多層金屬復合材料研究現狀

     隨著科學技術的發展和進步，對材料的性能要求也越來越高，傳統材料由于結構單一，綜合性能不夠突出，難以滿足對多性能耦合要求的服役環境。但是由多種不同性能的材料通過物理或者化學方法結合制備而成的復合材料，既能保持各組元材料獨特的性能，也能取長補短，產生協同效應，使新制備的復合材料綜合性能遠優于各組員材料的性能，從而滿足不同復雜工況的要求。自然界中也有很多類似的結構，軟/硬相結合的多層結構可以提高其強度硬度的同時也能有很好的韌性。下圖為貝類外殼的層狀結構。 

 

圖1貝類外殼顯微結構

 

    由于異種金屬多層結構的復合材料具有優良的物理、化學、力學性能而受到了越來越廣泛的關注。例如zhang^[1]等學者采用軋制和退火工藝制備了一種Ag/Cu雙金屬多層復合材料，經過冷軋之后，Cu層會產生明顯的纖維狀組織，而Ag層為模糊的等軸晶組織。退火后，不同組織層中出現了不同程度的再結晶，而且Cu層和Ag層之間有互擴散現象發生，并且Cu在Ag層中的擴散更加明顯。

 

圖2復合材料經過室溫軋制（左）400℃退火4.5h（中）800℃退火4.5h（右）顯微結構

 

    而su^[2]等學者研究發現退火處理后的AA1050/AA6061板材經過累積軋制的超細晶多層復合材料在不同道次下界面會呈現不同特征，初始三個道次內，不同鋁合金母材基本上能夠同步協調變形，但是當軋制次數變多時，AA6061界面就會發生頸縮，斷裂，最終發生界面紊亂。

 

圖3復合材料經1道次（左）3道次（中）5道次（右）疊軋后顯微照片

 

圖4界面形態發展示意圖初始狀態（左）低循環變形（中）高循環變形（右）

 

    Liu^[3]等人通過溫軋制備了Mg/Mg和Mg/Al/Mg多層復合材料，并對不同下壓量下微觀組織組織的變化和性能做了相關研究，結果發現，400℃的直至溫度下，Mg/Al/Mg臨界下壓量為20%，遠低于Mg/Mg的臨界值。當變形量在40%時，Mg層均發生了動態再結晶，同時，在溫軋過程中，由于界面結合時間較短，在界面中沒有形成Mg-Al金屬間化合物。而當下壓量在35%時，Mg/Mg和Mg/Al/Mg多層復合材料均達到很高的抗拉強度。

 

圖5Mg/Mg30%壓彎率（左）Mg/Al/Mg30%壓彎率（中）Mg/Mg50%壓彎率（右）彎曲試驗

 

    目前，針對多層金屬復合材料的研究多集中于低熔點、低強度、變形匹配性好、延展性好、強度差異不大的兩種或多種純金屬及其合金材料的復合，它們容易進行變形和相互協調變形，能夠形成界面連續的多層復合材料。例如，鋁-鋁、鋁-銅、鋁-鎳、鋁-鈦、銅-鈮、鋁-鎂，鋁-鋼等。如果多層復合材料組元的力學性能差異過大或者組元變形能力很差勢必會影響復合材料整體的協調變形，對界面的結合質量也提出了更高的要求。目前的重點研究方向在于制備變形能力及力學性能優異的多層金屬復合材料。

 

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    [1] L. Zhang et al. Behaviors of the interface and matrix for the Ag/Cu bimetallic laminates prepared by roll bonding and diffusion annealing. [J] Materials Science & EngineeringＡ,2004,371(1-2):65-71.

 

    [2] Su L et al. Ultrafine grained AA1050/AA6061 Ultrafine grained AA4050/AA6061 composite produced by accumulative roll bonding. [J] Materials Science and Engineering A 2013,559:345-351.

 

    [3] Liu C Y, et al. Microstructures and mechanical properties of Mg/Mg and Mg/Al/Mg laminated composites prepared via warm roll bonding [J]. Materials Science & EngineeringＡ,2012,556:1-8.