《爆炸焊接技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述》5500字_第1頁
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爆炸焊接技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u6206爆炸焊接技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 162451.1爆炸焊接技術(shù)的發(fā)展 1241981.2爆炸焊接結(jié)合界面的試驗表征 212881一、同種材料 25780二、異種材料 352011.3爆炸焊接結(jié)合界面的模擬表征 5325701)Al/Ni 599982)Al/Mg 6304873)Al/Cu 6278724)Cu/Fe 6257385)Cu/Ni 647116)Fe/Cu/Ni 710867參考文獻(xiàn) 71.1爆炸焊接技術(shù)的發(fā)展爆炸焊接(ExplosiveWelding,EXW)通過控制炸藥在金屬表面的爆炸來實現(xiàn)固態(tài)結(jié)合。在碰撞過程中,高速產(chǎn)生的射流可以去除金屬表面的氧化層雜質(zhì),達(dá)到清洗表面、保證基板和復(fù)板緊密結(jié)合的作用。復(fù)板和基板碰撞形成了結(jié)合界面,基板和復(fù)板的界面結(jié)合受到壓強(qiáng)影響很大、引起塑性變形,焊接后界面的結(jié)合甚至比初始靶材還要牢固。相似和不相似的材料都可以通過爆炸焊接連接。1944年Carl首次偶然在實踐中發(fā)現(xiàn)相同金屬(兩黃銅薄片)高速碰撞實現(xiàn)固相-固相復(fù)合,提出利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量來實現(xiàn)復(fù)合材料制備的理論,并于1947年最早申請了該領(lǐng)域得到發(fā)明專利[17]。同年,Deribas利用金相顯微技術(shù)呈現(xiàn)了爆炸焊接界面的形貌。1957年,Philipchuk將爆炸焊接制備出的復(fù)合金屬材料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中,成功實現(xiàn)了鋁-鋼大面積初始靶材的連接[18]。自此以后,各國專家對爆炸焊接的理論進(jìn)行深入研究并在多個領(lǐng)域投入實踐并應(yīng)用,爆炸焊接技術(shù)是目前金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的熱點之一。1.2爆炸焊接結(jié)合界面的試驗表征目前,在工業(yè)領(lǐng)域需要先進(jìn)的技術(shù)來制備性能優(yōu)異的新材料,如抗腐蝕、耐磨、抗氧化性等優(yōu)勢。因此,許多科研工作已經(jīng)著手開發(fā)這類新材料。如:耐腐蝕性低的不銹鋼可能包覆Al、Ti等材料,使不銹鋼在腐蝕環(huán)境下適用。爆炸焊接技術(shù)以可以直接連接各種各樣相同或者不同的金屬材料而聞名,目前不能用其他焊接技術(shù)來替代。此外,該工藝能夠連接大表面積的材料,因為爆炸焊接技術(shù)有能力對炸藥爆炸產(chǎn)生的高能量密度進(jìn)行分配。實踐中,使用爆炸焊接技術(shù)可以焊接超過260種各種同種和異種的金屬和合金組合[19]。同種材料Al-AlGrignon等[7]用爆炸焊接試驗法將6061T0鋁合金、6061T0鋁合金進(jìn)行連接,對不同條件下的爆炸焊接試驗樣品進(jìn)行表征,用有限元數(shù)值模擬法和解析計算證實了試驗結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn):焊接條件經(jīng)過調(diào)整,既可以產(chǎn)生波浪形界面,也可以產(chǎn)生直線形界面;用數(shù)值模擬的方法解釋了在整個焊接過程中獲得直線界面所遇到的困難。付艷恕等[20]采用Al/Al爆炸焊接復(fù)合材料對焊接界面的剪切斷口進(jìn)行表征,結(jié)果表明:與一般剪切行為不同,隨著加載速率的升高,界面剪切強(qiáng)度隨之降低;界面特征的立體反映(結(jié)合界面的峰值、谷的分布規(guī)律)可從多重分形譜起點和終點的橫向與縱向差值看出來。鋼-鋼Shi等[21]用爆炸焊接法制備了不銹鋼-碳鋼復(fù)合材料,基板和復(fù)板采用平行和垂直兩種放置方式,并對炸藥量、復(fù)板的速度等工藝參數(shù)進(jìn)行控制,研討了成型復(fù)合材料的界面形貌、力學(xué)性能,經(jīng)過表征發(fā)現(xiàn):基板和復(fù)板的放置為垂直方式時也可以實現(xiàn)不銹鋼-碳鋼的結(jié)合;炸藥量、復(fù)板的速度對復(fù)合材料的界面形貌是有影響的。Borchers等[22]用爆炸焊接法制備了中碳鋼-低碳鋼復(fù)合材料,研究了制備材料的微觀組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明:中碳鋼-低碳鋼復(fù)合材料形成呈波形界面的局部熔化區(qū),熔穴處有超高的硬度;中碳鋼的連接質(zhì)量較好;在拉伸試驗中,結(jié)合界面在垂直于拉伸方向的結(jié)合區(qū)發(fā)生斷裂。Acarer等[23]研究了爆炸焊接后具有相同化學(xué)成分的鋼-鋼金屬的界面形貌、硬度分布、力學(xué)性能,試驗中改變了爆炸荷載、靶材間距等參數(shù),試驗后對熱處理和未處理條件下的金屬強(qiáng)度進(jìn)行比對。試驗結(jié)果表明:隨著爆炸荷載和靶材間距的增加,結(jié)合界面由直線形轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ诵?;對于波形界面,隨著爆炸荷載增大,波長和波峰也會增大;熱處理后的試樣具有更高的強(qiáng)度;直線形和波浪形界面具有相似的強(qiáng)度。異種材料本論文研究Ni/Al復(fù)合材料,對異種材料的研究以Al、Ni為主要材料展開。Al/NiKwiecien等[24]研究了以約2800m/s極高的爆轟速度制備的Ni201、Al050復(fù)合板,對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,本研究主要集中在由Al3Ni、Al3Ni2、AlNi相組成的擴(kuò)熔區(qū)。在透射電鏡(TEM)下進(jìn)行原位加熱試驗觀察到了微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變:存在亞穩(wěn)態(tài)Al9Ni2轉(zhuǎn)變?yōu)锳l3Ni、Al3Ni2。對焊接區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測試表明,Ni的硬度由153HV增加到了170HV,Al的顯微硬度為45HV。熔化區(qū)硬度為135HV,經(jīng)過500℃退火試驗顯微硬度可提高到850HV,這是由于界面區(qū)域由熔化區(qū)轉(zhuǎn)為連續(xù)區(qū)域引起的。Bataev等[6]研究了爆炸焊接Ni/Al多層復(fù)合材料,,利用掃描電鏡(SEM)、能量色散X射線光譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)對Ni/Al復(fù)合板的結(jié)合界面進(jìn)行分析,分析發(fā)現(xiàn):結(jié)合界面出現(xiàn)了連續(xù)的Al、Ni混合層,這個區(qū)域的溫度高于Al、Ni的熔化溫度;在混合層存在多種金屬間化合物,包括十方晶系和亞穩(wěn)態(tài)Al9Ni2相;由于極高的應(yīng)變率,Ni板形成了胞狀位錯結(jié)構(gòu),Al板形成了多邊形位錯結(jié)構(gòu)。Ogneva等[25]探討了爆炸焊接后Ni/Al復(fù)合材料界面組成及性能優(yōu)化,結(jié)果表明:焊接后的結(jié)合界面出現(xiàn)Al、Ni混合區(qū),在620℃處理5h后,界面形成了由Al3Ni、Al3Ni2組成、連續(xù)均勻的金屬間化合層,在熱處理前對Ni、Al進(jìn)行爆炸焊接加快了Ni/Al材料在加熱初期金屬間化合物的生長速度。Mamalis等[26]通過爆炸焊接制備了Ni/Al復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)退火實驗后“Ni/Al”界面幾乎是平的,而在“Al/Ni”界面有周期性的變化,爆炸焊接復(fù)合材料金屬間基體的生長速度比鑄造復(fù)合材料快;觀察到多個尺寸為0.5-3μm的樹突,表明混合區(qū)是從液態(tài)開始出現(xiàn)的。2)Al/MgZhang等[27]研究了以AZ31B鎂合金為基板、不同的金屬為復(fù)板(Al合金、Cu、SS)制備的爆炸焊接復(fù)合板的界面形態(tài)和力學(xué)性能,經(jīng)SEM和TEM測試表明:復(fù)板和基板的硬度和屈服強(qiáng)度不同可導(dǎo)致不同的界面形態(tài),Al/Mg、Cu/Mg、SS/Mg復(fù)合板界面呈現(xiàn)典型的正弦波、波狀和半波狀界面;爆炸焊接后的復(fù)合材料不是通常認(rèn)為的固態(tài)結(jié)合,而是冶金結(jié)合。經(jīng)力學(xué)性能測試表征:Al/Mg、Cu/Mg、SS/Mg復(fù)合板的剪切強(qiáng)度可以分別達(dá)到201.2MPa、147.8MPa、128.4MPa。Chen等[28]利用爆炸焊接技術(shù)成功地將Al1100、MgAZ31焊接在了一起,觀察了焊縫結(jié)合界面附近的形貌和顯微組織,試驗結(jié)果顯示:Al/Mg結(jié)合界面是典型的波形結(jié)合界面;焊縫結(jié)合界面處發(fā)生了厚度約為3μm的元素擴(kuò)散;在結(jié)合界面處觀察到了直徑為5nm3)Al/CuAlaie等[29]探討了通過爆炸焊接制備的Al/Cu雙層復(fù)合板的力學(xué)性能、分子學(xué)特性、可成型性。經(jīng)過維氏硬度測試表明:由于加工硬化,Al面和Cu面的硬度均增加了。經(jīng)過拉伸試驗,用掃描電鏡觀察試樣斷口形貌,研究溫度對拉伸試樣的影響:隨著試樣溫度的升高,發(fā)生脆性斷裂的區(qū)域減少,成型性顯著提高。Athar等[30]對Al/Cu焊接接頭的可焊下限、結(jié)合界面形貌、結(jié)合界面的力學(xué)性能展開了一系列的工作。工作成果:炸藥量與結(jié)合界面形成的形貌有關(guān),炸藥量小形成直線形結(jié)合界面;炸藥量大結(jié)合界面會由直線形轉(zhuǎn)為波形;形成有漩渦狀波形結(jié)合界面會使復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最高水平;界面接頭處形成金屬化合物會使界面結(jié)合強(qiáng)度降低。4)Al/TiFang等[31]創(chuàng)新地采用爆炸焊接法制備了帶有和不帶有Al1060夾層的TiTA2/Al5083復(fù)合板,研究了夾層技術(shù)對制備復(fù)合板的綜合性能的影響。結(jié)果表明:采用夾層技術(shù)可以降低碰撞速度,可以通過多次碰撞將損失的總動能進(jìn)行分配,為解決焊接過程中動能損失過多提供了解決思路;具有中間層的復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量良好,無重大缺陷,界面附近硬度值增加而且具有最高的拉伸和剪切強(qiáng)度;界面附近有典型的渦旋和熔塊。Fronczek等[14]研究了不同退火時間下Al/Ti的組織演變,測試發(fā)現(xiàn):焊接接頭局部形成了TiAl3、TiAl2、TiAl和Ti3Al四種金屬間化合物,形成細(xì)小的漩渦狀;隨著溫度的升高和退火時間的延長,結(jié)合界面的擴(kuò)散層厚度越大;退火后金屬材料發(fā)生再結(jié)晶,Al晶體異常生長,Ti發(fā)生了形變孿晶的湮沒。5)Al/SteelAcarer等[8]研究了爆炸焊接法制備的鋁/HSLA鋼、鋁/雙相鋼金屬材料的微觀組織和力學(xué)性能。對鋁/HSLA鋼和鋁/雙相鋼進(jìn)行比較,研究表明:鋁/HSLA鋼、鋁/雙相鋼復(fù)合材料的結(jié)合界面均呈直線型;在鋁/雙相鋼焊縫附近,鋁/雙相鋼的塑性變形高于HSLA鋼,并且硬度增加、抗剪強(qiáng)度更優(yōu)、沖擊韌性更大。6)Ni/TiNishida等[32]利用透射電鏡探究了爆炸焊接Ni/Ti復(fù)合板結(jié)合界面的微觀結(jié)構(gòu)變化,觀察到:結(jié)合界面合成了非平衡相(非靜態(tài)、二十面體準(zhǔn)晶相),這些產(chǎn)物是沿著兩種初始靶材接觸面熔化、迅速凝固的結(jié)果;爆炸焊接過程中的沖擊壓力促進(jìn)了非平衡相的形成。7)Ni/Al/NiGuo等[3]研究了間隔距離對Ni/Al/Ni的微觀組織和力學(xué)性能的影響,采用SEM、EDS對Ni/Al/Ni復(fù)合板的形貌特征和元素分布進(jìn)行表征;采用拉伸和剪切試驗對試樣的力學(xué)性能進(jìn)行評估。結(jié)果表明:隨著間隔距離的增加,可得到直線界面、波浪界面、連續(xù)熔化界面;Ni/Al/Ni復(fù)合板呈波浪狀界面具有最高的延展性和界面結(jié)合強(qiáng)度;原子的擴(kuò)散厚度隨間隔距離的增加而增加。1.3爆炸焊接結(jié)合界面的模擬表征由于爆炸焊接作業(yè)的瞬時性及破壞性,導(dǎo)致難以通過實時觀測手段來揭示焊接成型原理。分子動力學(xué)(MD)方法則能夠很好地克服這個困難,在跟蹤原子運動和研究原子水平上的擴(kuò)散現(xiàn)象方面顯示了其優(yōu)越性,它可以模擬極短時間內(nèi)的原子相互作用[15,33],并提供從微觀角度研究異種金屬焊接機(jī)理的有效途徑。當(dāng)前爆炸焊接的數(shù)值模擬表征主要從異種金屬著手研究,從異種材料這個角度對爆炸焊接模擬表征進(jìn)行概述。Al/Ni矯震等[34]構(gòu)建了Al、Ni焊件的分子動力學(xué)微觀模型,探討了對擴(kuò)散層有影響的工藝參數(shù)、表面粗糙度對焊接過程的影響,結(jié)果說明:增大頂鍛壓力、提高摩擦速度都可以促進(jìn)Al、Ni擴(kuò)散層厚度的增加;焊接后結(jié)合界面的組織成分與材料的軟硬有關(guān),Ni(較硬材料)有較大影響、Al(較軟材料)影響不大;。Al/MgZhang等[35]用分子動力學(xué)方法研究了爆炸焊接Al/Mg復(fù)合板結(jié)合界面的原子擴(kuò)散行為。模擬證實:Mg原子的擴(kuò)散系數(shù)大于Al原子的擴(kuò)散系數(shù),且隨著碰撞速度的增加,兩者的差值減小;擴(kuò)散系數(shù)與碰撞速度、碰撞角有關(guān);提出了計算擴(kuò)散層厚度的公式,并用試驗驗證了仿真結(jié)果。Al/Cu張巖等[36]從微觀角度入手,采用分子動力學(xué)的方法,模擬了Al/Cu爆炸焊接的瞬時過程,研究了焊件界面結(jié)合處的拉伸、切削性能。研究發(fā)現(xiàn):Al原子與Ni原子相互熔合、相互滲透形成焊接接頭;爆炸焊接后結(jié)合界面的彈性模量介于初始靶材Al、Cu之間,模擬所得的應(yīng)變率10.67%與試驗所得的11%接近;由于結(jié)合界面的無序晶格、位錯的相互作用,使界面附近的應(yīng)力值和平均切削力均大于初始靶材Al、Cu;在無序晶格區(qū)域產(chǎn)生位錯形核,在傳播時造成加工硬化現(xiàn)象。Chen等[37]結(jié)合分子動力學(xué)模擬和經(jīng)典擴(kuò)散理論提出Cu、Al爆炸焊接中原子擴(kuò)散行為的混合方法,發(fā)現(xiàn)原子的擴(kuò)散主要發(fā)生在卸載階段。碰撞速度越大,擴(kuò)散系數(shù)越大;沒有橫向速度時,擴(kuò)散系數(shù)正比于縱向速度;縱向速度固定時,擴(kuò)散系數(shù)與橫向速度的平方成正比,用Cu/Al爆炸焊接掃描電鏡實驗證明了有效性。Cu/FeSaresoja等[38]從原子尺度用分子動力學(xué)方法對Cu/Fe爆炸焊接進(jìn)行模擬,結(jié)果表明:冷卻后結(jié)合界面有晶體尺寸為10-20nm的納米顆粒;射流形成是爆炸焊接Cu/Fe復(fù)合板良好結(jié)合的必要條件,射流的形成與結(jié)合界面區(qū)域的熔化有關(guān)。Feng等[39]采用分子動力學(xué)的方法研究了爆炸焊接中Cu、Fe結(jié)合形成雙層復(fù)合材料的過程。在模擬結(jié)合界面形成過程中,依次考慮了連接過程中的加載、卸載和冷卻三個階段。模擬發(fā)現(xiàn):結(jié)合界面附近有納米顆粒生成,形成的原因主要是熔化和隨后的冷卻過程;熔化不是形成結(jié)合界面的主導(dǎo)因素;爆炸焊接Cu/Fe復(fù)合板的連接機(jī)制可以視為壓力焊或熔融擴(kuò)散焊。Cu/Ni孫繼鑫等[40]采用分析動力學(xué)方法,研究了納米Cu/Ni擴(kuò)散焊接過程,繼而做了拉伸模擬。分析證明:低溫時納米Cu/Ni模型沒有發(fā)生擴(kuò)散;在溫度、壓強(qiáng)、退火條件相同的情況下,界面擴(kuò)散厚度隨著保溫時間的延長而增大、拉伸強(qiáng)度隨著保溫時間的延長而減小。Fe/Cu/Ni朱露珊[41]基于分子動力學(xué)方法對Fe/Cu、Fe/Cu/Ni合金中富Cu團(tuán)簇的早期析出行為進(jìn)行模擬分析。分析顯示:在持續(xù)冷卻和時效中,Ni原子可以增加Cu原子的擴(kuò)散速率,Ni原子能促使小尺寸的富Cu團(tuán)簇連接形成大尺寸的富Cu團(tuán)簇;Ni在富Cu團(tuán)簇間起連接作用,這與Cu、Ni間第一近鄰數(shù)目有關(guān);持續(xù)冷卻,富Cu團(tuán)簇在形成過程中產(chǎn)生位錯,界面附近局部晶格發(fā)生變化bcc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[1]Findik,F.,Recentdevelopmentsinexplosivewelding.Materials&Design,2011.32(3):p.1081-1093.[2]Loureiro,A.,R.Mendes,J.B.Ribeiro,etal.,Effectofexplosivemixtureonqualityofexplosiveweldsofcoppertoaluminium.Materials&Design,2016.95:p.256-267.[3]Guo,X.,Y.Ma,K.Jin,etal.,EffectofStand-OffDistanceontheMicrostructureandMechanicalPropertiesofNi/Al/NiLaminatesPreparedbyExplosiveBonding.JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2017.26(9):p.4235-4244.[4]Aizawa,Y.,J.Nishiwaki,Y.Harada,etal.,ExperimentalandnumericalanalysisoftheformationbehaviorofintermediatelayersatexplosiveweldedAl/Fejointinterfaces.JournalofManufacturingProcesses,2016.24:p.100-106.[5]劉中青,劉凱,異種金屬焊接技術(shù)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.[6]Bataev,I.A.,T.S.Ogneva,A.A.Bataev,etal.,ExplosivelyweldedmultilayerNi-Alcomposites.MaterialsandDesign,2015.88:p.1082-1087.[7]Grignon,F.,D.Benson,K.S.Vecchio,etal.,Explosiveweldingofaluminumtoaluminum:Analysis,computationsandexperiments.InternationalJournalofImpactEngineering,2004.30(10):p.1333-1351.[8]Acarer,M.andB.Demir,Aninvestigationofmechanicalandmetallurgicalpropertiesofexplosiveweldedaluminum-dualphasesteel.MaterialsLetters,2008.62(25):p.4158-4160.[9]Mousavi,S.A.A.A.andP.F.Sartangi,Experimentalinvestigationofexplosiveweldingofcp-titanium/AISI304stainlesssteel.Materials&Design,2009.30(3):p.459-468.[10]Chen,Z.,D.Wang,X.Cao,etal.,Influenceofmulti-passrollingandsubsequentannealingontheinterfacemicrostructureandmechanicalpropertiesoftheexplosiveweldingMg/Alcompositeplates.MaterialsScienceandEngineeringa-StructuralMaterialsPropertiesMicrostructureandProcessing,2018.723:p.97-108.[11]Zhang,H.,K.X.Jiao,J.L.Zhang,etal.,Microstructureandmechanicalpropertiesinvestigationsofcopper-steelcompositefabricatedbyexplosivewelding.MaterialsScienceandEngineeringa-StructuralMaterialsPropertiesMicrostructureandProcessing,2018.731:p.278-287.[12]Yao,P.,H.YangandH.Liu.Researchstatusanddevelopmentofexplosiveweldedmetalmaterials.in2ndInternationalConferenceonFrontiersofMaterialsSynthesisandProcessing,FMSP2018,November10,2018-November11,2018.2019.SanyaCity,China:IOPPublishingLtd.[13]Bataev,I.A.,D.V.Lazurenko,S.Tanaka,etal.,Highcoolingratesandmetastablephasesattheinterfacesofexplosivelyweldedmaterials.ActaMaterialia,2017.135:p.277-289.[14]Fronczek,D.M.,J.Wojewoda-Budka,R.Chulist,etal.,StructuralpropertiesofTi/Alcladsmanufacturedbyexplosiveweldingandannealing.Materials&Design,2016.91:p.80-89.[15]Zhang,N.,W.Wang,X.Cao,etal.,TheeffectofannealingontheinterfacemicrostructureandmechanicalcharacteristicsofAZ31B/AA6061compositeplatesfabricatedbyexplosivewelding.Materials&Design,2015.65:p.1100-1109.[16]尹楚藩.基于爆炸焊接法的Ti/TiAl_3疊層復(fù)合材料制備技術(shù)研究[D].中北大學(xué),2020.[17]BainCJ,C.L.R.C.d.U.,US2415806[P].1947..[18]韓順昌,爆炸焊接界面相變與斷口組織[M].2011:國防工業(yè)出版社.[19]Kacar,R.andM.Acarer,Aninvestigationontheexplosivecladdingof316Lstainlesssteel-din-P355GHsteel.JournalofMaterialsP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