金属复合材料

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冶金结合而形成的复合材料
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简介
(1)名词定义：结合两种或两种以上不同相的物质以物理方式结合而成，撷取各组成成分的优点，以构成需要之结构材。这些材料也必须合于下列四样条件：
a.必须由人类制造成（此有别于一些已存在于自然界中的天然复合材料，如木材）。
b.必须由两种或两种以上化性不同的物质所组成。
c. 每一组成物质均具有三度空间的体积（因为由薄片相压或焊接所成者不属此类）。
d.必须具有一些特殊的性质，而此种性质不是各个组成物质本来所有的。
(2)复合材料包括三大领域：金属基复合材料MetalMatrix Composites(MMC’s)、陶瓷基复合材料Ceramic MatrixComposites(CMC’s)与高分子复合材料Polymer MatrixComposites(PMC’s包括热固性与热塑性)等，目前我们使用的是高分子复合材料，其中以碳纤维用于复合材料中而较传统玻璃纤维之复合材料具更佳之物理特性，特称为高性能复合材料(ACM Advanced Composite Material)。
生产方式方法
1、国内外复合复合材料的生产方式主要有固—液相结合法、固相间结合法、叠板热轧法、扩散压接法、堆焊法、堆焊热轧法等。最常见的固相间结合法是爆炸焊接和热轧轧制。
爆炸焊接不锈复合钢板的方法在国内外的开发和应用均起步稍晚。60年代开发，70年代发展成熟，进入商业化生产。
2、轧制不锈复合钢复合钢板的方法早在20世纪30年代就引起了一些研究者的关注，轧制复合分为热轧复合和冷轧复合。这种复合法产量高，尺寸精度高，工艺及装备较为成熟，但往往要进行表面处理和退火强化处理，
例：
钛-钢复合板 GB 8547-87
本标准适用于耐蚀压力容器、贮槽及其他用途的钛-钢爆炸复合板或爆炸-轧制复合
术语
1．1钛-钢复合板：用爆炸或爆炸-轧制方法使钛(复材)与普通钢(基材)达到冶金结合的金属复合板。
1．2基材、复材、复合板的总厚度、外弯曲、内弯曲等定义按GB6396-86《复合钢板性能试验方法》的规定。
品种
2．1分类和代号复合板的分类和各类的代号应符合表1的规定。
表 1
生产种类
代号
用途分类
爆炸钛-钢复合板
0类
1类
2类
BO
B1
B2
O类：用于过渡接头，法兰等的高结合强度，且不允许不结合区存在的复合板
1类：将钛材作为强度设计的或特殊用途的复合板，如管板等
2类：将钛材作为耐蚀设计，而不考虑其强度的复合板，如简体等
爆炸-轧制
钛-钢复合板
1类
2类
BR1
BR2
注：爆炸钛-钢复合板以“爆”字汉语拼音字头“B”表示；爆炸-轧制钛-钢复合板以。“爆”和“热”字汉语拼音字头。 “BR”表示。
2．2适用材料复合板复材和基材应符合表2的规定，表中所列的复材与基材可以。自由结合。经供需双方协商也可提供其他复材或基材的复合板。
表 2
复 材
基 材
GB 3621-83《钛及钛合金板材》中的TA1、TA2
Ti-0.3 Mo-0.8 Ni
Ti-0.2Pd
GB 709-88《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》
GB 711-88《优质碳素结构钢热轧厚钢板和宽钢带》
GB 712-88《船体用结构钢》
GB 713-86《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》
GB 3274-82《普通碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板技术条件》
GB 3531-83《低温压力容器用低合金钢厚钢板技术条件》
GB 6655-86《多层压力容器用低合金钢钢板》
GB 6654-86《压力容器用钢和低合金钢厚钢板》
2．3供货状态
复合板以爆炸(B)或爆炸-轧制(BR)状态交货。爆炸复合板一般以消除应力(M)状态供应，其热处理制度按本标准附录A的规定。
2．4规格、外形尺寸及允许偏差
2．4．1复合板的厚度、宽度(或直径)、长度的尺寸及其允许偏差应符合表3和表4的规定。经供需双方协商也可提供其他规格或尺寸允许偏差有特殊要求的复合板。
表 3 mm
复合板厚度
复合板厚度允许偏差
板宽度（或直径）及允许偏差
宽度
宽度>1100～1600
宽度>1600～2200
8～18
19～28
29～46
47～64
±0．8
±1．O
±1．2
±1．5
+15
O
+50
O
+50
0
+50
0
+15
O
+50
0
+50
0
+50
0
+30
O
+50
O
+50
0
+50
O
表 4 mm
复合板厚度
复合板长度及其允许偏差
长度
长度>11OO～1600
长度>1600～2800
长度>2800～4500
8～18
19～64
+15
0
+50
0
+15
0
+50
0
+25
0
+50
O
协商
协商
2．4．2宽度大于1100mm或长度大于2200mm的复合板允许复材或基材拼焊。
2．4．3复合板复材的厚度一般为1．5～10mm爆炸复合板复材厚度的允许偏差不大于复材名义厚度的+10 -20%；爆炸一轧制复合板复材厚度的允许偏差不大于复材名义厚度的+20 -10%。
2．4．4复合板基材的厚度间隔按GB709-88的规定执行。
2．4．5复合板的不平度应符合表5的规定。需方有特殊要求时，可由供需双方协商确定。
表 5
复合板分类
O类、1类
2类
厚度
厚度>30mm
复合板不平度，mm/m
2．4．6复合板四角应切成直角，切斜应不大于其长度或宽度的允许偏差。厚度大于18mm或长度大于2800mm的复合板允许用其他切割方法切边。需方同意时，可不切边交货。
2．5标记示例
2．5．1复材厚度为6mm的TA2、基材厚度为30mm的A3钢、宽度为1000mm、长度为3000mm、消除应力状态的1类爆炸复合板标记为：
TA2/A3 B1 M 6/30×1000×3000 GB 8547-87
2．5．2复材厚度为2mm的TAl、基材厚度为10mm的A3钢、宽度为1100mm、长度为3500mm的2类爆炸-轧制复合板标记为：
TAl/A3 BR2 2/10×1100×3500 GB 8547-87
技术要求
3．1化学成分
3．1．1基材的化学成分应符合相应标准的规定。
3．1．2复材TAl、TA2的化学成分应符合GB3620-83《钛及钛合金牌号和化学成分》的规定；Ti-0．3Mo-0．8Ni和Ti-0．2Pd的化学成分应符合表6的规定。
表 6
化学成分组
主要成分， %
杂质含量，%；不大于
Ti
Mo
Ni
Pd
Fe
Si
C
N
H
O
其他元
索总和
Ti-0．2 Pd
基
O．12～0．25
O．30
O．10
0．10
0．03
O．015
O．25
0．3
Ti-0．3 Mo-O．8 Ni
基
O．2～O．4
O．6～O．9
O．30
0．10
0．08
O．03
0．015
0．25
0．3
注：其他元素含量出厂时不做检验。
3．2力学性能和工艺性能
复合板的力学性能和工艺性能应符合表7的规定。弯曲试验中试样弯曲至规定的角度后，在弯曲部分的外侧不允许产生裂纹，复合界面不允许分层。
表 7
拉伸试验
剪切试验
弯曲试验
抗拉强度σb
N/mm2 (kgf/mm2)
伸长率δ
%②
剪切强度τ，N/mm2(kgf/mm2)
弯曲角α
度
弯芯直径D
mm
O类复合板
其他类复合板
>δB
大于基材或复材
标准中较低一方
的规定值
>196
(≥20)
≥138
(≥14)
内弯180。 ，外 弯由复材标准决定
内弯时按基材标
准规定不够2倍
时取2倍；
外弯时为复合板
厚度的3倍
注：①当用户要求时，供方可以做基材的拉伸试验，其抗拉强度应达到基材相应标准的要求。
②复合板的抗拉强度理论下限标准值δB按3．2．1计算。
③爆炸-轧制复合板的伸长率可以由供需双方协商确定。
3．2．1复合板的抗拉强度理论下限标准值δB按下列公式计算：
δB =(t1σ1+t2σ2) / (t1+t2)
式中：σ1-基材抗拉强度下限标准值，N/mm2(kgf/mm2 )；
σ2-复材抗拉强度下限标准值，N/mm2(kgf/mm2)；
t1——基材厚度，mm；
t2——复材厚度，mm。
3．3结合面积复合板的结合状态、结合面积应符合表8的规定。
表 8
0 类
1 类
2 类
面积结合
率为10096
面积结合率大于98%；单个不结合区的长度
不大于75mm，其面积不大于45cm2
面积结合率大于95%：单个不结合区的面积
不大于60cm2
3．4拼焊质量基材或复材的拼焊焊缝应满足以下条件：
a．复材焊缝和基材焊缝应经无损检验，其判定标准及焊缝要求由供需双方协商确定；
b．拼板最小板宽不小于300mm：
c．基材和复材对接焊缝距离不小于100mm。
3．5表面质量
3．5．1爆炸复合板以原始表面交货，长度小于3000mm的爆炸-轧制复合板以酸洗表面交货。需方对表面有特殊要求时，可由供需双方协商确定。
3．5．2复合板复材的表面不允许有裂纹、起皮、压折、金属或非金属夹杂物等宏观缺陷。允许有不超出复材厚度公差之半的划伤、凹坑、压痕等缺陷。
3．5．3允许顺加工方向清除复材表面的局部缺陷，但清理后复材的厚度不得小于其最小允许厚度。
3．5．4复材表面未贯穿到基材的较小缺陷允许焊接修补，修补后的表面应与复材表面齐平。
试验方法
4．1化学成分仲裁分析方法
4．1．1复材化学成分的仲裁分析方法按4698．1～4698．16-84《钛及钛合金化学分析方法》进行。
4．1．2基材化学成分的仲裁分析方法按223．1～223．50《钢铁及合金化学分析方法》进行。
4．2力学性能和工艺性能检验方法复合板的剪切强度试验、弯曲试验、室温拉力试验按GB6396-86进行。
4．3结合面积检验方法复合板的结合状态和结合面积用超声波探伤法检验，探伤方法按本标准附录B进行。
4．4外形尺寸检查方法
4．4．1复合板的厚度在距顶角不小于100mm，距边部不小于20mm处测量。
4．4．2复合板的厚度可用千分尺、卡尺测量，也可用超声波测厚仪测量。用超声波测厚仪测量时，每张板材取任意10点的平均值。
4．4．3复合板复材的厚度按GB6396-86的规定进行测量。
4．5表面质量检查方法复合板的表面质量用肉眼进行检查。
检验规则
5．1检查和验收
5．1．1产品应由供方技术检验部门进行检验，并保证产品质量符合本标准的要求。
5．1．2需方对收到的产品可进行复验，如复验结果与本标准规定不符时，应在收到产品之日起三个月内向供方提出，由供需双方协商解决。
5．2组批复合板应成批提交验收，每批应由同一牌号(复材/基材)、类别、复材熔炼炉号、规格、状态、加工工艺的产品组成。
5．3检验项目每批产品的检验项目应符合表9的规定。
表 9
检验项目
复合板种类
B0
B1
B2
BR1
BR2
拉伸试验
O
△
△
0
△
剪切试验
O
0
0
0
0
内弯试验
O
0
△
△
△
外弯试验
△
△
×
△
×
超声波探伤
O
O
0
O
O
外形尺寸
O
O
0
O
O
表面质量
O
O
0
O
0
注：表中符号说明：o表示必做的试验项目；△表示需由供需双方协商确定检验项目；×表示不必做的试验项目。
5．4取样位置与取样数量
5．4．1复材的化学成分以原铸锭的化学成分报出，基材的化学成分按原合格证报出。
5：4．2力学性能与工艺性能检验从每批产品中任取一张，按测试项目各取一个横向试样(剪切试样不做规定)。允许从同一生产周期、同一工艺的试板或余料中切取试样。
5．4．3复合板的结合面积应逐张进行检验，其检验项目应符合表10的规定。
表 10
0类和1类复合板
2类复合板
全面探伤
周边按50mm宽的范围内连续探伤，其余沿200mm距离的网格探伤
5．4．4复合板的外形尺寸和表面质量应逐张进行检查。复材厚度的测量允许每批取1张板材进行。
5．5重复试验
在力学性能和工艺性能检验中，如有1个试样的结果不合格时，则从原受验板材(如原受验板材尺寸不够时，可在同批产品中另取)或试板上取双倍试样进行该不合格项目的复验。复验后仍有1个试样的结果不合格时，则该批产品报废，或逐张对不合格项目进行复验。合格者重新组批交货。
交货重量
当合同中没有特别注明时，复合板均按理论重量交货。复合板的理论重量按复材和基材的厚度、复合板的长度和宽度计算1mm厚的钛板和钢板的理论重量分别为4．51kg/m2和7．85kg/m2 。
附录
附录A
复合板的热处理制度
(补充件)
复合板需进行消除应力退火时，其热处理制度按如下要求执行：
a．热处理温度：540±25℃；
b．保温时间：小于3h；
c．加热和冷却速度：80～200℃/h。
附录B
钛-钢复合板的超声波探伤方法
(补充件)
本方法是以钢或不锈钢为基材，以钛为复材，总厚度大于8mm，单层一次复合的爆炸及爆炸-轧制复合板的超声波探伤方法。
B．1 一般要求
B．1．1目的主要用于探测复合板的复材与基材之间的贴合程度。
B．1．2方法类别本标准规定采用纵波脉冲反射法(或多次脉冲反射法)进行超声波探伤。接触法或水浸法均可使用。
B．1．3对探伤人员的要求探伤操作人员应达到部级或与此相当的学会级三级以上无损检测人员水平；签发及解释检验报告人员应达到部级或与此相当的学会二级以上人员水平。
B．1．4探伤表面。
B．1．4．1复合板表面不得有影响探伤的氧化皮、油污及锈蚀等其他污物。
B．1．4．2探伤表面粗糙度Ra应不大于5μm。
B．1．4．3在规定的探伤灵敏度下，材料的噪声电平不大于5%。
B．2 探伤设备
B．2．1探伤仪器
B．2．1．1使用脉冲反射式超声波探伤仪。探伤仪器应符合ZBY230-84《A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件》中规定的技术性能指标。
B．2．1．2也可使用超声波测厚仪。
B．2．2探头
B．2．2．1使用晶体为圆形或矩形的直探头。也可使用双晶斜探头及测厚探头。
B．2．2．2晶体尺寸一般为φ10～30mm，矩形为宽(10～20)mm×长(15～30)mm，频率为2．5～10MHz。
B．2．3耦合剂接触法探伤时，可采用清洁的自来水作耦合剂，也可使用水玻璃、溶性油、丙三醇等。
B．2．4对比试块
B．2．4．1对比试块应采用与被探复合板的材料厚度、声学性能和表面状态相同或相似的复合板材料制成。
B．2．4．2对比试块A及试块B的形式及尺寸。
B．3 探伤
B．3．1探伤面的选择根据被探板材的表面状态、复材厚度、声阻抗及外观形状、决定从复材面或从基材面进行探测。
B．3．2探伤灵敏度
B．3．2．1探伤灵敏度根据被探板材的形状决定。
B．3．2．2利用对比试块调节探伤灵敏度。
B．3．2．3从复材面探测时，将探头置于对比试块A的完全结合部位，使来自复合板基材底面的一次反射波出现在荧光屏上，将其幅度调至荧光屏满刻度的80%。
B．3．2．4从基材面探测时，将探头置于对比试块B的缺陷中心部位，使缺陷反射波出现在荧光屏上，将其幅度调至荧光屏满刻度的80%。
B．3．2．5采用多次脉冲反射法时，将探头置于对比试块A的完全结合部位，或置于试块B的缺陷中心部位，使探伤仪荧光屏水平基线出现三次底面回波，或三次缺陷回波，将B1或F1的幅度调至荧光屏满刻度的80%。(B2 、B3 、F2 、F3 的幅度由材料厚度决定)。
注：B1 、B2 、B3 分别为完全结合部位第一次、第二次、第三次的反射波。F1、F2 、F3分别为缺陷部位第一次、第二次、第三次的反射波。
B．3．3非贴合区的确定。
B．3．3．1非贴合区的定义在探测过程中，若出现始脉冲信号增宽底脉冲消失或缺陷脉冲的增宽增高前移时，由该区域为非贴合区。
B．3．3．2非贴合区的判定当从复材面探测时，若来自基材底面的反射回波完全消失，并伴随有来自复材与基材交界面的重复反射信号时，则该部位可认为是非贴合区。
当从基材面探测时，若来自复材底面的反射回波完全消失，并伴随有来自基材与复材交界面的反射信号(即缺陷波)时，则该部位可认为是非贴合区。
B．3．3．3非贴合区的范围
B．3．3．3．1从复材面探测时，随着探头任意移动方位，底面反射波下降至50%时，就是非贴合区的范围。
非贴合区的宽度及长度。
测定探头移动的距离，晶片内侧长度，即为非贴合区的长度或宽度。
B．3．3．3．2从基材面探测时，按B型对比试块调整。非贴合区的范围用半波高度法确定。
测定探头的移动距离，晶片的中心间距就是非贴合区的宽度及长度。
B．3．4探伤灵敏度的校正
在探伤过程中，由于某种原因的影响，。底面回波或缺陷回波的高度与B．3．2．3、B．3．2．4、B．3．2．5的调试状态不同时，可校正探伤仪灵敏度，使底面回波或缺陷回波幅度达到荧光屏满幅度的80%。
B．3．5探伤速度
手动探测时，探头扫查速度不得超过100mm/s。
B．3．6缺陷的记录
B．3．6．1对于扫查中发现的底面回波低于50%(不包括因表面状态所造成的接触不良所引起的降低)的连续或不连续点进行记录，并以相应的几何图形在板面上表示，并计算其
面积。对于基材或复材因其内部缺陷所造成的底面回波的降低应不予考虑。
B．3．6．2非贴合区面积的计算采用近似计算。
B．3．6．3贴合率的计算公式
t= (S - SF) / S*100%…………………… (B．1)
式中：t——贴合率；
S——复合板总面积，cm2 ；
SF——非贴合区总面积，cm2 。
B．3．6．4非贴合率计算公式：
f = SF / S *100%……………………(B．2)
式中：f ——非贴合率；
Sf ——非贴合区总面积，cm2 。
S ——复合板总面积，cm2 ；
B．3．7当复材厚度小于2mm，可采用测厚探头或双晶斜探头从复材面进行探测。
B．3．7．1．当使用双晶斜探头探测时，若底面回波前移或消失、界面脉冲增宽时，则该区域为非贴合区。
B．3．7．2使用测厚探头探测时，复合板完全贴合部位及未贴合部位的厚度由测厚仪直接显示。
B．3．8探测报告
B．3．8．1对探伤情况作好详细记录，并填写探伤报告。
B．3．8．2探伤报告包括：
a．委托单位、委托日期、委托编号、合同号、材料名称、规格、状态、类别及探伤条件；
b．非贴合区的大小及位置；
c．未探测的区域：。
d．必须说明的各种情况；
e．探伤日期；
f．探伤人员签名。