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山東大學張存生團隊:把鋼絲和鋁合金擠壓成復合材料!
發布:Iron_MAN10   時間:2020/3/31 8:24:35   閱讀:219 
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鋁合金型材由于其密度低,比強度高,耐腐蝕性優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。熱擠壓工藝是生產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,即連續擠壓纖維增強鋁基復合材料型材。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在一起進而獲得復合型材。該新工藝具有改善鋁合金型材的力學性能和功能多樣性的巨大潛力,因此引起了相關制造商和研究人員的廣泛關注。同時,纖維增強復合型材在鐵路運輸,車輛空間框架,飛機縱梁等行業有巨大應用空間。雖然現階段對復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合型材的力學性能增強機理。

山東大學張存生課題組最近研究制備了鋼絲增強復合型材,揭示了Fe/Al擴散界面的微觀結構和演化行為,探討了纖維復合材料性能的強化機理。相關論文以題為“Interface microstructure evolution and mechanical properties of the extruded fiber-reinforced aluminum-based composite bar”發表在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,通過擠壓制備成復合型材。研究發現連續擠壓過程中,存在兩種界面接觸。一種是Al/Al界面的固相鍵合和微結構復合,另一種是Fe/Al界面的鍵合和擴散。
 

圖 實驗模具裝置及設計示意圖

Al/Al界面的微孔演變與熱變形之間的關系描述如下:(1)首先,兩股金屬在焊接室內交互接觸。一方面,由于在最初的擠出階段焊合室內的空氣沒有完全排出,兩股金屬的表面被嚴重氧化;另一方面,由于存在金屬表面粗糙和原始焊接力的不穩定,所以沒有形成結合界面,導致界面上出現大量的氧化物和微孔;(2)隨著金屬繼續填充以及焊合溫度逐漸穩定,焊合界面上的微孔減少,氧化膜碎裂并在鋁基質中的溶解;(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)擠壓逐漸進入平穩階段,微孔最終消失。
 

圖1 焊合界面微觀結構和SEM圖像


圖2 Al/Al焊合界面處的晶粒結構的EBSD圖像

Fe/Al界面的組織演變與熱變形之間的關系描述如下:(1)當鋁基體與鋼絲接觸時,導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定性,鋼絲附近保留了較多微孔;(3)在擠壓變形的作用下,Fe/Al界面上形成了Fe/Al擴散區,但在穩定的擠壓階段沒有形成穩定的金屬間化合物。
 

圖3 鋼絲和鋁基之間的粘結界面


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合材料機械性能。鋼絲對抗拉強度的提高不明顯和復合型材的伸長率較低是因為鋼絲的股之間存在相當大的間隙以及Fe/Al界面的狀態不良。復合型材與鋁合金棒的機械性能的差異取決于纖維性能,纖維類型和粘結狀態。

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合型材,材料的機械性能將大大提高。


來源:材料科學網
 
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