铜/钢爆炸焊接复合界面的显微组织及晶粒结构演化机理

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表明,界面附近区域呈多样性的晶粒结构,其演化机制主要受塑性流动、动态再结晶和凝固形核三个过程的控制。最后,通过纳米压痕实验建立晶粒结构与力学性能之间的关系。

爆炸焊接铜/钢复合管界面组织表征与性能研究

为了研究应用于压力容器的管道或承压部件的铜/钢双金属复合管材料中晶粒存在形式和力学性能之间的关系,通过爆炸焊技术获得了T2铜/316L不锈钢复合管,并对其界面形貌与微观组织进行分析。结果表明,T2铜/316L不锈钢复合管结合界面处呈现平直界面和周期性波状界面,波形结合区域的平均波长203μm、波高58μm。复合管结合界面两侧的元素发生互扩散,扩散层厚度为1μm。界面处Fe侧晶粒尺寸较小,随着结合界面距离的增加晶粒尺寸逐渐变大。通过纳米压痕试验发现,波峰处界面的纳米压痕结果达到了3.16 GPa,波谷处的纳米压痕结果达到了2.44 GPa,同时波峰处界面附近区域的纳米压痕结果均高于波谷处,Fe侧纳米压痕结果均高于Cu侧。纳米压痕试验获得的力学性能分布规律和微观组织的分布规律相一致。

增材制造铜/钢双金属材料研究进展

铜/钢双金属材料具有力学强度高、物理化学性能优良等优势,在交通运输、电力能源和建筑工业等领域应用前景广阔。然而,传统熔铸工艺在制造铜/钢双金属材料时,容易在铜/钢界面处产生偏析现象,在一定程度上限制了铜/钢双金属材料的发展。与传统工艺相比,增材制造技术不仅能实现复杂加工零件的快速制造,而且在成形过程中较短的保温时间能缓和或消除异种金属材料界面产生的冶金缺陷,进而增强铜/钢双金属材料的力学性能。由于双金属材料是近年来的研究热点,有关增材制造铜/钢双金属材料的综述性文章较少,故综述了近年来激光、电子束及电弧增材制造技术制造铜/钢双金属材料的研究发展现状,分析了各技术的优缺点,并从制备方法、工艺参数及界面合金元素等角度,分析了影响材料界面组织性能变化的关键因素。发现在增材制造铜/钢双金属材料方面,目前激光增材制造技术主要应用于精度要求较高的小尺寸零部件,电子束增材制造技术适用于某些具有特殊性能的合金,如钛合金,而电弧增材制造技术适用于精度要求较低的大型复杂零部件。在铜/钢双金属材料增材制造过程中,界面处易形成显微组织分布不均匀、界面晶粒尺寸差异较大等现象,导致界面处产生应力集中,从而造成材料断裂失效。为解决上述难题,学者们已深入研究第二相形成机理,并采用优化界面处Cu-Fe比例和控制脆相金属间化合物等方式提高铜/钢双金属材料的性能。最后,对目前增材制造铜/钢双金属材料的研究发展现状进行了总结与展望,未来在冶金学和热力学方向上对铜/钢双金属材料仍需进行系统性理论研究,对双金属材料而言需要建立相关模拟数据库,以期为相关从业人员提供精细化指导建议。新型增材制造技术或复合增材制造技术的开发与应用都将成为未来增材制造铜/钢双金属材料研究的重点发展方向。

含铜钢中铜偏聚的研究现状及发展

铜作为一种非碳化物形成元素,被广泛应用于钢铁材料中。一方面,铜的加入和随后的热处理会导致热脆现象,恶化钢的热加工性能;另一方面,铜在钢中的偏聚会改善钢材的耐腐蚀性能。本文对含铜钢中铜偏聚的现象进行总结,在简要介绍铜在钢中偏聚原因的基础上,综述了加热温度、变形以及合金元素对铜偏聚的影响。钢中加入适当的合金元素并对加热制度和变形工艺进行优化,可以控制铜在钢中的偏聚行为,优化材料的性能,可对实际应用提供参考。

不同搭接形式下铜/钢电磁脉冲焊接界面分析

由于铜/钢的物化参数相差较大,熔钎焊时存在接头脆性、应力集中等问题,本研究借助新型电磁脉冲焊接技术,通过设计锥度或台阶形式的搭接方法,获得了铜/钢焊接接头,并借助界面微观SEM、EDS观察及显微硬度测试,分析不同搭接形式下的接头连接特征。结果表明:直接搭接时界面波形较差,有少量孔隙;台阶搭接时界面波形较大,但是,波形界面存在前后漩涡,且有“熔合区”;锥度搭接时界面为近似均波连接特征。当采用锥度结构设计时,波状界面的扩散区宽度为5μm,两种材料结合相对紧密。界面塑性变形、元素扩散程度决定界面硬度分布,采用锥度搭接设计时金属粒子流能够飞出界面,产生的塑性变形相对较小,其硬度过渡平缓,有利于冶金结合。

振动对铜钢双金属熔铸复合材料凝固组织的影响

通过在铜钢双金属熔铸工艺的冷却过程中对铸件施加机械振动,研究在0.2 mm振幅条件下,振动频率对铜合金凝固组织和铜钢双金属结合面的影响。结果表明:在铸件冷却阶段对其施加振幅0.2 mm、频率40 Hz的机械振动能够有效细化铜合金侧凝固组织,布氏硬度和组织均匀性显著提升,铜合金晶粒尺寸减小并由枝晶转化为等轴晶,铅元素偏析和聚集现象得到明显改善,有效消除气孔和显微缩松。铜合金和钢基体之间形成冶金结合,未振动和施加振动后剪切断裂模式均为混合断裂,振动后由于α+δ硬脆相的分布发生改变而使剪切强度有所降低。

低碳钢表面电弧熔覆制备铜基复合涂层组织与性能研究

为研究电弧熔覆技术在低碳钢表面制备铜基熔覆层的效果,并探讨不同合金元素(Co、Cr、Ti、Mn)对熔覆层组织和性能的影响,以提升其在工程领域的应用价值。采用MIG机器人在Q345钢表面分别熔覆硅青铜实心焊丝和四种不同成分的药芯焊丝,制备Cu-Co、Cu-Cr、Cu-Ti、Cu-Mn、Cu-Si五种铜基熔覆层。通过XRD、SEM、EDS等手段对熔覆层的物相组成、微观组织和元素分布进行分析,并测试其硬度和摩擦磨损性能。研究表明,Cu-Co熔覆层界面结合良好,未出现MUZ区域,组织过渡均匀;Cu-Cr熔覆层中出现大量片状析出相,界面不平直;Cu-Ti熔覆层顶部存在大量金属化合物(铁钛、铜钛);Cu-Mn熔覆层顶部主要由Fe基固溶体和Cu基固溶体组成;Cu-Si熔覆层主要由α-Cu和富Fe相组成。Cu-Ti合金熔覆层硬度最高,Cu-Mn合金熔覆层硬度较为平稳。在摩擦磨损试验中,Cu-Co合金熔覆层表现出优异的耐磨性,摩擦系数低且磨损量小。添加Co元素能够有效消除熔覆层与低碳钢界面处的MUZ区域,并获得良好的组织过渡;添加Mn元素能够提升铜基熔覆层的硬度并改善其耐磨性;Cu-Co合金熔覆层具有优异的综合性能,建议优先选择。

真空状态不同爆轰工艺下铜钢复合材料界面组织和性能研究

【目的】对热交换领域、电力领域中铜基复合材料在应用过程中出现的高温变形、界面金属间化合物、产品性能不稳定等难点问题进行研究。【方法】在真空状态中,采用不同爆轰工艺对TU1紫铜和Q345R钢进行爆炸复合试验,并对复合材料的金相组织和力学性能进行测试和分析。【结果】由试验结果可知,随着爆轰速度的增大,界面波纹深度也会随之增加。复合材料(Z向)分离强度的平均值为483 MPa、界面剪切强度的平均值为238 MPa、显微硬度的最大值为196 HV,即距界面位置越远,越趋近于本体材料。当爆轰速度为2200 m/s时,断口处出现铜侧粘连现象。【结论】复合材料的各项性能指标均优于组成该复合材料的本体金属,界面处均呈正弦波状结合形态。从界面向本体金属方向来看,晶粒组织呈现出多样化晶体转变的特征。通过进一步对结合界面进行分析,发现该界面未出现氧化物/氮化物等有害物质。

不同轧制量对铜钢双金属板材性能的影响

为探究铜钢双金属板材在轧制过程中轧制量的大小对板材性能的影响,课题组展开实验研究。共设置了轧制量分别为0.05 mm与0.10 mm的2组铜钢双金属板材轧制试验;并分别进行了金相观察、扫描电镜、布氏硬度(HBW)和摩擦磨损测试。结果表明:当轧制量为0.05 mm时,板材硬度较低,内部存在较多孔隙缺陷;而轧制量为0.10 mm时,板材布氏硬度(HBW)提高了5,内部孔隙缺陷明显改善,耐磨性也得到了一定程度的提高。

接地工程用铜覆钢在浙江典型土壤中的耐腐蚀性能研究

由于铜覆钢接地材料的腐蚀相关研究较少,导致未达标的铜层厚度严重降低降低铜覆钢使用寿命。针对连铸铜覆钢材料的腐蚀性能及铜层选型设计问题,对铜覆钢接地材料在浙江典型土壤的腐蚀性能进行了试验研究和铜层厚度的选型设计。研究结果表明,依据铜覆钢电化学腐蚀试验结果,为满足铜覆钢40年使用后仍确保电气热稳定,在浙江强腐蚀性土壤条件下,其铜层厚度宜≥0.80 mm;在中腐蚀性土壤条件下,其铜层厚度宜≥0.50 mm;在弱腐蚀性土壤条件下,其铜层厚度宜≥0.40 mm。浙江土壤多为酸性,酸性离子易破坏铜层钝化层,因此在设计铜层厚度时,应适当加大厚度。

基于ABAQUS的农业机械铜钢复合板弯片冲压模拟与模具设计探究

合理应用机械模具加工技术可以有效提高我国农业机械化发展程度,对于我国农业发展具有重要的价值与意义。基于ABAQUS进行农业机械铜钢复合板的弯片冲压模拟以及模具设计,可以切实提高整体质量。利用ABAQUS三维有限元软件进行了模拟分析,结合模具要素分析了成型应力以及厚度参数产生的影响,可以确定最佳的数值。试验发现,通过增大凹模圆角参数的方式可以有效降低应力以及厚度等方面的不良影响;在凸凹模间隙为1 mm时,能有效提高板料成型的整体精度。

柔性铜覆钢接地材料现场检测与性能提升研究

项目由国网陕西省电力有限公司电力科学研究院牵头完成。项目通过综合酸、碱、盐环境下铜覆钢接地材料的耐蚀性能实验,提出了通过铜覆钢浸泡酸、碱、盐溶液后实时检测溶液体系中Fe^(3+)离子浓度来判断覆层是否失效的状态评估方法,为实现包覆类接地材料的现场快速检测奠定基础。

聚变设施厂房钢铜组合接地技术

针对某聚变设施园区土壤结构差别大、电阻率各不相同、厂房接地电阻难以满足相关规范要求等关键问题,建立园区内部重点区域三维电磁瞬态计算模型,分析接地网工频接地电阻、跨步电压和接触电压等安全性指标受接地导体影响因素的影响规律,进行厂房钢铜组合接地技术研究。结果表明:钢铜复合式接地装置按照一字型埋设10m降阻效率可达41.7%,该新型高效防雷接地技术可降低科研厂房精密装置因雷电导致的安全事故发生率,且具有优异的防腐蚀作用,增加使用寿命同时降低成本。

铜钢熔敷焊工艺方法分析研究

提出熔敷焊接工艺方法 ,采用等离子弧、TIG电弧、高频感应、气保护连续炉、真空炉和模中熔铸工艺实现了熔敷焊接工艺方法。该方法具有效率高 ,基体金属不发生熔化、界面结合质量好、熔敷层厚度范围宽等特点。分析了实验熔敷焊接的几种具体的工艺方法 ,给出装置原理图。

Cu、Ni在含铜时效钢表面氧化层中的富集

研究了Cu、Ni在含铜时效钢表面氧化层中的富集规律。研究发现,无Ni含铜钢在1 100-1 200℃会形成液态富铜相,并向奥氏体晶界渗透,成为表面裂纹源。而在1 000℃和1 300℃均不形成液态富铜相。Ni加入到含铜钢中,改变了氧化层中富铜相的结构,促进了Ni-Cu富集相以颗粒状保留在氧化层内,抑制了Cu向基体中的渗透,从而改善了含铜时效钢的热脆性问题。

粒状贝氏体对超低碳含铜时效钢粗晶热影响区冲击韧性的影响

研究了粒状贝氏体对超低碳含铜时效钢粗晶热影响区(CGHAZ)冲击韧性的影响。结果表明,粒状贝氏体中M A岛的含量和尺寸对超低碳含铜时效钢CGHAZ的冲击韧性有显著影响。当 M- A岛的数量少、尺寸小(其体积分数小于3%,尺寸小于1μm)时,粒状贝氏体对CGHAZ的冲击韧性影响不大;当 M -A岛的数量多、尺寸大(其体积分数大于3%,尺寸大于1μm)时,CGHAZ的冲击韧性显著下降。通过降低钢中的碳及碳化物形成元素的含量可减少CGHAZ中粒状贝氏体的数量,从而提高钢的CGHAZ的冲击韧性。

加热工艺对含铜钢表面氧化的影响

研究了加热工艺对含铜钢表面氧化的影响。结果表明，加热温度和加热时间对含铜钢表面氧化程度影响显著。含铜钢液态铜相出现在1100～1200℃的加热温度范围，而在1000℃和1300℃加热时，基体与氧化层界面处不出现液态铜相。加热温度为1100℃时，液态铜相沿奥氏体晶界向基体的渗透能力比1200℃时更强。高温加热时，随加热时间延长，含铜钢的氧化程度加重，同时也增强了液态铜相向基体的渗透。加镍可有效防止含铜钢在高温过程中形成液态铜相，避免铜发生热脆。

双辊铸轧高磷铜钢薄带的偏析行为及对力学性能的影响

双辊薄带铸轧是一种具有广泛应用前景的生产方式。采用薄带铸轧技术可以实现节约能源消耗、简化生产流程、提高资源利用率、利用铸轧的快速冷却特点开发新的结构材料等目的。本文对采用铸轧技术生产高磷、铜钢薄带的可行性进行了探讨。对铸轧高磷铜钢薄带力学性能的检测结果表明,在磷含量为0.1%(质量分数,后同),铜含量为0.3%时,屈服强度和抗拉强度可分别达到290和400 MPa,延伸率为19%。对铸轧和铸轧后退火+冷轧+退火处理的薄带进行的研究表明,磷含量为0.1%以上时,在薄带中开始出现明显P的偏析,而铜含量达到1.5%时仍未出现明显的偏析现象。由此可见,采用双辊铸轧生产方式不仅可以抑制钢中有害元素如磷和铜的偏析,同时还提高材料的力学性能,起到变废为宝的作用。

铜/钢异种材料等离子弧焊接头显微组织分析

为实现铜/钢异种材料的优质连接,研究了铜/钢焊接接头的显微组织特点及其组成,试验采用LHM-200等离子弧焊系统对紫铜(T2)与不锈钢(304)异种材料进行焊接,然后通过光学金相显微镜及能谱分析仪,观察分析接头显微组织,研究其接头组织结构及组成.研究结果表明:铜/钢异种材料的等离子弧焊焊缝在铜一侧为平直的,而在钢一侧则为半χ型,在铜侧界面形成漩涡状;在焊接接头的形成过程中铜元素的迁移和扩散主要依靠钢液的流动所带动;焊接接头显微组织主要为奥氏体组织,弥散分布着块状和粒状的铜和钢的固溶体组织,和黑色鱼骨状的α相铁素体组织;焊缝区组织主要是以α、γ富铁相和ε富铜相固溶体组织的形式存在.通过实现发现最佳的焊接参数为:保护气流量与离子气流量分别为0.25 L/min和0.75 L/min,焊接电流为65 A,焊接速度为4 mm/s,焊接后的接头抗拉强度能达到174 MPa.

含铜钢的时效硬化

研究了时效温度和保温时间对时效硬化型超低碳含铜钢的显微组织和硬度的影响。对时效处理后的含铜钢进行了显微硬度测试及组织观察,分析了时效工艺与硬度、显微组织及时效析出粒子之间的对应关系。用电子显微镜观察到了峰值时效试样及过时效试样中析出的细小ε Cu粒子以及时效初期形成的过渡结构,证实了铜在钢中的时效硬化作用。