30CrMnSi双金属复合材料断裂行为研究

30CrMnSi双金属复合材料断裂行为研究 西安理工大学学报JournalofXi’anUniversityofTechnology(2011)Vo1.27No.3359 文章编号:1006-4710(2011J03-0359-04 CuNiMnFe/3OCrMnSi双金属复合材料断裂行为研究 邹军涛,王献辉,肖鹏,梁淑华 (西安理工大学材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,陕西西安710048) 摘要:对由熔铸法制备的cuNiMnFe/30crMnsi双金属复合材料标准试棒与界面处具有阶梯 状的变 径试棒进行拉伸试验.测试了CuNiMnFe/30CrMn复合材料整体及界面的抗拉强度,表征了 断1:7 形貌和界面结合过渡区显微组织.研究结果表明,CuNiMnFe/30CrMnsi双金属复合材料拉伸 断裂 优先发生在CuNiMnFe合金区域,说明该复合材料中界面结合强度明显高于CuNiMnFe合 金强度. CuNiMnFe/3OCrMnsi复合材料界面结合强度较高主要是由于在CuNiMnFe合金和 30CrMnSi合金 熔铸时于界面结合处形成了一种结合过渡层,从而促进了CuNiMnFe合金和30CrMnSi合金 的冶金 结合. 关键词:熔铸法;复合材料;界面;抗拉强度;断口 中图分类号:TG146;TB331文献标志码:A InvestigationintoFractureBehaviorsofCuNiMnFe/30CrMnSi Bi-MetalCompositeMaterials ZOUJuntao,WANGXianhui,XIAOPeng,LIANGShuhua (FacultyofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China) Abstract:CuNiMnFe/3OCrMnSibi—metalcompositematerialwerepreparedbycastingandinfiltration method,followedbyquenchingandtemperingtreatment.Thecompositematerialsweremachinedintoa standardbarandastep—likebar.ThetensilestrengthsofCuNiMnFe/3OCrMnSicompositematerialwere determinedbytensiletest,andthefracturemorphologiesoftwosamplesandtheinterfacebondingtransi- tionzoneofCuNiMnFe/30CrMnSicompositematerialswereanalyzedbyascanningelectronmicroscope. TheresultsshowthatthetensilefracturepreferstooccurinsidetheCuNiMnFealloy,suggestingthatthe interfacebondingstrengthbetweenCuNiMnFeand30CrMnSialloyislargerthanthetensilestrengthof CuNiMnFeahoy.Thisisduetotheformationofabondingtransitionlayer,whichcanpromotethemetal— lurgicalbondofCuNiMnFeand30CrMnSiduringthepreparingprocessoftheCuNiMnFe/3OCrMnSicom— positemateria1. Keywords:castingandinfiltration;compositematerial;interface;tensilestrength;fracture 双金属复合材料由于兼有两种金属优异的性能 而在机械工程领域得到了广泛的应用?.新型研 制的CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料主要用作发动 机转子衬套材料_34..为了消除发动机转子高速运 转(50000r/min)时离心剪切力冲击造成的破坏, 要求CuNiMnFe合金与30CrMnSi合金界面必须具 有足够高的结合强度. 大量的研究表明界面组织对增强双金属复合材 料的结合强度有着至关重要的作用圳,因而研究 界面的形成过程和断裂方式有助于提高复合材料两 相结合性能. 然而,迄今为止,对CuNiMnFe/3OCrMnSi复合 材料界面的研究国内外鲜有报道,因此研究该复合 材料结合界面组织的形成机理及其断裂方式,对改 收稿日期:2011-05—15 基金项目:陕西省教育厅科学技术研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 基金资助项目(09JK685). 作者简介:邹军涛(1979一),男,陕西乾县人,博士生,讲师,研究方向为熔渗技术与复合材 料.E—mail:zoujtO77@163. com.梁淑华(1968一),女,辽宁凌源人,博士,教授,博导,研究方向为电工材料与熔渗技 术.E?mail:liangsh@ 360西安理工大学学报(2011)第27卷第3期 善CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材料的结合强度具有 非常重要的科学意义和工程价值. 1实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 采用真空感应炉熔炼制备CuNiMnFe合金,在 真空条件下将CuNiMnFe合金置于30CrMnSi上进 行高温烧结,当熔铸温度高于CuNiMnFe合金的熔 点而低于30CrMnSi的熔点时,CuNiMnFe熔融液体 与30CrMnSi的表层发生熔铸扩散形成复合材料结 合面,将CuNiMnFe与30CrMnSi连接起来形成双金 属复合材料,将CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料置于 SX.12—10型箱试电阻炉内进行淬火及回火处理. 将熔铸的CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材料制备 成两种抗拉试棒,其中一种是标准试棒,另一种是经 过变径处理的阶梯试棒(如图1所示),在HT一10型 万能试验机上进行拉伸试验.两种试棒分别采用 JSM700型扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌和 界面组织(腐蚀剂为25%稀硝酸溶液和浓硝酸). 图1CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料的抗拉试棒照片 Fig.1Thetensiletestsamplesfor CuNiMnFe/30CrMnSicomposite 2实验结果与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 2.1材料整体及界面的抗拉强度 图2是CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料阶梯试 棒和标准试样拉伸试验后的照片.从图2可以明显 看出,CuNiMnFe/3OCrMnSi双金属复合材料阶梯试 棒拉伸断裂发生在界面结合处,而CuNiMnFe/ 30CrMnSi复合材料标准试样拉伸断裂发生在Cu— NiMnFe合金区域. 变径处理的阶梯试棒发生断裂时的拉应力为 F=2430kg/N,未经过变径的标准试棒的拉应力为 F=2230kg/N,CuNiMnFe/3OCrMnSi双金属复合材 料抗拉强度可根据公式=F/S计算获得,变径处 理后的阶梯试棒抗拉强度or=877MPa(从界面结 合处断裂),标准试棒抗拉强度or=805MPa(从 CuNiMnFe合金部分断裂). 图2cuNiMnFe/3OcrMnsi复合材料 的抗拉试棒断裂后的宏观照片 Fig.2ThefracturepicturesofCuNiMnFe/3OCrMnSi compositeaftertensiletest 2.2材料的断口组织与分析 2.2.1cuNiMnFe/3OcrMnsi复合材料整体断裂及 断口分析 图3是未经变径处理的CuNiMnFe/3OCrMnSi 复合材料标准抗拉试棒的断口形貌.图3(a)为Cu— Mn/30CrMnsi复合材料抗拉试棒从CuNiMnFe 合金上断裂的断口全貌.图3(b)为从CuNiMnFe 合金上断裂的断面形貌.图3(C)是合金发生断裂 后组织中的晶界部位. 图3CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料标准试棒断口形貌 Fig.3ThefracturemorphologyofstandardtestbarforCuNiMnFe/30CrMnSicomposi’te 邹军涛等:CuNiMnFe/3OCrMnSi双金属复合材料断裂行为研究361 由图3(b)可见CuNiMnFe合金断裂形貌中凸 显出的晶粒比较粗大,晶粒直径达到约0.5ml13. 由图3(c)可见断口局部出现较大的韧窝,晶界 处有较多的杂质颗粒,且杂质颗粒与晶粒不连续呈 孤岛状分离. 另外,根据细晶强化理论可知,CuNiMnFe合金 中由于晶粒比较粗大,而大大降低了合金的性能,另 一 方面由于晶粒间的夹杂物在常温剧烈变形的情况 下,不能随基体做连续变形产生应力集中,应力的不 断增大促使了裂缝的产生.因此当复合材料承受均 匀拉力的时候,会先从这种大晶粒的晶界处产生裂 纹,裂纹扩展开后产生断裂. 2.2.2CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材料界面断裂及 断口分析 对于进行变径处理的CuNiMnFe/3OCrMnSi复 合材料抗拉试棒,在抗拉试验过程中断裂会发生在 界面处,断裂状态如图2中阶梯试棒所示,结合界面 断口形貌如图4所示. 图4CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材料界面断口组织 Fig.4ThefracturemorphologyofCuNiMnFe/3OCrMnSicompositeinterface 从图4(a)可以清楚地看到断口中黑色组织较 为平滑为30CrMnSi,而另一部分灰色凹凸不平组织 为CuNiMnFe合金,而且界面断口上30CrMnSi细晶 粒组织呈现楔形.从力学断裂的角度分析,在抗拉 试棒被拉伸的过程中,裂纹从图4(a)黑色30CrMnSi 组织”楔形”的左侧产生,随着裂纹的扩展,结合面 上产生应力集中,从楔形的顶端处开始发生撕裂,造 成图4(a)中较大的CuNiMnFe晶粒发生沿晶断裂. 对图4(a)中30CrMnSi和CuNiMnFe两种组织 进行SEM观察,其高倍组织如图4(b)和图4(C) 所示.对比图4(b)和图4(c)中组织形貌,可以看 出30CrMnSi晶粒较小,直径约100m;而CuNiMn— Fe合金的晶粒直径较大,约达到200—300Ixm,晶 界较明显.图4(b)中30CrMnSi晶粒呈现穿晶平切 状态,这主要因为30CrMnSi在熔铸前经过机加工和 研磨,发生界面断裂后,显现出了30CrMnSi晶粒的 原始状态. 由图4(C)可见,CuNiMnFe合金晶界处存在许 多细小的析出相,表现出沿晶断裂的特征,在较大的 晶粒上可以看到断裂面的另一部分表现为解理花 样.由此判断界面断裂的原因是,双金属复合材料 界面上30CrMnSi晶粒和CuNiMnFe合金晶粒大小 不均匀,导致界面起伏不平,界面中凸出的晶粒由于 受力不均匀而产生应力集中,因此对于CuNiMnFe/ 30CrMnSi复合材料界面进行变径处理的抗拉试棒, 当拉应力较大时就会从界面处发生断裂. 2.3CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料界面组织分析 为了进一步阐明CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材 料较高的界面结合强度,分别对复合材料界面结合 过渡区进行25%稀硝酸溶液的轻度腐蚀和浓硝酸 的深度腐蚀,腐蚀后界面结合过渡层的组织形貌如 图5(a)和图5(b)所示. 图5CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材料结合过渡区组织形貌 Fig.5ThemorphologyofbondingtransitionzoneforCuNiMnFe/3OCrMnSicomposites 362西安理工大学学报(2011)第27卷第3期 由图5可见,CuNiMnFe合金与30CrMnSi经过 熔铸后界面处存在结合过渡层.图5(a)中CuNiM— nFe合金和30CrMnSi的过渡区中形成了灰白色的 新的组织.过渡区中新组织的形成是由于高温熔铸 过程中CuNiMnFe合金和30CrMnSi合金中原子的 相互扩散,以及较长的保温时间使得结合面附近的 原子得到了均匀而充分的相互扩散,当界面上达到 一 定程度的浓度时发生反应,形成致密的中间过渡 层.由图5(a)还可见,在CuNiMnFe合金与扩散层 之间存在着明显的界限,而在扩散层与30CrMnSi侧 虽然也存在界限,但是与CuNiMnFe合金/扩散层相 比较界限不是很明显,这是由于在高温下CuNiMnFe 合金中的原子向30CrMnSi中扩散,在靠近 30CrMnSi一侧形成了致密的新的合金层.实验结 果表明cuNiMnFe/30crMnsi复合材料的界面所在 的过渡区由CuNiMnFe合金侧过渡层,中间扩散过 渡层,30CrMnSi合金侧过渡层组成. 由图5(b)可以清楚的看到结合过渡层的组织 形貌,在靠近30CrMnSi合金附近的过渡层有明显的 棒状晶向CuNiMnFe合金中生长,由于棒状晶的作 用相当于纤维紧紧的将30CrMnSi合金和CuNiMnFe 合金连接在一起,所以该处的强度较大,一般不容易 发生断裂.在棒状晶附近的组织颗粒相对较小,组 织相对严密,强度较高,所以一般不会从该处断裂. 而在靠近CuNiMnFe合金附近的组织,其颗粒就比 较大,组织分布也不均匀,所以在受到均匀拉应力 时,裂纹容易扩展,断裂会发生在该处. 3结论 1)CuNiMnFe/3OCrMnSi复合材料断裂首先发 生在cuNiMnFe合金部分,表明熔铸法制备的cu. NiMnFe/3OCrMnSi复合材料中CuNiMnFe合金与 30CrMnSi界面结合强度高于CuNiMnFe合金的 强度. 2)在CuNiMnFe/30crMnsi双金属复合材料界 面结合过渡区内形成了一种过渡层,该过渡层的形 成有效地促进了CuNiMnFe合金和30CrMnSi的冶 金结合,从而CuNiMnFe/3OCrMnSi双金属复合材料 具有较高的界面结合强度,其强度可达到877MPa. 参考文献: [1]BulentK,MustafaU.Interfacialmicrostructureofdiffusion bondedinconel738andferriticstainlesssteelcouple[J]. JournalofMaterialScience&Technology,2009,25(4): 527-530. [2]孙显俊,陶杰,郭训忠,等.爆炸法制备铁/铝双金属复 合管的界面组织与结合强度[J].机械工程材料,201l, 35(2):35-42. SunXianjan,TaoJie,GuoXunzhong,eta1.Interfacemi— crostructureandbondingstrengthofFe/A1doublemetal compositepipebyexp]osivemethod[J].MaterialsforMe? chanicalEngineering,2011,35(2):35-42. [3]邹军涛,肖鹏,金静静,等.CuMMn/3OCrMn整体材料 界面过渡层的研究[J].铸造技术,2010,28(1O): 1379—1382. ZouJuntao,XiaoPeng,JinJingjing,eta1.Investigationon theinterfacetransitionlayerofCuNiMr30CrMnSiintegral material[J].FoundryTechnology,2010,28(10): l379—1382. 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