研究人員選用Al-Mg-Si系鋁合金作為基體，鍍鋅鋼絲用作增強纖維，通過擠壓制備成復(fù)合型材。研究了Al/Al焊合界面的組織演變以及Fe/Al擴散界面的擴散行為，探討了增強材料對復(fù)合型材的機械性能的影響。

　　鋁合金型材由于其密度低，比強度高，耐腐蝕性優(yōu)異和可回收性良好而被廣泛用于建筑，軌道交通，航空航天等行業(yè)。熱擠壓工藝是生產(chǎn)鋁合金型材的主要方法，將高溫鋁棒通過?？讛D出以形成具有特定橫截面形狀的型材。但是，通過熱處理提高鋁合金型材機械強度的能力有限，因此考慮使用強度更高的原材料進行擠壓，即連續(xù)擠壓纖維增強鋁基復(fù)合材料型材。通過使用改進的擠壓模具，可以通過嵌入增強纖維并使它們粘結(jié)在一起進而獲得復(fù)合型材。該新工藝具有改善鋁合金型材的力學(xué)性能和功能多樣性的巨大潛力，因此引起了相關(guān)制造商和研究人員的廣泛關(guān)注。同時，纖維增強復(fù)合型材在鐵路運輸，車輛空間框架，飛機縱梁等行業(yè)有巨大應(yīng)用空間。雖然現(xiàn)階段對復(fù)合型材已有部分研究，但仍不清楚界面的微觀組織演變和擠壓復(fù)合型材的力學(xué)性能增強機理。

　　山東大學(xué)張存生課題組最近研究制備了鋼絲增強復(fù)合型材，揭示了Fe/Al擴散界面的微觀結(jié)構(gòu)和演化行為，探討了纖維復(fù)合材料性能的強化機理。相關(guān)論文以題為“Interface microstructure evolution and mechanical properties of the extruded fiber-reinforced aluminum-based composite bar”發(fā)表在Materials and Design。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127519308846

　　研究人員選用Al-Mg-Si系鋁合金作為基體，鍍鋅鋼絲用作增強纖維，通過擠壓制備成復(fù)合型材。研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)擠壓過程中，存在兩種界面接觸。一種是Al/Al界面的固相鍵合和微結(jié)構(gòu)復(fù)合，另一種是Fe/Al界面的鍵合和擴散。

實驗?zāi)＞哐b置及設(shè)計示意圖

　　Al/Al界面的微孔演變與熱變形之間的關(guān)系描述如下：（1）首先，兩股金屬在焊接室內(nèi)交互接觸。一方面，由于在最初的擠出階段焊合室內(nèi)的空氣沒有完全排出，兩股金屬的表面被嚴(yán)重氧化；另一方面，由于存在金屬表面粗糙和原始焊接力的不穩(wěn)定，所以沒有形成結(jié)合界面，導(dǎo)致界面上出現(xiàn)大量的氧化物和微孔；（2）隨著金屬繼續(xù)填充以及焊合溫度逐漸穩(wěn)定，焊合界面上的微孔減少，氧化膜碎裂并在鋁基質(zhì)中的溶解；（3）隨著擠壓的進行，氧含量逐漸消耗，金屬表面的氧化物含量降低，有利于Al原子的固相擴散，進而促進了新晶粒的重組和形成；（4）擠壓逐漸進入平穩(wěn)階段，微孔最終消失。

圖1焊合界面微觀結(jié)構(gòu)和SEM圖像

圖2 Al/Al焊合界面處的晶粒結(jié)構(gòu)的EBSD圖像

　　Fe/Al界面的組織演變與熱變形之間的關(guān)系描述如下：（1）當(dāng)鋁基體與鋼絲接觸時，導(dǎo)致在截面上形成附著在鋼絲繩上的薄鋁層；（2）由于擠壓過渡階段的不穩(wěn)定性，鋼絲附近保留了較多微孔；（3）在擠壓變形的作用下，F(xiàn)e/Al界面上形成了Fe/Al擴散區(qū)，但在穩(wěn)定的擠壓階段沒有形成穩(wěn)定的金屬間化合物。

圖3鋼絲和鋁基之間的粘結(jié)界面

圖4Fe/Al擴散界面的SEM圖像以及不同部分的元素分析

圖5 Fe/Al界面的EPMA-WDS線掃描分析

　　通過對性能測試后的材料分析得知，壓痕處硬度和彈性模量值的差異主要受Zn元素濃度分布的影響。擴散區(qū)的硬度值明顯高于鋁基體和鋼絲，表明Fe/Al擴散層是脆性的。但是，擴散區(qū)域的彈性模量值比鋼絲的彈性模量值略低，這表明Fe/Al擴散層的彈性變形阻力略低于鋼絲。增強材料能夠極大地影響復(fù)合材料機械性能。鋼絲對抗拉強度的提高不明顯和復(fù)合型材的伸長率較低是因為鋼絲的股之間存在相當(dāng)大的間隙以及Fe/Al界面的狀態(tài)不良。復(fù)合型材與鋁合金棒的機械性能的差異取決于纖維性能，纖維類型和粘結(jié)狀態(tài)。

　　本研究通過不同的材料表征方法研究了Al/Al焊合界面的組織演變以及Fe/Al擴散界面的擴散行為，探討了增強材料對復(fù)合型材的機械性能的影響。研究者相信在不久的將來，通過獲得具有良好粘合界面的復(fù)合型材，材料的機械性能將大大提高。