金屬復(fù)合板材料強(qiáng)度的影響因素及應(yīng)用分析

愛仕達(dá)股份有限公司 楊劍博

在產(chǎn)品設(shè)計及生產(chǎn)制造中對金屬復(fù)合板材料最關(guān)注的性能指標(biāo)是強(qiáng)度，所以復(fù)合材料強(qiáng)度的影響因素始終是研究的重要課題。然而因為金屬復(fù)合板材料的強(qiáng)化機(jī)理尚未明確，目前有關(guān)金屬復(fù)合板材料的設(shè)計理論依舊存在一定的不合理和盲目性。因此，要想更好更快的促進(jìn)金屬復(fù)合板材料發(fā)展與應(yīng)用，必須不斷探索和分析影響其復(fù)合材料強(qiáng)度的主要因素。

一、影響金屬復(fù)合板材料強(qiáng)度的主要因素

（一）基材

不同強(qiáng)度材料基材對復(fù)合材料的性能指標(biāo)都有不同程度地影響，比如：抗拉強(qiáng)度、結(jié)合力還有屈服強(qiáng)度等等。然而并非基材強(qiáng)度越低，復(fù)合材料的強(qiáng)度就越低，而是存在最適合的匹配。根據(jù)有關(guān)研究成果顯示，在低強(qiáng)度的L3純鋁上能夠獲取最大的增強(qiáng)率，而在高強(qiáng)度的LY12合金上只能獲得較少的增強(qiáng)率，相比之下具有很強(qiáng)的塑性和高強(qiáng)度的LD2當(dāng)做基材時，強(qiáng)度相當(dāng)高。[1]而有些研究人員覺得基材本身強(qiáng)度不高，復(fù)合材料中基材強(qiáng)度將顯著提升，所以對基材強(qiáng)度不高的復(fù)合材料利用基材原位性能的明顯提升讓復(fù)合材料強(qiáng)度得到大幅度提升。[2]這些研究均表示基材與增強(qiáng)復(fù)合層之間有優(yōu)化選擇以及科學(xué)匹配問題。

基材合金化對復(fù)合材料的強(qiáng)度有較大影響，有研究人員研究鋁合金成分影響Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能。[3]其研究結(jié)果顯示，在鋁合金中添加Cu以及Ni，在高溫環(huán)境下抗彎強(qiáng)度提高，提高Al的體積分?jǐn)?shù)，也可以提高抗彎強(qiáng)度。還有研究人員提出Mg含量直接影響基于Al-Si-Mg合金的復(fù)合材料強(qiáng)度，將Mg徹底消除，讓此合金強(qiáng)度大大的加強(qiáng)。此外，通過適量的添加稀土元素，也可以增加復(fù)合材料強(qiáng)度，比如：通過添加稀土Ce，在一定程度上可以加強(qiáng)基材。然而現(xiàn)階段，尚未對稀土元素加強(qiáng)復(fù)合材料的原因獲得結(jié)論。

（二）增強(qiáng)復(fù)合層

在基材金屬增加增強(qiáng)復(fù)合層能夠利用對顯微組織，比如：亞結(jié)構(gòu)以及位錯組態(tài)等變化，對基材金屬性能的缺陷進(jìn)行有效彌補。增強(qiáng)復(fù)合層的重要功能是利用基材合金的微觀組織改變得以實現(xiàn)，而且其需要承受載荷，而且其對位錯的產(chǎn)生以及亞晶結(jié)構(gòu)細(xì)化有直接地影響。比如：就SiCp/AL復(fù)合材料來講，因為添加增強(qiáng)顆粒，擴(kuò)大晶界面積，在固溶處理過程中基材內(nèi)因為熱錯配造成的位錯，異號位錯彼此抵消，同號位移就會經(jīng)攀移排列成與滑移晶面保持垂直狀態(tài)的小角度晶界，進(jìn)而形成亞晶界，而且此亞晶界面積不斷擴(kuò)大。利用Hall-Petch關(guān)系式不難發(fā)現(xiàn)，亞晶界以及晶界的加大，基材合金晶粒以及亞晶結(jié)構(gòu)等細(xì)化，能夠使復(fù)合板材料的強(qiáng)度得到提升。[4]有研究人員研究結(jié)果顯示，就低強(qiáng)度鋁合金來講，要想確保金屬復(fù)合板材料的高強(qiáng)度，纖維必須有相當(dāng)長的長徑比與比較高的界面強(qiáng)度，而針對高強(qiáng)度的鋁合金，需要確保纖維有相當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度，這樣才可以確保金屬復(fù)合板材料的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)高。

（三）界面

界面是復(fù)合材料中不可或缺的重要構(gòu)成部分，對復(fù)合材料有直接地影響。金屬復(fù)合板材料綜合性能是否優(yōu)良通常受到增強(qiáng)復(fù)合層與基材之間的界面結(jié)合實際狀況影響。要想獲得不錯的強(qiáng)度，界面結(jié)構(gòu)和性能是增強(qiáng)復(fù)合層與基材性能是否可以全面發(fā)揮、形成最優(yōu)綜合性能的重點。而金屬復(fù)合板材料中許多承載體無法發(fā)揮最好性能的根本原因是溫度-時間產(chǎn)生的界面反應(yīng)，因此必須形成相對穩(wěn)定的界面結(jié)合。金屬復(fù)合板材料有著相當(dāng)復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)，界面區(qū)尺寸屬于微觀層面，很難對表征進(jìn)行合理分析，就理論層面來講，常規(guī)力學(xué)分析通常無法準(zhǔn)確得出結(jié)果。比如，增強(qiáng)復(fù)合層要想兼顧高效傳遞載荷以及避免裂紋擴(kuò)大，需要保持在最適合的界面結(jié)合狀態(tài)以及強(qiáng)度。如果界面上有臺階，除了能夠減少界面結(jié)合能，臺階還會產(chǎn)生機(jī)械互鎖效應(yīng)，造成很強(qiáng)的界面結(jié)合，對加強(qiáng)機(jī)械性能是十分有利的。反之，若界面存在脆性的金屬間化合物，就會造成比較弱的界面結(jié)合。[5]又如，連續(xù)纖維加強(qiáng)的金屬復(fù)合板材料強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度必須保持在適合的范圍內(nèi)，由于強(qiáng)界面結(jié)合很有可能產(chǎn)生界面過度反應(yīng)，最終反而導(dǎo)致纖維受到不同程度的損傷。而在界面的表面顆粒粗糙度進(jìn)行加強(qiáng)的金屬復(fù)合板材料中，不管是基材還是增強(qiáng)復(fù)合層，都是承載向強(qiáng)界面結(jié)合，進(jìn)而將表面顆粒的增強(qiáng)作用全面發(fā)揮出來?，F(xiàn)階段，界面優(yōu)化有多種方法，比如：金屬基材合金化，噴砂粗化等等。

（四）制備工藝

不同的制備方法也會導(dǎo)致復(fù)合材料體現(xiàn)出不同的性能特點。比如：高能球磨法可以讓增強(qiáng)復(fù)合層顆粒在基材均勻分布，顆粒均勻，對提升復(fù)合材料強(qiáng)度是十分有利的。但是金屬冷噴涂法制備的復(fù)合板材料中就容易出現(xiàn)偏聚增強(qiáng)復(fù)合層顆粒的情況。就原位生成制備的復(fù)合板材料來講，因為原位增強(qiáng)相除了尺寸相當(dāng)細(xì)小，也與基材有著較強(qiáng)的界面相容性，以確保該復(fù)合材料具有相當(dāng)高的強(qiáng)度。對于熱處理工藝來說，比如：淬火，就可以加強(qiáng)復(fù)合材料。淬火強(qiáng)化作用通常體現(xiàn)在兩點，一方面是因為淬火產(chǎn)生的應(yīng)力而造成的強(qiáng)化，另一方面是增強(qiáng)復(fù)合層顆粒抵抗基材塑性流動產(chǎn)生的反向應(yīng)力而造成的強(qiáng)化。經(jīng)應(yīng)力分析系統(tǒng)模擬結(jié)果顯示，冷卻速度越大，復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒越均勻分布，兩者有緊密的關(guān)聯(lián)。同時，時效也可以顯著加強(qiáng)復(fù)合作用。除此之外，復(fù)合材料強(qiáng)度還有可能受到二次加工影響。比如：熱擠壓可以使復(fù)合材料有更高的強(qiáng)度，由于復(fù)合材料通過進(jìn)行熱擠壓，顆粒分布非常均勻，位錯密度也更高，消除許多鑄造缺陷。然而如果擠壓溫度偏高，擠壓件表面很有可能出現(xiàn)橫向裂縫；如果擠壓溫度偏低，顆粒分布均勻情況一般，與高溫下擠壓有很大的差距。

二、金屬復(fù)合板材料在五金炊具行業(yè)中的應(yīng)用

相比較粉末基復(fù)合材料而言，金屬復(fù)合板材料具有諸多特點，比如：高強(qiáng)度、高彈性模量、橫向力學(xué)性能強(qiáng)、高層間剪切強(qiáng)度、耐熱性能強(qiáng)、尺寸相對穩(wěn)定、熱傳遞性能優(yōu)良以及不會放出氣體對環(huán)境造成污染等等。因此金屬復(fù)合板材料非常適合在綜合性能要求均衡的消費產(chǎn)品中進(jìn)行應(yīng)用，尤其在以民用消費品為主的五金炊具行業(yè)可以得到廣泛應(yīng)用。

利用Fe-Al基復(fù)合板材料制成適用電磁爐使用的鍋具，F(xiàn)e基層材料具有磁通感應(yīng)加熱特性，電熱轉(zhuǎn)化率高，但受熱不均勻，通過復(fù)合Al層材料的優(yōu)良熱導(dǎo)性能，將熱量均勻傳遞加熱食物，改善了單層鋼制鍋具易燒焦食物的弊病，現(xiàn)已應(yīng)用于電磁爐鍋具、IH電飯煲內(nèi)鍋等產(chǎn)品中。通過基材合金化，采用8011A鋁合金為基材的不銹鋼復(fù)合板材料能有效提高材料的抗彎強(qiáng)度，使產(chǎn)品的抗變形能力得到提升，實際生產(chǎn)應(yīng)用可以減少制品厚度，達(dá)到與1100鋁合金加厚制品相同的抗變形能力，有效減輕了產(chǎn)品重量，達(dá)到輕量化的目的，非常適合用于大口徑的炒鍋、湯鍋等較重的手持操作炊具產(chǎn)品。

用低強(qiáng)度鋁合金基材來制造高強(qiáng)度的承壓結(jié)構(gòu)時，利用增強(qiáng)復(fù)合層對復(fù)合板材料的影響因素，選用界面強(qiáng)度較高的的奧氏體不銹鋼作為增強(qiáng)復(fù)合層，可以保證承壓結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度，如高壓力鋁合金壓力鍋的牙口采用加厚結(jié)構(gòu)，在長期高壓使用環(huán)境下，仍然存在失效的情況，改用增強(qiáng)復(fù)合層為304不銹鋼的鋁合金復(fù)合板后，牙口的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提升，能有效保障高壓力壓力鍋的安全性及使用壽命。

金屬復(fù)合板材料在進(jìn)行拉深成型時，容易出現(xiàn)分層剝離，利用界面結(jié)構(gòu)對復(fù)合板材料的影響因素，提高增強(qiáng)復(fù)合層表面粗糙度，復(fù)合前通過噴砂粗化，形成具有波峰波谷的界面結(jié)構(gòu)，并除去了表層脆性的金屬氧化物，能很好的改善界面質(zhì)量，與基材復(fù)合后可以形成承載向強(qiáng)界面結(jié)合，避免了金屬復(fù)合板材料拉深成型時出現(xiàn)剝層現(xiàn)象。

對于金屬復(fù)合板材料二次加工的加工工藝的選擇，應(yīng)避免冷擠壓工藝對金屬復(fù)合材料強(qiáng)度性能的影響，如在生產(chǎn)厚薄不均的仿鑄鋁型鍋具時，有多處棱角分明的臺階，用冷擠壓工藝生產(chǎn)時，容易出現(xiàn)拉料、斷料、皺紋等缺陷，改為熱擠壓工藝生產(chǎn)后，消除大部分缺陷，良品率得到提升。

因此，在產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)中合理利用金屬復(fù)合板材料的特性，可以有效地提升產(chǎn)品性能及質(zhì)量，滿足廣大用戶的實際需求。

結(jié)語

總而言之，金屬復(fù)合板材料強(qiáng)度除了受到以上因素影響，還會受到其它因素影響，包括溫度以及環(huán)境等等。怎樣充分利用有利因素，將一些不利因素去除，以加強(qiáng)金屬復(fù)合板材料性能是需要深層次探究的問題。通過對金屬復(fù)合板材料強(qiáng)度的改善及研究，可以將其更好的應(yīng)用到五金炊具行業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)品質(zhì)量提升方面，也有利于將這種先進(jìn)的材料推廣到更多的領(lǐng)域中應(yīng)用。