變形量對銅/鋼固-液復合雙金屬材料結合界面影響研究

馮丹竹，胡筱旋，于明光

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

隨著工業的發展，對工藝技術及材料性能的 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代工業。金屬復合板材因兼有復層材料的特殊性能，又有基層材料的強度和剛度而得到廣泛應用［1］。銅作為一種常用材料，因其具有良好的導電導熱性、延展性、耐蝕性等而廣泛應用［2］。采用銅/鋼復合不僅可發揮原有基體特性，通過結合界面的相互作用使復合材料不但兼顧鋼的硬度及銅側的耐蝕性及導電導熱性等［3］，還可大幅降低成本，因此，廣泛應用于航空、工程機械、建筑工程、海上石油和天然氣鉆井平臺等領域，其應用前景廣闊。目前，銅/鋼復合制備工藝可分為三種：固-固相復合、液-液相復合和固-液相復合［4］。固-液相復合法因其成本低廉，操作簡單，結合界面良好，可實現雙金屬材料的連續化生產而得到廣泛應用。銅/鋼雙金屬復合材料的性能主要取決于界面結合狀態。良好的界面結合可有效均勻分布材料內應力，減少應力集中，并能有效地傳遞應力載荷等信息［5］。為此，本文研究了不同變形量對固液澆注復合制備的銅/鋼雙金屬復合材料結合界面顯微組織、性能、元素分布等的影響，為指導實際生產、提高復合材料質量提供依據。

1 試驗材料及方法

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

表1 試驗材料的主要成分（質量分數）Table 1 Main Compositions in Test Material（Mass Fraction） %

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

將模擬試樣進行鑲嵌、研磨、拋光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕，通過光學顯微鏡對雙金屬復合材料結合界面處顯微組織進行觀察，采用掃描電鏡對界面微觀結構及成分分布進行分析，通過顯微硬度計測試界面結合層的顯微硬度，以評價復合材料在外力加載時所表現抵抗彈塑性變形的能力。

2 試驗結果與分析

2.1 不同變形量下復合材料的顯微組織

圖1為不同變形量下復合材料結合界面顯微組織形貌。圖1（a）和圖1（b）為形變量20%和30%的結合界面組織，由于壓縮量較小，銅側保持一定鑄態組織，呈樹枝狀，枝晶較粗大，鋼側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%的結合界面組織和銅側微觀形貌，銅側顯微組織為α單相組織，存在部分等軸晶粒及少量孿晶組織，這是因為純銅為面心立方結構［6］，滑移系多，更容易產生滑移［7］，由于變形量增大，提高銅內部應力，在某些晶界處的滑移臨界切應力超出了孿晶的臨界切應力進而產生了形變孿晶［7］。呈現該種孿晶組織，一方面與金屬晶體結構有關，一方面可能與受力方式有密切的聯系［8］。鋼側組織為板條馬氏體，由于變形量增大，銅側及鋼側晶粒尺寸均顯著減小。

圖1 復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 不同變形量下復合材料的硬度

圖2為不同變形量下復合材料維氏硬度，由圖2（a）可知，在不同變形量下鋼側到結合界面維氏硬度顯著降低，由結合界面到銅側，硬度繼續降低直至曲線平緩。隨變形量的增加，復合材料的鋼-結合界面-銅的硬度均獲得一定量的增大。圖2（b）為復合材料各側的平均硬度，發現40%變形量較0%變形量鋼側平均硬度提高了61%，結合界面提高了36%，銅側提高了30%。復合材料經過變形發生塑性形變，使位錯滑移、纏結，晶粒破碎、細化，提高材料變形抗力，導致硬度提高，同時晶粒的細化也起到細晶強化作用。雙金屬復合材料經不同程度變形，晶粒破碎程度和形變量不同［9］，位錯密度存在差異，導致塑性變形抗力不同，表現為隨變形量增加，硬度增大，40%變形量下，材料 各側晶粒均得到顯著細化，因此其硬度較高。

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

2.3 不同變形量下復合材料結合界面元素分布

圖3為復合材料在不同變形量下經線掃描獲得的界面及過渡層Fe、Cu元素擴散曲線。由圖可知，在不同變形量下，Fe、Cu元素在界面過渡層連續分布，Fe元素與Cu元素在此處有細微的波動可能是擴散伴隨著Fe、Cu元素的化合反應所致。Fe元素從鋼側到過渡層含量逐漸減少，由過渡層到銅側急劇降低；Cu元素由銅側-過渡層-鋼側的元素分布變化趨勢與鐵元素相反，Fe、Cu元素的擴散趨勢均呈“X”型。

圖3 不同變形量下復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，過渡層距離逐漸增大，Fe、Cu元素擴散程度提高，變形量為40%時，擴散距離可達17 μm，這是由于形變過程可驅使空位被原子填補，促進元素的擴散及界面的結合。此外，試樣形變前均于900℃，保溫180 s，高溫下保溫一定時間有助于元素擴散，因此變形量為20%、30%、40%試樣的過渡層距離均大于未變形試樣。

2.4 雙金屬復合材料界面結合機理分析與討論

雙金屬材料界面過渡層的形成是由液態銅澆注在固態鋼表面過程中產生浸潤和漫流［10］，隨后元素相互擴散共同實現，對其結合機理進行以下兩階段分析討論。

2.4.1 潤濕過程

液相銅澆注于預熱的鋼板上，可使銅與鋼板表面發生浸潤和漫流行為，銅與鐵的原子間距離足夠產生物理吸附作用。液相銅受表面張力趨勢，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］，其力學關系表達式如下式。

式中，σ氣固為空氣與基體金屬間的界面張力［11］；σ液固為液態金屬與基體金屬間的界面張力［11］；σ氣液為空氣與液態金屬間的界面張力［11］。為提高結合界面潤濕效果，應使θ接觸角減小，由式（1）可知，可降低σ液固和σ氣液。本文通過預熱基體鋼板使鐵原子的激活能提升，降低σ液固，打破界面力學關系的平衡，使液態銅澆注在固態鋼表面過程中產生浸潤和漫流。

2.4.2 擴散過程

由于固液澆注復合過程溫度較高，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生擴散，隨著擴散的進行，結合面逐漸增大，元素擴散距離隨之增大。擴散過程主要由高溫熱源和濃度梯度共同作用［10］，銅、鐵等原子在固液相結合界面處發生擴散，且優先在表面和結合界面處進行。圖4為變形量20%時結合界面和表面處的EDS能譜圖，由圖4可發現，譜圖1和譜圖2處的鐵、銅等元素在結合界面及表面發生明顯擴散，這是由于在結合界面和表面處能量較晶粒內部高，可給予足夠的驅動力使元素充分擴散。

圖4 變形量20%時結合界面和表面處的EDS能譜圖Fig.4 EDS Energy Spectra at Binding Interface and Surface under 20% Deformation Amount

3 結論

（1）由于壓縮量較小，形變量20%和30%的復合材料，銅側保持一定鑄態組織，形變量為40%時銅側顯微組織為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，銅側及鋼側晶粒尺寸均逐漸減小；隨變形量增加，硬度增大，40%變形量下，材料各側晶粒均得到顯著細化，因此其硬度最高；

（2）在不同變形量下，Fe、Cu元素在界面過渡層連續分布，Fe元素從鋼側到過渡層含量逐漸減少，由過渡層到銅側急劇降低；Cu元素變化趨勢與鐵元素相反，隨變形量的增加，過渡層距離逐漸增大，Fe、Cu元素擴散程度提高，變形量為40%時，擴散距離可達17 μm；

（3）銅/鋼固-液復合雙金屬材料界面過渡層的形成是由液態銅澆注在固態鋼表面過程中產生浸潤和漫流，隨后元素相互擴散共同實現。