馮丹竹，胡筱旋，于明光

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)科技發(fā)展部，遼寧 鞍山 114009）

隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)工藝技術(shù)及材料性能的 要求不斷提高，單一材料因綜合性能欠佳難以滿足多性能需求的現(xiàn)代工業(yè)。金屬?gòu)?fù)合板材因兼有復(fù)層材料的特殊性能，又有基層材料的強(qiáng)度和剛度而得到廣泛應(yīng)用［1］。銅作為一種常用材料，因其具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、延展性、耐蝕性等而廣泛應(yīng)用［2］。采用銅/鋼復(fù)合不僅可發(fā)揮原有基體特性，通過(guò)結(jié)合界面的相互作用使復(fù)合材料不但兼顧鋼的硬度及銅側(cè)的耐蝕性及導(dǎo)電導(dǎo)熱性等［3］，還可大幅降低成本，因此，廣泛應(yīng)用于航空、工程機(jī)械、建筑工程、海上石油和天然氣鉆井平臺(tái)等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景廣闊。目前，銅/鋼復(fù)合制備工藝可分為三種：固-固相復(fù)合、液-液相復(fù)合和固-液相復(fù)合［4］。固-液相復(fù)合法因其成本低廉，操作簡(jiǎn)單，結(jié)合界面良好，可實(shí)現(xiàn)雙金屬材料的連續(xù)化生產(chǎn)而得到廣泛應(yīng)用。銅/鋼雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能主要取決于界面結(jié)合狀態(tài)。良好的界面結(jié)合可有效均勻分布材料內(nèi)應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，并能有效地傳遞應(yīng)力載荷等信息［5］。為此，本文研究了不同變形量對(duì)固液澆注復(fù)合制備的銅/鋼雙金屬?gòu)?fù)合材料結(jié)合界面顯微組織、性能、元素分布等的影響，為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)、提高復(fù)合材料質(zhì)量提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

選擇EH420鋼作為固相基體，選擇工業(yè)純銅作為液相復(fù)合層，試驗(yàn)用材料化學(xué)成分如表1所示，通過(guò)固液澆注復(fù)合法將二者連接，在復(fù)合后的雙金屬材料上截取Φ6 mm×15 mm圓棒狀試樣，銅和鋼的規(guī)格為（4+11）mm。

表1 試驗(yàn)材料的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main Compositions in Test Material（Mass Fraction） %

采用Gleeble-3800熱力模擬試驗(yàn)機(jī)，將試樣于900℃，保溫180 s，隨后進(jìn)行單道次壓縮，變形量分別為 20%，30%，40%，應(yīng)變速率 5 s-1，以 20℃/s冷卻到室溫。

將模擬試樣進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕，通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合材料結(jié)合界面處顯微組織進(jìn)行觀察，采用掃描電鏡對(duì)界面微觀結(jié)構(gòu)及成分分布進(jìn)行分析，通過(guò)顯微硬度計(jì)測(cè)試界面結(jié)合層的顯微硬度，以評(píng)價(jià)復(fù)合材料在外力加載時(shí)所表現(xiàn)抵抗彈塑性變形的能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同變形量下復(fù)合材料的顯微組織

圖1為不同變形量下復(fù)合材料結(jié)合界面顯微組織形貌。圖1（a）和圖1（b）為形變量20%和30%的結(jié)合界面組織，由于壓縮量較小，銅側(cè)保持一定鑄態(tài)組織，呈樹(shù)枝狀，枝晶較粗大，鋼側(cè)組織為板條馬氏體和粒狀貝氏體，晶粒粗化明顯。圖1（c）和圖1（d）為形變量為40%的結(jié)合界面組織和銅側(cè)微觀形貌，銅側(cè)顯微組織為α單相組織，存在部分等軸晶粒及少量孿晶組織，這是因?yàn)榧冦~為面心立方結(jié)構(gòu)［6］，滑移系多，更容易產(chǎn)生滑移［7］，由于變形量增大，提高銅內(nèi)部應(yīng)力，在某些晶界處的滑移臨界切應(yīng)力超出了孿晶的臨界切應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生了形變孿晶［7］。呈現(xiàn)該種孿晶組織，一方面與金屬晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一方面可能與受力方式有密切的聯(lián)系［8］。鋼側(cè)組織為板條馬氏體，由于變形量增大，銅側(cè)及鋼側(cè)晶粒尺寸均顯著減小。

圖1 復(fù)合材料在不同形變量下顯微組織形貌Fig.1 Microstructure Morphology of Composite Material under Different Deformation Amount

2.2 不同變形量下復(fù)合材料的硬度

圖2為不同變形量下復(fù)合材料維氏硬度，由圖2（a）可知，在不同變形量下鋼側(cè)到結(jié)合界面維氏硬度顯著降低，由結(jié)合界面到銅側(cè)，硬度繼續(xù)降低直至曲線平緩。隨變形量的增加，復(fù)合材料的鋼-結(jié)合界面-銅的硬度均獲得一定量的增大。圖2（b）為復(fù)合材料各側(cè)的平均硬度，發(fā)現(xiàn)40%變形量較0%變形量鋼側(cè)平均硬度提高了61%，結(jié)合界面提高了36%，銅側(cè)提高了30%。復(fù)合材料經(jīng)過(guò)變形發(fā)生塑性形變，使位錯(cuò)滑移、纏結(jié)，晶粒破碎、細(xì)化，提高材料變形抗力，導(dǎo)致硬度提高，同時(shí)晶粒的細(xì)化也起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。雙金屬?gòu)?fù)合材料經(jīng)不同程度變形，晶粒破碎程度和形變量不同［9］，位錯(cuò)密度存在差異，導(dǎo)致塑性變形抗力不同，表現(xiàn)為隨變形量增加，硬度增大，40%變形量下，材料 各側(cè)晶粒均得到顯著細(xì)化，因此其硬度較高。

圖2 不同變形量下復(fù)合材料的維氏硬度Fig.2 Vickers Hardness of Composite Material under Different Deformation Amount

2.3 不同變形量下復(fù)合材料結(jié)合界面元素分布

圖3為復(fù)合材料在不同變形量下經(jīng)線掃描獲得的界面及過(guò)渡層Fe、Cu元素?cái)U(kuò)散曲線。由圖可知，在不同變形量下，F(xiàn)e、Cu元素在界面過(guò)渡層連續(xù)分布，F(xiàn)e元素與Cu元素在此處有細(xì)微的波動(dòng)可能是擴(kuò)散伴隨著Fe、Cu元素的化合反應(yīng)所致。Fe元素從鋼側(cè)到過(guò)渡層含量逐漸減少，由過(guò)渡層到銅側(cè)急劇降低；Cu元素由銅側(cè)-過(guò)渡層-鋼側(cè)的元素分布變化趨勢(shì)與鐵元素相反，F(xiàn)e、Cu元素的擴(kuò)散趨勢(shì)均呈“X”型。

圖3 不同變形量下復(fù)合材料的界面元素分布Fig.3 Interface Element Distribution of Composite Material under Different Deformation Amount

隨變形量的增加，過(guò)渡層距離逐漸增大，F(xiàn)e、Cu元素?cái)U(kuò)散程度提高，變形量為40%時(shí)，擴(kuò)散距離可達(dá)17 μm，這是由于形變過(guò)程可驅(qū)使空位被原子填補(bǔ)，促進(jìn)元素的擴(kuò)散及界面的結(jié)合。此外，試樣形變前均于900℃，保溫180 s，高溫下保溫一定時(shí)間有助于元素?cái)U(kuò)散，因此變形量為20%、30%、40%試樣的過(guò)渡層距離均大于未變形試樣。

2.4 雙金屬?gòu)?fù)合材料界面結(jié)合機(jī)理分析與討論

雙金屬材料界面過(guò)渡層的形成是由液態(tài)銅澆注在固態(tài)鋼表面過(guò)程中產(chǎn)生浸潤(rùn)和漫流［10］，隨后元素相互擴(kuò)散共同實(shí)現(xiàn)，對(duì)其結(jié)合機(jī)理進(jìn)行以下兩階段分析討論。

2.4.1 潤(rùn)濕過(guò)程

液相銅澆注于預(yù)熱的鋼板上，可使銅與鋼板表面發(fā)生浸潤(rùn)和漫流行為，銅與鐵的原子間距離足夠產(chǎn)生物理吸附作用。液相銅受表面張力趨勢(shì)，液滴與接觸平面之間的切線與接觸面之間的夾角θ稱為接觸角［11］，其力學(xué)關(guān)系表達(dá)式如下式。

式中，σ氣固為空氣與基體金屬間的界面張力［11］；σ液固為液態(tài)金屬與基體金屬間的界面張力［11］；σ氣液為空氣與液態(tài)金屬間的界面張力［11］。為提高結(jié)合界面潤(rùn)濕效果，應(yīng)使θ接觸角減小，由式（1）可知，可降低σ液固和σ氣液。本文通過(guò)預(yù)熱基體鋼板使鐵原子的激活能提升，降低σ液固，打破界面力學(xué)關(guān)系的平衡，使液態(tài)銅澆注在固態(tài)鋼表面過(guò)程中產(chǎn)生浸潤(rùn)和漫流。

2.4.2 擴(kuò)散過(guò)程

由于固液澆注復(fù)合過(guò)程溫度較高，可激活液相銅原子和基體表面原子，提高其原子激活能，使固相和液相相互接觸發(fā)生擴(kuò)散，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，結(jié)合面逐漸增大，元素?cái)U(kuò)散距離隨之增大。擴(kuò)散過(guò)程主要由高溫?zé)嵩春蜐舛忍荻裙餐饔茫?0］，銅、鐵等原子在固液相結(jié)合界面處發(fā)生擴(kuò)散，且優(yōu)先在表面和結(jié)合界面處進(jìn)行。圖4為變形量20%時(shí)結(jié)合界面和表面處的EDS能譜圖，由圖4可發(fā)現(xiàn)，譜圖1和譜圖2處的鐵、銅等元素在結(jié)合界面及表面發(fā)生明顯擴(kuò)散，這是由于在結(jié)合界面和表面處能量較晶粒內(nèi)部高，可給予足夠的驅(qū)動(dòng)力使元素充分?jǐn)U散。

圖4 變形量20%時(shí)結(jié)合界面和表面處的EDS能譜圖Fig.4 EDS Energy Spectra at Binding Interface and Surface under 20% Deformation Amount

3 結(jié)論

（1）由于壓縮量較小，形變量20%和30%的復(fù)合材料，銅側(cè)保持一定鑄態(tài)組織，形變量為40%時(shí)銅側(cè)顯微組織為α單相組織，存在部分等軸晶粒及少量孿晶組織，隨變形量增大，銅側(cè)及鋼側(cè)晶粒尺寸均逐漸減??；隨變形量增加，硬度增大，40%變形量下，材料各側(cè)晶粒均得到顯著細(xì)化，因此其硬度最高；

（2）在不同變形量下，F(xiàn)e、Cu元素在界面過(guò)渡層連續(xù)分布，F(xiàn)e元素從鋼側(cè)到過(guò)渡層含量逐漸減少，由過(guò)渡層到銅側(cè)急劇降低；Cu元素變化趨勢(shì)與鐵元素相反，隨變形量的增加，過(guò)渡層距離逐漸增大，F(xiàn)e、Cu元素?cái)U(kuò)散程度提高，變形量為40%時(shí)，擴(kuò)散距離可達(dá)17 μm；

（3）銅/鋼固-液復(fù)合雙金屬材料界面過(guò)渡層的形成是由液態(tài)銅澆注在固態(tài)鋼表面過(guò)程中產(chǎn)生浸潤(rùn)和漫流，隨后元素相互擴(kuò)散共同實(shí)現(xiàn)。