王 鳴， 李文錦， 張 旭， 程麗麗， 徐 洋

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

制備新型復(fù)合材料是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的發(fā)展方向。新型復(fù)合材料不僅能滿足現(xiàn)代工業(yè)對材料高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等性能要求，還能滿足對材料的密度、耐蝕、耐磨、韌性、光電等性能的要求。近些年來，各種金屬層狀復(fù)合板材具有經(jīng)濟(jì)性和功能性兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、航空航天、水利、汽車、環(huán)保、礦山、壓力容器制造、建筑、電力、船舶、核能、交通、冶金、食品、機(jī)械制造、釀造、制藥等各個(gè)領(lǐng)域[1-9]。

嚴(yán)重塑性變形是一種對材料連續(xù)進(jìn)行塑性變形，以制備具有超細(xì)晶粒尺寸的金屬多層復(fù)合材料的方法，常包括高壓扭轉(zhuǎn)法、等徑角擠壓法等。疊軋焊接作為一種最常見的劇烈塑性變形方法，在材料的加工制備及組織性能調(diào)控領(lǐng)域有諸多應(yīng)用[10-19]。疊軋焊接制備金屬多層復(fù)合材料的結(jié)合原理是在疊軋過程中，通過較大壓下量實(shí)現(xiàn)不同材料之間的焊接。由于鋁為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，具有滑移系多、易于塑性變形、可以在室溫下進(jìn)行軋制等優(yōu)點(diǎn)，因此在疊軋焊接中應(yīng)用較廣，但其研究多集中在鋁及鋁合金上，對制備鋁與鋼多層復(fù)合材料的研究卻很少。A1和鋼多層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以鋼為基體，在其上包覆一層Al，Al與鋼界面實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。與普通鋼相比，鋁鋼復(fù)合材料除具有超細(xì)的晶粒尺寸，良好的力學(xué)性能之外，其質(zhì)量還比純鋼輕得多。Al和IF鋼多層復(fù)合材料集鋼和鋁兩種材料物理、化學(xué)和力學(xué)性能于一身，不僅具有鋼的韌性、高強(qiáng)度、優(yōu)良的表面性能和深沖性能等特點(diǎn)，還具有鋁的輕質(zhì)量、高延展性和良好的導(dǎo)電性等特點(diǎn)，是一種具有優(yōu)良綜合性能的新型復(fù)合材料[20-28]。

由于IF鋼深沖性好，強(qiáng)度較高。本試驗(yàn)采用IF鋼作為復(fù)合材料組元，探索采用疊軋焊接的方法制備Al/IF鋼金屬多層復(fù)合材料的可行性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)該復(fù)合材料晶粒超細(xì)化，使其具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，從而為實(shí)現(xiàn)該類材料的廣泛應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及內(nèi)容

試驗(yàn)所用材料為L2工業(yè)純鋁板和IF鋼板，其化學(xué)成分分別如表1和表2所示。L2工業(yè)純鋁的初始尺寸為50 mm×20 mm×2 mm、IF鋼的初始尺寸為50 mm×20 mm×1 mm。

表1 L2工業(yè)純鋁的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 試驗(yàn)用IF鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

首先使用2000目砂紙對Al和IF鋼的表面進(jìn)行預(yù)處理，然后依次用清水、丙酮和酒精沖洗，最后進(jìn)行烘干。烘干完成后以Al/IF鋼/Al的順序疊放在一起，疊放后總厚度為5 mm，用細(xì)鐵絲綁住試樣兩端防止分開，然后放入SXL-1200M型馬弗爐加熱至360 ℃，保溫10 min后立即取出并進(jìn)行單道次無潤滑軋制，最終軋制厚度為1 mm，如圖1所示。

圖1 疊軋焊接過程示意圖

為區(qū)分拉伸后的斷裂總延伸率，采用軋制延展率η來表示Al/IF鋼復(fù)合材料的變形程度，其計(jì)算過程如式(1)所示[29]：

(1)

式中：H為軋制前復(fù)合材料的厚度；h為軋制后復(fù)合材料的厚度。采用公式(1)計(jì)算得出Al/IF鋼復(fù)合材料的軋制延展率η=500%。

將疊軋態(tài)Al/IF鋼多層復(fù)合材料在不同溫度(300、350、400、450 ℃)下退火0.5 h，然后空冷。利用XRD-6100型X射線衍射儀和JSM-7500型掃描電鏡對復(fù)合材料的初始結(jié)構(gòu)和結(jié)合界面形貌進(jìn)行表征。利用Instron8871型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測試，拉伸試樣沿著軋制方向切取，尺寸參數(shù)如圖2 所示，加載速度0.05 mm/s。利用TMVS-1型顯微維氏硬度計(jì)對復(fù)合材料進(jìn)行硬度測試，載荷為4.9 N，加載時(shí)間為10 s，選取5個(gè)不同位置測試，取其平均值。

圖2 拉伸試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為疊軋態(tài)Al/IF鋼多層復(fù)合材料經(jīng)不同溫度退火處理后結(jié)合界面處的SEM照片。從圖3(a)可以看出，Al和IF鋼的分層現(xiàn)象并未改善。疊軋態(tài)復(fù)合材料結(jié)合界面處存在微裂紋，表明其結(jié)合強(qiáng)度較低。這主要是由于Al為面心立方結(jié)構(gòu)，其晶內(nèi)的滑移系數(shù)目比具有體心立方結(jié)構(gòu)的Fe多，在相同程度變形作用下，Al更容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致Al層和IF鋼層的變形不一致，因此在結(jié)合界面處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)微裂紋形成[30]，使界面間的結(jié)合力降低。從圖3(b)可以看出，經(jīng)350 ℃退火后，Al層和IF鋼層界面未出現(xiàn)微裂紋，表明界面結(jié)合較好。由圖3(c, d)可以看到，經(jīng)400 ℃和450 ℃退火后，界面結(jié)合情況與350 ℃退火時(shí)相差不大。表明退火溫度升高對界面結(jié)合作用的影響較小。

圖3 不同溫度退火后Al/IF鋼多層復(fù)合材料結(jié)合界面的SEM形貌

圖4分別為疊軋態(tài)、300 ℃和450 ℃退火后Al/IF鋼多層復(fù)合材料結(jié)合界面處的EDS線掃描成分分析。從圖4可以看出，Al和IF鋼的能譜線均出現(xiàn)了交叉。疊軋態(tài)的復(fù)合界面生成了1 μm左右的擴(kuò)散層，當(dāng)退火溫度升高至450 ℃時(shí)，界面的擴(kuò)散層厚度僅增加至3 μm左右，表明Al層和IF鋼層并未發(fā)生明顯的元素?cái)U(kuò)散，這與圖3中結(jié)合界面的分層現(xiàn)象相對應(yīng)。

圖4 不同溫度退火后Al/IF鋼多層復(fù)合材料結(jié)合界面的EDS線掃描分析

圖5為疊軋態(tài)Al/IF鋼多層復(fù)合材料經(jīng)不同溫度退火后的XRD圖譜，從圖5可以看出，退火溫度對復(fù)合材料晶面衍射峰的種類影響不大。疊軋態(tài)和退火態(tài)的晶面衍射峰均為Al的衍射峰，未發(fā)現(xiàn)IF鋼的衍射峰。疊軋態(tài)的3個(gè)強(qiáng)峰分別為(111)Al、(200)Al和(220)Al。退火后最強(qiáng)衍射峰由(111)Al轉(zhuǎn)變?yōu)?200)Al。表明Al層內(nèi)部晶面取向發(fā)生了改變。

圖5 不同溫度退火后Al/IF鋼多層復(fù)合材料的XRD圖譜

圖6為Al/IF鋼多層復(fù)合材料經(jīng)不同溫度退火后的顯微硬度。從圖6可以看出，多層復(fù)合材料中Al層和IF鋼層的硬度均高于原料(原料純Al和IF鋼的硬度分別為48.5 HV0.5和80 HV0.5)。當(dāng)退火溫度高于350 ℃時(shí)，由于達(dá)到了Al的再結(jié)晶條件，晶體內(nèi)的缺陷減少，變形晶粒逐漸恢復(fù)成等軸狀，因此硬度下降。當(dāng)退火溫度高于400 ℃時(shí)，Al層硬度迅速降低，這可能是由于在此溫度下Al組元層中的再結(jié)晶晶粒發(fā)生異常長大，由于晶界數(shù)量的減少，晶界強(qiáng)化效應(yīng)減弱使硬度發(fā)生驟降。由于IF鋼的再結(jié)晶溫度通常高于此溫度范圍，因此IF鋼的硬度隨退火溫度的上升并未發(fā)生明顯變化，為204～216 HV0.5。

圖6 不同溫度退火后Al層和IF鋼層的顯微硬度

圖7為A1/IF鋼多層復(fù)合材料經(jīng)不同溫度退火后的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖7可以看出，疊軋態(tài)復(fù)合材料在單軸拉伸變形過程中表現(xiàn)出明顯的加工硬化，塑形變形能力較差，Al層和IF鋼層并未表現(xiàn)出明顯的塑性和強(qiáng)度區(qū)別。經(jīng)300 ℃退火后，復(fù)合材料的塑性得到明顯提升，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的屈服平臺，沒有表現(xiàn)出加工硬化，屈服后Al和IF鋼同時(shí)發(fā)生頸縮后斷裂。隨著退火溫度的持續(xù)升高，拉伸曲線出現(xiàn)二次屈服平臺，這可能是由于退火溫度達(dá)到了Al的再結(jié)晶溫度，從而使得Al發(fā)生再結(jié)晶后塑性得到顯著提高，最終導(dǎo)致其塑性高于IF鋼。IF鋼層先發(fā)生屈服，產(chǎn)生第一個(gè)屈服平臺后最先斷裂，而此時(shí)的Al組元層依然處于塑性變形階段，隨著載荷的繼續(xù)增大，出現(xiàn)第二次屈服平臺，之后發(fā)生斷裂。

圖7 不同溫度退火后Al/IF鋼多層復(fù)合材料的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8為A1/IF鋼多層復(fù)合材料經(jīng)不同溫度退火后的抗拉強(qiáng)度和斷裂總延伸率。由于IF鋼原料的抗拉強(qiáng)度為400 MPa，純Al的抗拉強(qiáng)度為148 MPa，根據(jù)疊加原理σ復(fù)=0.8σ鋁+0.2σ鋼，軋制之后的Al/IF鋼多層復(fù)合材料強(qiáng)度應(yīng)介于兩者之間，理論計(jì)算得出復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為198 MPa)，實(shí)測疊軋態(tài)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為212 MPa，與理論值相差不大。對疊軋態(tài)A1/IF鋼多層復(fù)合材料進(jìn)行退火處理后，其內(nèi)部原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，硬化現(xiàn)象逐漸消除。主要表現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度迅速降低，斷裂總延伸率迅速增加。300 ℃退火后，抗拉強(qiáng)度從212 MPa迅速降低至160 MPa，斷裂總延伸率從1.2%迅速增加至4.5%。當(dāng)退火溫度從300 ℃升高至450 ℃時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但總體高于純Al，而明顯低于疊軋態(tài)的抗拉強(qiáng)度，基本處于155～160 MPa范圍內(nèi)。而復(fù)合材料的斷裂總延伸率呈先上升后下降的趨勢，在退火溫度為350 ℃時(shí)達(dá)到最大，為6.5%。綜合Al/IF鋼多層復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與斷裂總延伸率來看，當(dāng)退火溫度為350 ℃時(shí)，其綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

圖8 不同溫度退火后Al/IF鋼多層復(fù)合材料的力學(xué)性能

疊軋態(tài)Al/IF鋼多層復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度來源于劇烈變形之后產(chǎn)生的加工硬化和細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。而退火后的抗拉強(qiáng)度下降、斷裂總延伸率上升是由于退火引發(fā)了Al層內(nèi)部發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶。在400 ℃以下退火時(shí)，Al層內(nèi)部發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，位錯(cuò)密度降低，內(nèi)應(yīng)力減小，變形組織中產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，從而使強(qiáng)度降低，斷裂總延伸率顯著提高。當(dāng)退火溫度達(dá)到450 ℃時(shí)復(fù)合材料中的Al組元層發(fā)生晶粒異常長大，晶界數(shù)量大大降低，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著下降。綜上所述，在300～450 ℃范圍內(nèi)，退火溫度對Al/IF鋼多層復(fù)合材料的力學(xué)性能影響主要體現(xiàn)在對Al層力學(xué)性能的影響。這一點(diǎn)也可以通過在450 ℃退火時(shí)，Al組元層的硬度急劇下降，而IF鋼組元層卻只有小幅度下降得出(圖6所示)。

3 結(jié)論

1) 采用疊軋焊接的方法制備Al/IF鋼多層復(fù)合材料時(shí)，疊軋態(tài)的抗拉強(qiáng)度處于原料純Al和IF鋼的強(qiáng)度之間，為212 MPa，斷裂總延伸率較低。

2) 在300～450 ℃退火時(shí)，Al層和IF鋼的硬度均高于其原材料，Al/IF鋼多層復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨退火溫度的升高逐漸減小。斷裂總延伸率隨退火溫度的升高呈先增加后減小趨勢，在350 ℃時(shí)達(dá)到最大，為6.5%，表明此退火溫度下獲得的綜合力學(xué)性能最為理想。

3) 在300～450 ℃退火時(shí)，Al/IF鋼多層復(fù)合材料的Al層硬度隨著退火溫度的升高先增加，在350 ℃退火之后下降，而IF鋼層的硬度變化不大。

4) 退火溫度對Al/IF鋼多層復(fù)合材料力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在退火溫度對Al層的影響上。