本文是一篇工程论文发表，本研究通过铝板驱动爆炸焊接制备了五层及八层铜层合板，通过金相分析等材料学手段以及众多力学实验及数值模拟，研究层合板的界面组织和力学性能，并重点探讨界面结构对复合材料的力学性能的影响。
1 绪论
1.1 论文选题背景及意义
随着我国经济、科技实力的不断发展以及现代工业技术的发展，海洋领域的开发愈来愈重要。海洋中丰富的资源（海洋矿物资源、海水化学资源、海洋生物（水产）资源和海洋动力资源）在我国接下来的发展中至关重要。自改革开放以来，我国不断加大海洋资源开发方面的力度，在海洋资源开发方面取得了一些成就。中国的海洋捕捞业、海洋运输业和海水制盐业等传统产业经过多年的发展已经取得了较大的进步。但是我国海洋资源在开发利用过程存在的问题（开发力度不够、开发技术、设备相对落后）依然巨大。其中设备落后问题十分突出。因此海洋平台的建设，大型装备的研制与更新换代问题迫在眉睫。而这方面的发展又受制于普通均质材料在海洋严苛环境下的性能不足，因此复合材料在海洋方面的应用进入了人们的视野。近年来国家在新兴产业发展规划中指出要大力发展功能材料、结构材料及复合材料，并推广其在各领域中的应用[1]。由此可见，复合材料是未来新材料发展的重要方向之一。
作为人类最早使用的金属之一，铜一开始就出现在了研制金属复合材料的研究人员眼中。人们采掘露天状态下的铜矿，利用开采的铜制造武器、工具和其他器皿早在人类的史前时代就已经开始。早期人类文明的进步中始终离不开铜的开采、冶炼、使用。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地球上的储量十分充足，在一些铜矿床中其含量高达3%-5%。铜具有优异的物理和力学性能，如良好的导电性、较低的热膨胀性、高硬度和强度，被广泛应用于电力、电子、核电工业、军工与航天等领域[2]，是金属层合板制备的常用材料之一。
1.2 层状金属复合材料的制备
层状金属复合材料具有较单一均质材料更优异的性能，经历了较长时间的研究发展，很多的材料成型方法都可以用来制备层状金属复合材料。在制备层状金属复合材料的过程中，不同的制备方法，制备过程中的各种影响参数（层间距、组成材料、制备温度）对结果均有巨大的影响。本文主要介绍如下几种：轧制复合法、扩散焊法、爆炸焊接法、真空热压法、物理气相沉淀和水下爆炸焊接法。
（1）轧制复合法
轧制复合法是应用最广泛的层状金属复合材料制备方法之一，是通过轧辊的压力使不同的金属板材发生塑性变形而焊合在一起[3]。轧制复合法分为冷轧和热轧（CRB、ARB）。该方法具有工艺相对简单、效率高且同时具备经济性，适合大规模生产。但在轧制性质差异较大金属或组分厚度较大过程中可能会出现塑性不稳定问题，导致层间结合不紧密以及在板材表面出现裂纹，这些现象严重降低了材料的力学性能，因此限制了其制备中厚复合板材的能力[4]，并且轧制复合法制备流程较为复杂。Shu-ningLyu等[5] 通过分析非真空轧制过程中片材受力阐明了层状金属复合片材的结合机理，进而解释了压下率对界面结合性能的影响机理。其研制钛/铁复合薄板采用非真空轧制，轧制率为65%。结果表明，层状金属复合板在轧制过程中的界面处存在剪切变形区。在这个区域，氧化膜界面上发生断裂，裸露的新鲜金属在径向轧制力的作用下发生冶金结合，形成复合界面。随着压下率的增加，剪切变形区范围扩大，作用在界面上的径向轧制力增大，这是压下率提高对结合效果的主要原因。LinboChen[6]等对 Mg-Y-Nd-Gd-Zr合金进行超声表面滚压加工 (USRP)，观察到约651μm深的变形层。随着晶粒尺寸的增加和孪晶密度的降低，它显示出双梯度微观结构。顶表层的晶粒尺寸细化至 147.08 nm，在纳米晶粒中观察到多个堆垛层错(SFs)。观察到两种主要类型的 SF，包括以 1/6<20 为界的内在I 1 SF2ˉ3> Frank部分位错和以1/3<10为界的本征I 2 SFs1ˉ0> 肖克利部分位错。SFs对位错运动产生了强烈的阻碍，提高了合金的屈服强度。
2 实验材料与实验方法
2.1 实验材料与制备
本文选用T2紫铜板作为层状复合材料的组分，其化学成分含量表如表2.1所示，分别为100 mm × 100 mm × 0.5 mm，100 mm × 100 mm × 0.3 mm。采用铝板驱动式爆炸焊接法制备叠层铜复合材料，爆炸焊接制备示意图如图2.1所示。五层结构采用0.5 mm规格铜片，八层结构采用0.3 mm规格铜片。实验步骤：清洗待焊接的铜片；设计间隙，堆叠间距为0.2 mm；上、下册放置铝板，叠垒好的铜板放置在下册铝板上；最上方放置铵油炸药，炸药厚度为30 mm，用雷管进行引爆，多层铜板在铝板的驱动下，形成焊接，同时上下层铝板保证了叠层铜复合板在焊接过程中无大变形以及裂纹。
2.2 五层及八层铜层合材料微观组织表征
2.2.1 光学显微镜（OM）及金相分析
金相分析是一种对金属材料试验研究的重要手段，其原理为通过二维金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，如此便可探究合金成分、组织、性能之间的定量关系。图2.2为金相显微镜外部结构图。
利用线切割从复合板中截取金相试样，尺寸5 mm × 5 mm。对金相试样镶样，将待观测面依次用400#、800#、1200# 的SiC金相砂纸打磨，之后用粒度为1.0的金刚石研磨膏抛光。用配比为：1mL纯盐酸+1.6 g三氯化铁+28mL乙醇+13 mL水的紫铜金相腐蚀液，腐蚀50 s左右，清水清洗后吹干，用徕卡光学显微镜DMi8 A（OM）观察界面显微结构。
3 五层及八层铜层状复合材料的显微组织及静态力学性能 ............................. 20
3.1 引言 .................................... 20
3.2 五层及八层铜层合材料显微组织分析 ...................... 20
4 五层及八层铜层状复合材料动态力学性能研究...................39
4.1 引言 .......................... 39
4.2 夏比冲击实验 .............................. 39
结论 ............................ 47
4 五层及八层铜层状复合材料动态力学性能研究
4.1 引言
目前，对层合板力学性能的测试占主要部分的还是静态或者准静态的方法。然而在地震、爆炸等实际情况下，材料经常承受动态载荷的作用，并且在动态载荷作用下的失效情况非常严重。冲击力、波动作用、震动载荷等都属于动态载荷。在动态载荷情况下材料对不同的应变率具有较大的敏感性，会出现与静态载荷情况下具有较大不同的力学性能与损伤形式。本章将通过夏比冲击试验与霍普金森拉杆试验对铝板驱动的爆炸焊接多层铜板的动态力学性能进行探究。
结论
层合结构复合板由于其强度高、耐腐性好、减震性能及抗疲劳性能优异成为材料研究热点。传统的层状复合材料一般是异性金属叠层“砖泥”结构，强化层和韧性层承受载荷时不协同的变形特点，形成了特殊的强化机制，材料本身的软、硬分布结构和多界面效应是其强韧化的关键。本研究设计多层纯铜复合板，采用相同金属可以避免基体软、硬异性引起的强韧化现象，从而探索多界面效应本身对于复合板宏观力学性能的影响机制。本研究通过铝板驱动爆炸焊接制备了五层及八层铜层合板，通过金相分析等材料学手段以及众多力学实验及数值模拟，研究层合板的界面组织和力学性能，并重点探讨界面结构对复合材料的力学性能的影响。主要得出以下结论：
（1）采用爆炸焊接制备的五层及八层铜层状复合材料，五层铜板和八层铜板的厚度分别为2.43 mm和2.28 mm，焊接质量优良(无明显的孔隙、裂纹、分层现象)，不存在明显的热影响区，结合界面呈现波状形貌。金相图像表明，铝板驱动的爆炸焊接在高温高压下瞬时完成，冲击巨大，材料产生强烈的塑性变形，五层及八层焊接界面处焊接形成的旋涡处晶粒破碎，发生晶粒细化，随着与结合界面距离的增加，组织晶粒逐渐恢复正常大小。
（2）通过硬度测试可以得到：五层铜层合板界面处显微硬度最高，为176.6Hv，远离界面处显微硬度约为130Hv；八层铜层合板界面处显微硬度最高，为218.1Hv，远离界面处显微硬度约为150Hv。均高于纯铜的103.28Hv。金相图中观察到的晶粒细化不仅提高了材料的整体强度，也是硬度提升的主要原因。爆炸焊接导致的加工硬化也是原因之一。
（3）研究了层合板的拉伸性能，通过拉伸试验应力-应变曲线可知：纯铜，五层，八层铜复合板屈服强度逐渐增大，分别为289.25MPa、325.91MPa、408.93MPa。材料发生断裂时，纯铜的应变约为21%，而五层及八层铜应变仅有10%左右。爆炸焊接后的材料颈缩现象不明显，在强度提升的同时，延展性降低。材料在拉伸过程中仅有轻微的分层，进一步说明了焊接质量优良。断口处可以明显观察到韧性断裂的韧窝。在金属层合板的拉伸数值仿真中，拉伸过程中的颈缩、断裂以及复杂的应力状态变化可以很好地通过Johnson-Cook本构模型模拟出来。断裂处Cu边缘单元在300s时Mises应力最大值为429.7MPa；应变达到0.9时，应力值为499MPa。数值模拟得到的应力-应变曲线与实验曲线近似，说明仿真较好的模拟了室温下的多层铜层合板的拉伸过程，具有一定的参考意义。
参考文献（略）
