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雙金屬受壓變形復(fù)合過(guò)程中表面形貌是影響其界面變形行為及結(jié)合質(zhì)量的重要因素。針對(duì)AISI 304不銹鋼與Q235A碳鋼，通過(guò)車(chē)削加工制備3種具有不同表面微觀(guān)形貌的圓柱型試樣組，在真空條件下實(shí)現(xiàn)該兩種金屬的熱靜壓復(fù)合后，利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)定界面復(fù)合率、單軸拉伸破壞試驗(yàn)測(cè)定復(fù)合材料的強(qiáng)度，并在其復(fù)合區(qū)域取樣，利用掃描電鏡觀(guān)察接觸界面輪廓的幾何特征，分析復(fù)合過(guò)程中界面變形規(guī)律及對(duì)復(fù)合質(zhì)量的影響；基于商業(yè)有限元軟件模擬分析復(fù)合過(guò)程接觸表面粗糙峰變形，研究表面微觀(guān)形貌對(duì)復(fù)合過(guò)程的影響機(jī)制。結(jié)果表明，表面微觀(guān)形貌對(duì)熱靜壓復(fù)合過(guò)程中界面的變形和復(fù)合質(zhì)量影響顯著；在復(fù)合過(guò)程中，較硬的不銹鋼粗糙峰幾乎無(wú)變形地嵌入進(jìn)碳鋼基體內(nèi)，而較軟的碳鋼粗糙峰則明顯被壓扁變平；此外，不銹鋼和碳鋼試樣在復(fù)合前通過(guò)表面預(yù)處理獲得的不同粗糙度對(duì)于復(fù)合質(zhì)量具有相反的影響作用，不銹鋼表面越粗糙越有利于復(fù)合，碳鋼表面越光滑越有利于復(fù)合；不銹鋼側(cè)界面粗糙度增大和碳鋼側(cè)界面粗糙度減小，都可以使得界面兩側(cè)金屬相對(duì)滑動(dòng)減小、界面間接觸應(yīng)力增大，從而提高了界面復(fù)合質(zhì)量。

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，在石油化工、船舶、航空等行業(yè)應(yīng)用廣泛。采用不銹鋼與低碳鋼的層合板替代單純不銹鋼厚板，可以在既保證耐腐蝕性要求又滿(mǎn)足力學(xué)強(qiáng)度要求的前提下，大大減少不銹鋼用量，有效降低材料成本并節(jié)約Ni、Cr等稀缺金屬，符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益將十分顯著。

受壓變形復(fù)合是金屬層合板制造的主要工藝方法，屬于固相連接，包括靜壓復(fù)合、軋制復(fù)合、爆炸復(fù)合和共擠壓復(fù)合等。理論上，兩個(gè)相互接觸并幾乎不相對(duì)滑動(dòng)的潔凈且平坦的表面，很容易通過(guò)接觸界面間原子鍵合而形成界面之間的完美結(jié)合。但工程上，由于無(wú)法制備出絕對(duì)潔凈且平坦的表面，目前異種金屬材料的受壓變形復(fù)合過(guò)程，總是需要相對(duì)較大的壓力及形變使之表面氧化層破裂而裸露出潔凈的次表層金屬，并實(shí)現(xiàn)相互近似無(wú)滑動(dòng)的接觸，也總是以表面粗糙形貌尖峰的接觸變形并首先實(shí)現(xiàn)界面間原子鍵合形成多點(diǎn)結(jié)合而開(kāi)始。之后，隨著受壓變形的繼續(xù)，界面間的結(jié)合點(diǎn)進(jìn)一步增加，初始接觸時(shí)界面間形成的縫隙和空洞不斷收縮變小，從有限點(diǎn)結(jié)合發(fā)展到一定面積的面結(jié)合，尚未復(fù)合的界面間縫隙和空洞隨著受壓變形的繼續(xù)而逐漸收縮甚至愈合消失，最終可能實(shí)現(xiàn)金屬間的全部接觸面完全復(fù)合。在復(fù)合過(guò)程中，溫度和變形能促使實(shí)現(xiàn)結(jié)合的金屬區(qū)域進(jìn)一步出現(xiàn)跨界面的原子擴(kuò)散并形成一定厚度的復(fù)合界面層，也會(huì)對(duì)界面間原子鍵合發(fā)揮促進(jìn)作用。

一直以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)擴(kuò)散焊接過(guò)程中表面形貌對(duì)界面結(jié)合行為及接頭力學(xué)性能的影響展開(kāi)了一系列研究。ZHANG等提出在粗糙表面的MA 956合金擴(kuò)散焊接過(guò)程中可能會(huì)留下空洞，進(jìn)而對(duì)接頭質(zhì)量造成影響；WANG等研究了4種不同表面粗糙峰的高導(dǎo)無(wú)氧銅擴(kuò)散焊接過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙峰波長(zhǎng)的減小可以加速原子沿空洞方向的擴(kuò)散，促使空洞收縮并提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度；ISLAM等對(duì)比經(jīng)過(guò)P60砂紙?zhí)幚砗臀唇?jīng)處理過(guò)的不銹鋼表面擴(kuò)散焊后的結(jié)合質(zhì)量的差異，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)P60砂紙?zhí)幚硇枰�更大的壓力和更長(zhǎng)的保溫時(shí)間才能達(dá)到未經(jīng)處理表面的結(jié)合質(zhì)量；ZHANG等發(fā)現(xiàn)不銹鋼在相同的焊接條件下，粗糙表面比光滑表面擴(kuò)散焊接后的晶界遷移率及抗拉強(qiáng)度要小，并分析了兩種晶界遷移機(jī)制的差異；SHAO等對(duì)不同表面粗糙度的鈦和鎳進(jìn)行擴(kuò)散焊接，發(fā)現(xiàn)不同表面粗糙度在焊接過(guò)程中所生成中間相是不同的，中間相在變形過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋是影響界面結(jié)合質(zhì)量的主要因素；LI等認(rèn)為冪律蠕變是擴(kuò)散焊接過(guò)程中空洞收縮的主要機(jī)制，并建立了空洞收縮的動(dòng)力學(xué)模型。然而，由于擴(kuò)散焊接過(guò)程基材的變形很小，原始表面粗糙度不宜過(guò)大，否則可能會(huì)使后續(xù)保溫過(guò)程中界面縫隙和空洞的愈合變得困難，對(duì)接頭的結(jié)合質(zhì)量造成不利影響。

采用粗糙表面作為受壓變形復(fù)合界面已經(jīng)受到關(guān)注。在熱軋復(fù)合方面，LIU等對(duì)金屬Al表面進(jìn)行了宏觀(guān)和微觀(guān)的機(jī)械處理，研究了表面形貌對(duì)鋁片/鋁板/鋁片熱軋復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)芯層的粗糙度在0.03～0.58μm之間時(shí)界面結(jié)合面積和結(jié)合性能有明顯改善；KIM等研究發(fā)現(xiàn)6XXX/5XXX/6XXX鋁合金溫軋復(fù)合前表面經(jīng)過(guò)鋼絲刷處理后，臨界壓下率得到降低，結(jié)合強(qiáng)度得到提高；王強(qiáng)試驗(yàn)研究了打毛處理和未打毛處理的鋁表面經(jīng)過(guò)熱軋后不銹鋼/鋁/不銹鋼復(fù)合板界面微觀(guān)形貌的差異，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)表面處理的復(fù)合板界面呈現(xiàn)相互嵌入的機(jī)械咬合現(xiàn)象，這種機(jī)械咬合現(xiàn)象使復(fù)合界面層的力學(xué)性能有所提高。大多數(shù)金屬軋制復(fù)合過(guò)程，由于金屬表面存在的氧化膜和吸附污染物會(huì)阻止待焊金屬結(jié)合表面新鮮純凈金屬的相互接觸，增大界面的結(jié)合難度，復(fù)合前對(duì)金屬表面進(jìn)行處理是非常必要的，多位學(xué)者研究了表面處理工藝、表面粗糙度、紋理方向?qū)�冷軋層合板界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)合適的表面預(yù)處理可以明顯提高冷軋復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度。但以上研究忽視了各基材金屬的待復(fù)合表面具有不同表面形貌時(shí)復(fù)合過(guò)程的差異，缺乏不同基材間表面形貌影響的對(duì)比分析，以及其對(duì)復(fù)合過(guò)程中接觸區(qū)的變形規(guī)律和結(jié)合質(zhì)量影響的比較研究。

從幾何角度，界面結(jié)合質(zhì)量可以通過(guò)宏觀(guān)尺度的復(fù)合率以及細(xì)觀(guān)尺度上的復(fù)合區(qū)接觸面(或線(xiàn))幾何結(jié)構(gòu)來(lái)表征，前者描述結(jié)合區(qū)和未結(jié)合區(qū)的面積比，后者反映界面結(jié)合區(qū)接觸線(xiàn)的幾何構(gòu)型。從力學(xué)角度，界面結(jié)合質(zhì)量可以通過(guò)復(fù)合后層合板的界面層力學(xué)性能來(lái)表征。Q235A碳鋼、AISI304不銹鋼作為基材，在不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的代表性和應(yīng)用范圍。本文針對(duì)此兩種典型鋼種，通過(guò)試驗(yàn)和有限元仿真方法研究復(fù)合過(guò)程中基材不同表面形貌的界面接觸區(qū)變形規(guī)律以及對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的影響，以期為通過(guò)合理的表面預(yù)處理的方式提高界面結(jié)合質(zhì)量、擴(kuò)大AISI304不銹鋼/Q235A碳鋼軋制復(fù)合可行工藝條件范圍提供指導(dǎo)。

1試驗(yàn)研究方法及方案

選用AISI304奧氏體不銹鋼和Q235A低碳鋼作為基材，化學(xué)成分見(jiàn)表1。兩種材料試樣規(guī)格均為直徑10 mm、長(zhǎng)45 mm的棒材。

如圖1所示，通過(guò)車(chē)削加工制備了3種不同粗糙度的表面共組合7組試樣，每組試樣的表面三維粗糙度值如表2所示。由于對(duì)靜壓復(fù)合試樣拉伸及接觸區(qū)變形觀(guān)測(cè)均需要對(duì)試樣進(jìn)行破壞，故增加同樣表面形貌的7組備份試樣在相同條件下進(jìn)行復(fù)合試驗(yàn)。對(duì)第一批的7組復(fù)合試樣進(jìn)行復(fù)合率檢測(cè)和界面接觸區(qū)形貌觀(guān)察，對(duì)第二批的7組備份進(jìn)行試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)定。

復(fù)合前將每組不銹鋼、碳鋼試樣接觸表面進(jìn)行清洗和脫脂，將兩個(gè)試樣端面疊合起來(lái)在Gleeble3500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行復(fù)合，為避免靜壓過(guò)程中試樣失穩(wěn)采用圖2所示夾具進(jìn)行約束，實(shí)際參與變形的試樣總長(zhǎng)度為12 mm。靜壓復(fù)合試驗(yàn)流程如圖3所示，首先以5℃/s的速率升溫至指定900℃，將試樣在該溫度下保溫5 min，然后以0.1 s−1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓下率40%的壓力復(fù)合，之后進(jìn)行卸載，按5℃/s速率冷卻至室溫。

采用UST 200水浸超聲波C掃檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合后試樣的結(jié)合面復(fù)合率進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)主要由掃描裝置、超聲波信號(hào)發(fā)射與接收單元、信號(hào)分析和預(yù)處理單元組成。其中探頭頻率為10 MHz，焦點(diǎn)直徑0.37mm，波速為5 800 m/s，掃描步長(zhǎng)為0.1 mm，水中焦距30 mm。以第一次底面回波高度低于滿(mǎn)屏刻度5%作為未結(jié)合區(qū)域統(tǒng)計(jì)界面復(fù)合率。之后對(duì)該7組試樣沿軸向?qū)ΨQ(chēng)面使用線(xiàn)切割剖開(kāi)成為兩半，對(duì)其中一半進(jìn)行制樣，剖面磨制、拋光后采用LEO1450掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察界面接觸區(qū)域的形貌特征。

為研究表面粗糙度對(duì)復(fù)合后材料力學(xué)性能的影響，將7組備份試樣在相同條件下復(fù)合后在CMT5105拉力機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其抗拉強(qiáng)度并觀(guān)察其斷裂情況。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1表面形貌對(duì)復(fù)合質(zhì)量的影響

界面復(fù)合率從宏觀(guān)尺度上反映了界面復(fù)合質(zhì)量。對(duì)靜壓復(fù)合后的7組原試樣進(jìn)行復(fù)合率檢測(cè)，根據(jù)回波與原波高度比的不同，不同的結(jié)合狀態(tài)可以用不同的顏色來(lái)表示，各組復(fù)合試樣界面結(jié)合狀態(tài)和復(fù)合率大小分別如圖4和表3所示，其中圖4中回波高度比為0的區(qū)域代表完全結(jié)合區(qū)域，回波高度比為50%的區(qū)域代表半結(jié)合區(qū)域，回波高度比為100％以上的區(qū)域代表未結(jié)合區(qū)域。從復(fù)合率檢測(cè)結(jié)果上來(lái)看，表面形貌對(duì)靜壓復(fù)合后試樣界面復(fù)合率有著很大的影響。不銹鋼表面粗糙度最大為6.0μm、碳鋼表面粗糙度最小為0.9μm時(shí)，界面可以實(shí)現(xiàn)100%的結(jié)合，而不銹鋼表面粗糙度為最小0.9μm、碳鋼表面粗糙度最大6.0μm時(shí)，界面只有48.8%的復(fù)合率�？傮w來(lái)看，相同的工況條件下，整體呈現(xiàn)出不銹鋼表面粗糙度越大、碳鋼表面粗糙度越小，界面復(fù)合率越高的趨勢(shì)。

復(fù)合板的拉伸破壞行為可以反映界面的結(jié)合強(qiáng)度，也可以反映界面復(fù)合質(zhì)量。由于界面兩側(cè)不銹鋼、碳鋼兩種材料力學(xué)性能與組織結(jié)構(gòu)的差異，復(fù)合材料在拉伸方向上具有不均勻性。拉伸后的7組備份試樣如圖5所示，7組試樣在拉伸過(guò)程中均在界面位置發(fā)生斷裂，基材并沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形，這說(shuō)明復(fù)合材料在拉伸斷裂時(shí)應(yīng)力的大小可以作為表征界面結(jié)合強(qiáng)度的指標(biāo)。圖6為各組試樣單軸拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，可以看出，這7組試樣有著相似的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，但拉伸破壞強(qiáng)度卻存在很大差異，金屬表面微觀(guān)形貌對(duì)結(jié)合強(qiáng)度影響顯著。對(duì)于碳鋼表面粗糙度最小0.9μm、不銹鋼表面粗糙度最大6.0μm的第3組試樣，其抗拉強(qiáng)度為330 MPa，該結(jié)果比第5組試樣(碳鋼表面粗糙度最大6.0μm、不銹鋼表面粗糙度最小0.9μm)的抗拉強(qiáng)度145.3 MPa高了一倍以上(表4)。以上結(jié)果總體呈現(xiàn)碳鋼的表面粗糙度越小、不銹鋼的表面粗糙度越大，結(jié)合質(zhì)量就越高的規(guī)律，這一現(xiàn)象和復(fù)合率的檢測(cè)結(jié)果是一致的。

2.2表面形貌對(duì)結(jié)合界面輪廓的影響

觀(guān)察靜壓后試樣剖面結(jié)合區(qū)變形情況，圖7a、7b分別為第1、2組試樣靜壓后界面結(jié)合區(qū)形貌圖，圖7c、7d為第3組試樣不同放大倍數(shù)下界面結(jié)合區(qū)形貌圖�？梢钥闯�，隨著不銹鋼表面粗糙度由0.9μm增大到1.3μm、6.0μm，界面結(jié)合區(qū)形貌有著較大變化。圖7a中輪廓線(xiàn)基本為一條直線(xiàn)，圖7b輪廓線(xiàn)略有波動(dòng)，圖7c波動(dòng)幅度更大，由局部放大圖可以看到輪廓線(xiàn)呈拋物線(xiàn)形狀。以上現(xiàn)象表明，在靜壓復(fù)合過(guò)程中，較硬的不銹鋼表面基體擠壓并嵌入較軟的碳鋼基體內(nèi)部，從而對(duì)結(jié)合區(qū)變形產(chǎn)生影響，界面結(jié)合區(qū)形貌仍一定程度上保留著不銹鋼的初始形貌特征。

圖8a、8b為第5組試樣(不銹鋼表面粗糙度為最小0.9μm、碳鋼表面粗糙度為最大6.0μm)的界面結(jié)合區(qū)域的形貌圖，從圖8a中可以看出，界面輪廓線(xiàn)并沒(méi)有大的波峰出現(xiàn)，但在虛線(xiàn)框所示區(qū)域發(fā)現(xiàn)有空洞的存在，從8b放大圖中可以明顯觀(guān)察到碳鋼粗糙峰被壓扁的現(xiàn)象。以上現(xiàn)象表明，由于碳鋼相對(duì)不銹鋼較軟，當(dāng)碳鋼的表面粗糙度增大，碳鋼表面粗糙峰并沒(méi)有嵌入到不銹鋼基體中，而是被逐漸壓扁，隨著壓力的增大，從而增大實(shí)際接觸面積，兩粗糙峰之間的縫隙逐漸減小消失。

圖8c、8d為不銹鋼碳鋼均為6.0μm時(shí)靜壓復(fù)合后試樣中部的結(jié)合區(qū)形貌，通過(guò)前面的分析可知，變形后的結(jié)合區(qū)形貌仍由不銹鋼的形貌所決定，但與圖7c、7d相比，輪廓線(xiàn)波形的幅度更大也更不規(guī)則，這說(shuō)明不銹鋼粗糙峰的變形程度比圖7c、7d中的要小，對(duì)不銹鋼原始形貌的保留更充分，這是因?yàn)楦叽植诙鹊奶间撛陟o壓過(guò)程中更容易沿界面流動(dòng)，從而向界面間的縫隙填充。

通過(guò)圖像處理軟件Image-Pro plus對(duì)每組試樣界面中部結(jié)合區(qū)輪廓線(xiàn)進(jìn)行提取，可以更直觀(guān)地觀(guān)察表面形貌的變形規(guī)律，如圖9a所示，對(duì)比第1、2、3組輪廓線(xiàn)形狀發(fā)現(xiàn)，隨著不銹鋼表面粗糙度的增大，界面輪廓線(xiàn)幅值逐漸增大而波動(dòng)頻率逐漸減小，這和復(fù)合前不銹鋼的形貌特征是一致的，對(duì)于碳鋼表面粗糙度最大的第5組試樣，復(fù)合后碳鋼粗糙峰被壓扁變平，因而界面輪廓線(xiàn)波動(dòng)最小。采用界面輪廓算術(shù)平均偏差定量表征界面輪廓形狀，如圖9b所示，靜壓復(fù)合前碳鋼、不銹鋼的輪廓算術(shù)平均偏差以及靜壓后界面輪廓算術(shù)平均偏差分別用圖中3種符號(hào)表示，對(duì)比各組中三者大小可以看出，界面輪廓算術(shù)平均偏差與不銹鋼基本一致，這同樣表明，復(fù)合后的界面形貌主要是由不銹鋼的形貌所決定。

綜上所述，不銹鋼、碳鋼在靜壓復(fù)合過(guò)程中粗糙峰的變形形式是不同的，兩基體變形過(guò)程中的機(jī)理圖如圖10所示，較硬的不銹鋼粗糙峰隨著壓下量的增大逐漸嵌入進(jìn)碳鋼基體內(nèi)，而較軟碳鋼粗糙峰隨著壓下量的增大逐漸被壓扁。

3表面形貌對(duì)界面復(fù)合過(guò)程影響的有限元模擬

3.1有限元建模過(guò)程

為進(jìn)一步研究表面形貌對(duì)不銹鋼碳鋼復(fù)合質(zhì)量的影響機(jī)制，將圖1中的三種實(shí)測(cè)二維形貌作為模型初始形貌，建立了考慮實(shí)際真實(shí)形貌的二維有限元仿真模型，模擬900℃條件下不銹鋼碳鋼的復(fù)合過(guò)程，在此溫度下材料力學(xué)性能如表5所示，模擬長(zhǎng)度和厚度分別為1.76 mm和0.05 mm。采用二維四節(jié)點(diǎn)的平面單元2。界面長(zhǎng)度方向共640個(gè)網(wǎng)格，在保證計(jì)算精度的情況下提高計(jì)算效率，建模過(guò)程中將基體表面網(wǎng)格進(jìn)行加密，而基體內(nèi)部網(wǎng)格相對(duì)稀疏。在求解過(guò)程中固定不銹鋼上表面，在碳鋼下表面全部節(jié)點(diǎn)位移耦合，然后在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加Y方向的均布載荷，直到總變形率達(dá)到40%為止。靜壓前后的有限元模型示意圖分別如圖11a、11b所示。

3.2靜壓后界面變形情況

為驗(yàn)證模型的可靠性，將有限元模擬靜壓后界面處節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行提取并作圖描述界面輪廓線(xiàn)，如圖12所示，5組仿真模擬的不同表面初始形貌靜壓復(fù)合后的界面輪廓線(xiàn)，與圖9a所示的試驗(yàn)結(jié)果相比，針對(duì)復(fù)合前后的表面粗糙度以及對(duì)應(yīng)界面輪廓線(xiàn)的變化規(guī)律，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果取得定性一致。

靜壓后各組試樣在界面中部區(qū)域Y方向的應(yīng)力云圖如圖13a～13e所示。由于不銹鋼粗糙峰對(duì)碳鋼的釘扎作用，應(yīng)力集中的區(qū)域主要出現(xiàn)在不銹鋼粗糙峰所在位置并沿界面斷續(xù)分布，如圖13a～13c所示，隨著不銹鋼表面粗糙度的增大，粗糙峰所在區(qū)域的應(yīng)力也逐漸增大，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴(kuò)展。此外，對(duì)比圖13a～13c、13d可以看出，碳鋼表面粗糙峰被壓扁后并沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。

X方向的應(yīng)變?cè)茍D如圖13f～13j所示，其中應(yīng)變量負(fù)值代表壓應(yīng)變，正值代表拉應(yīng)變，從圖中可以看出，各組碳鋼的變形比不銹鋼更顯著，應(yīng)變最大的位置為粗糙峰接觸區(qū)域。圖13h和圖13f、13g相比，不銹鋼表面粗糙度的增大一方面增大了粗糙峰接觸位置的應(yīng)力，使該位置碳鋼更容易向兩側(cè)延伸，表現(xiàn)為拉應(yīng)變的增加(圖13h中的應(yīng)變大于0.23的區(qū)域)，另一方面，兩粗糙峰之間碳鋼部分出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)變(圖13h中的應(yīng)變?cè)?/span>0.21左右的區(qū)域)，這說(shuō)明變形過(guò)程中不銹鋼粗糙峰的釘扎作用限制了碳鋼的水平延伸。對(duì)于碳鋼表面粗糙度最大的圖13i來(lái)說(shuō)，碳鋼在變形過(guò)程中更容易向兩側(cè)延伸，界面兩側(cè)應(yīng)變差異最明顯。

3.3表面形貌對(duì)復(fù)合質(zhì)量的影響機(jī)理分析

靜壓復(fù)合過(guò)程中，在一定壓力下不銹鋼和碳鋼原子距離縮小到一定范圍時(shí)即可實(shí)現(xiàn)原子鍵合，因此，界面間足夠的法向接觸應(yīng)力是實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)合的必要條件。靜壓后材料界面位置Y方向平均接觸壓力及延伸差如圖14所示，對(duì)比圖14a中7組仿真結(jié)果的界面應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，不銹鋼表面粗糙度的變化對(duì)Y方向平均接觸應(yīng)力的影響更加明顯。不銹鋼表面粗糙度大的第3、7組界面附近平均應(yīng)力最大，這為異種金屬?gòu)?fù)合提供了更多的能量，對(duì)結(jié)合質(zhì)量的提高起到了促進(jìn)作用。同時(shí)從靜壓復(fù)合過(guò)程中雙金屬真實(shí)接觸面積的角度上來(lái)說(shuō)，相同壓下率條件下雙金屬的真實(shí)接觸線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，意味著接觸面積越大，界面結(jié)合質(zhì)量越好。

在法向壓力產(chǎn)生的擠壓作用的同時(shí)，由于靜壓復(fù)合過(guò)程中碳鋼、不銹鋼的延展性有明顯差異，兩基體延伸不均會(huì)造成界面不同基體之間的相互滑動(dòng)。如圖14b中所示，碳鋼表面粗糙度較大的后四組比前三組延伸差更大，碳鋼表面粗糙度的變化對(duì)延伸差的影響更加明顯。其中碳鋼表面粗糙度最高的第五組延伸差最大，這是由于碳鋼粗糙峰被壓平從而更容易沿界面流動(dòng)造成的，而界面間產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)對(duì)于復(fù)合是不利的。此外，第5組與第7組試樣相比，盡管碳鋼表面粗糙度相同，但第7組中不銹鋼形貌對(duì)碳鋼基體的釘扎作用使碳鋼沿界面水平流動(dòng)變得困難，因而具有更小的相對(duì)延伸。

以上研究表明，不銹鋼、碳鋼的表面形貌通過(guò)影響復(fù)合過(guò)程中結(jié)合區(qū)的變形從而影響雙金屬的結(jié)合行為，進(jìn)而影響復(fù)合界面的結(jié)合質(zhì)量。金屬本身的塑性變形能力是影響復(fù)合質(zhì)量的關(guān)鍵，通過(guò)一定的表面處理工藝，可以起到增大界面間接觸壓力及減小相對(duì)滑動(dòng)從而提高結(jié)合質(zhì)量的效果。

4結(jié)論

(1)雙金屬受壓變形復(fù)合過(guò)程是從兩基材界面粗糙峰發(fā)生接觸變形開(kāi)始的。隨著受壓變形的繼續(xù)，界面間的結(jié)合點(diǎn)進(jìn)一步增加，初始接觸形成的空洞不斷收縮變小，從有限點(diǎn)的復(fù)合擴(kuò)展到一定面積的復(fù)合，形成具有一定復(fù)合率和結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合材料。表面形貌對(duì)于軋制復(fù)合質(zhì)量具有重要影響，預(yù)先制備表面形貌是控制提高軋制復(fù)合質(zhì)量的可行技術(shù)手段。

(2)表面形貌影響軋制復(fù)合質(zhì)量的力學(xué)機(jī)理在于兩基材的變形能力與粗糙峰變形行為的差異。在復(fù)合過(guò)程中，隨著變形程度的增加，較硬材料的粗糙峰逐漸嵌入進(jìn)較軟材料基體內(nèi)，而較軟材料的粗糙峰則被壓扁變平，這使得復(fù)合界面輪廓線(xiàn)在細(xì)觀(guān)尺度上呈現(xiàn)具有一定規(guī)律的幾何構(gòu)型。對(duì)于不銹鋼/碳鋼靜壓復(fù)合過(guò)程而言，該構(gòu)型主要由較硬的不銹鋼形貌所決定。根據(jù)復(fù)合過(guò)程有限元模擬結(jié)果，不銹鋼表面粗糙度越大，變形過(guò)程中界面間接觸應(yīng)力越大，這有利于提高該局部位置結(jié)合質(zhì)量；反之，碳鋼的表面粗糙度越大，變形過(guò)程中被壓扁的碳鋼粗糙峰越容易沿界面流動(dòng)，使得界面間相對(duì)滑動(dòng)增加，對(duì)界面結(jié)合是不利的。

(3)通過(guò)預(yù)先制備基材表面形貌可以有效提高界面復(fù)合質(zhì)量，對(duì)于不銹鋼與碳鋼受壓形變復(fù)合而言，不銹鋼表面粗糙度越大、碳鋼表面粗糙度越小，界面復(fù)合質(zhì)量越好。當(dāng)然，針對(duì)不同的金屬基材配對(duì)，應(yīng)根據(jù)兩個(gè)配對(duì)基材的相對(duì)軟硬，其中硬者表面采取高粗糙度，軟者表面采取低粗糙度，將有助于提高復(fù)合質(zhì)量。