10×12毫米金相标本切厚度方向的复合板的界面。由于的耐蚀性差别镍基合金、碳钢、金相腐蚀进行了分别在镍基合金、碳钢。碳钢复合板与4%硝酸酒精溶液蚀刻。界面微观结构和元素分布的标本在厚度方向上所观察到的光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM,范广达200 FEG)和能量色散谱仪(EDS),分别。标本被剥落一层一层地从镍基合金复合镀层的接口(23]。氯化铁盐酸溶液被选为一个蚀刻剂,以确保剥离表面碳方面是新机械去皮过程中显示。金相研磨和抛光后,碳钢一边剥表面的微观结构观察和扫描电镜和x射线衍射仪(XRD、D / mas - 2000 pc, Rigaku)。
图1显示了剪切标本准备根据GB / T 6396 - 2008标准(24]。拉伸剪切试验是由电子万能试验机(茨威格/ Roell、Z250、德国)与1毫米/分钟的速度。使用方程(剪切强度计算1),F应用负载,年代剪切表面的面积,年代= 4.5毫米×25毫米的文本,如图1:
使用一个伸长计应变监测。剪切的剪切断裂微观结构和元素内容的标本被SEM和EDS观察。
3所示。结果与讨论
3.1。在复合板的界面形态
探讨过渡区微观结构,横截面视图,如图2(一个)和2 (b)。可以看出NO8825镍基合金是结合碳钢热轧处理后,和接口线是清晰和直接,以及粒度的接口碳钢侧减少。此外,X52碳钢侧的过渡区厚度约为13μ米附近的接口可以观察到。放大图如图2 (c)。过渡区包括铁氧体与短棒状颗粒沉淀,这证明了碳的扩散组件,类似于(25]。图2 (d)显示了线扫描元素分布沿厚度方向复合板的界面附近。元素内容的镍、铬和铁镍基合金、碳钢远离界面不变。在扩散层的过渡区,铬和镍元素的含量降低的镍基合金到碳钢,而铁元素的含量增加。这表明一个冶金结合镍基合金、碳钢之间已经形成。的元素相互扩散承担巨大的责任。在高的温度下,通过粘结界面发生相互扩散,导致晶界的迁移和扩展了粘结表面从而形成扩散层具有一定厚度的界面(26- - - - - -28]。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2。在复合板的界面元素扩散
这些主要元素的相互扩散将直接影响热轧焊板的粘结性能(29日,30.]。因此,镍和铁分布的拟合分析界面,如图所示3。根据菲克第二定律,镍和铁分布的内容可以被描述的误差函数。误差函数的解决方案内容的镍和铁分布方程(2),分别为: 在哪里t= 1 h。
(一)
(b)
因此,镍和铁元素的扩散系数可以获得界面如下:D倪= 1.02×10−13米2·年代−1D菲= 1.39×10−13米2·年代−1
铁元素的自扩散系数大于镍元素,因此,柯肯特尔空洞形成的碳钢复合板。根据(31日),在纳米晶体镍铁扩散系数的增加从5.79×10−15米2·年代−18.48×10−15米2·年代−1温度从650°C到850°C,大概是2数量级小于在这个工作。这可能是由于柯肯特尔空洞的存在(见图4),这大大促进了元素的扩散,导致形成冶金结合,增强界面结合强度(32,33]。
3.3。扫描电镜形态和XRD表征表面剥落的碳钢
3.3.1。形态在碳钢表面剥落的一面
观察扩散层的过渡区,新鲜的显示表面剥落碳钢一边用更少的镍基合金是探索。图4(一个)显示一个明显的多孔结构之间的过渡区镍基合金(奥氏体相)和碳钢是可观测的。图4(b)说明了多孔结构的放大图如图红线标记的区域4(a)。据34,35),柯肯特尔效应是有效的解释结果。柯肯特尔空洞的存在,快速通道提供了元素扩散,促进元素扩散。在镍/铁元素扩散拟合计算结果。
3.3.2。XRD表征表面剥落的碳钢
揭示界面微观结构、XRD表征进行剥离表面所显示的新鲜与镍基合金(如图4分别)和碳钢基体一侧。电解抛光是碳钢基体一侧进行XRD分析。XRD结果如图5揭示了扩大的半宽度(应用)(110)和(200)峰碳钢一边剥面时新鲜透露。表2显示统计结果的应用(110)和(200)峰。
评估微晶的平均尺寸,谢勒公式应用在这里,可以表达如下(36]: 在哪里λx射线波长,λ= 1.54在文本中,B0是仪器扩大因素,B0在文本= 0.091度,需要转换成弧度计算,B是半宽度(应用),θ衍射角,D微晶尺寸。
根据方程(3),应用越大,平均晶粒度越小。总结了计算数据表2。结果表明,新鲜的平均晶粒度显示剥落表面和电解抛光X52衬底是41.5和113.0 nm,分别。微晶尺寸在新鲜透露剥离表面微结构区细约3倍比电解抛光X52衬底,这表明元素过渡区有一个细粒度的结构和加强界面的力学性能。
3.4。分析抗剪强度和断裂的复合镀层
探索复合材料的粘接强度,剪切试验所获得的应力-应变曲线,如图所示6。根据骨折的起点,抗剪强度453 MPa,远高于最低140 MPa的ASTM - 264规范中定义的(37]。这个工作的结合强度高于剪切强度报告(38- - - - - -40),表中列出3。此外,我们可以看到从纯粹的拉伸曲线,应力随应变增加,直到大幅减少骨折的起点,然后,压力保持几乎不变,直到剪样品坏了。它表明,过渡区元素的扩散层可以有效地共享和延迟的负载变形之间的界面结合区镍基合金、碳钢、避免骨折的接口。
数据7(一)和7 (c)是双方的剪切断裂微观结构的剪切样本。它有明显的酒窝特点和发生韧性断裂,表明镍基复合镀层具有良好的延性和界面结合强度。此外,剪切破坏的EDS分析数据所示7 (b)和7 (d)。没有铬元素,几乎没有镍元素,但断裂表面的铁元素的含量非常高,这表明发生了骨折X52碳钢一侧接口而不是在界面附近。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。结论
基于NO8825 / X52复合钢板的显微组织,有一个过渡区厚度约为13μ在接口。由于主要元素(镍、铬、铁)扩散之间的镍基合金、碳钢、13μ米厚的扩散层之间形成镍基合金、碳钢。此外,柯肯特尔空洞和细粒度结构揭示了镍基合金镀层剥落,大大促进元素扩散和提高界面结合强度的NO8825 / X52复合板。倪在界面的扩散系数是2数量级大于纳米晶体的铁、和抗剪强度远高于最低140 MPa ASTM A264规范中定义,以及断裂附近发生X52碳钢一侧接口而不是在复合板的界面剪切试验。因此,通过元素扩散层的过渡区,在复合板的界面力学性能达到一个稳定的从镍基合金过渡到碳钢,这有利于镍基合金、碳钢强大的关系。
数据可用性
在这项研究中提出的数据可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。