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第３ｌ卷 第１期 ２ｏ０８年 １月 兵器材料科学与工程 ０ＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖ ｏｌ－３１ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．．２ｏｏ８ 轧制铝合金叠层板变形量与结合强度的关系初探 周古昕，刘玲霞，王有祁，王生，乔立 （中国兵器科学研究院宁波分院轻质材料研究所，浙江宁波３１５１０３） 摘要：叠层材料是由两种或两种以上的合金采用压力加工方法制备而成的二层或多层的复合材料。应用热轧法将两 种性能不同的铝合金轧制复合而成叠层板，采用剪切试验对不同变形量和热处理的叠层板进行结合强度试验。采用金相 显微镜．扫描电镜和能谱仪分别分析界面的结合程度及界面附近的化学组成。结果表明：变形量越大结合强度越高，热处 理后其结合强度明显提高；结合面近域区有明显元素扩散现象。 关键词：叠层；轧制复合；变形量；剪切强度 中图分类号：ＴＧ３３５．８１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—２４４Ｘ（２００８）０１—００５５—０５ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｌ ｓｔｕｄｙ Ｏ１１ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂ． 嗍ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｊｏｉｎｉ￣Ｂｔｒｅｎ｛ ｏｆ ｒｏｌｌｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｐｌａｔｅｓ ＺＨＯＵ Ｇｕ—ｘｉｎ，ＬＩＵ Ｌｉｎｇ－ｘｉａ，ＷＡＮＧ Ｙｏｕ－ｑｉ，ＷＡＮＧ Ｓｅｎｇ，ＱＩＡＯ Ｌｉ （Ｎｉｎｇｂｏ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆＣｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５１０３，Ｃｈｉｎａ） Ａｈ内咖ｃｔ：Ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｔｗｏ ｌａｙｅｒｓ ｏｒ ｍｕｈｉｌａｙｅｒ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ＯＦ ｍｏｒｅ ａＵｏｙ ． Ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｐｌａｔｅｓ ａｙｅ ｍａｄｅ ｏｆ ｔｗｏ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｂｙ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｅｎｇｔｒｈ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｐｌａｔｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｊｏｉｎｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｒｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｂｙ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｄｉｆｕｓｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｒｅａｌ＂ｊｏｉｎｉｎｇ ａｒｅａ． Ｋｅｙ ｗｉｎｄｓ：ｌａｍｉｎａｔｅｄ；ｒｏｌｌｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ；ｓｈｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｝收稿日期：２００７—０９—１８；修回日期：２００７—１１－０ｌ 作者简介：周古昕（１９６４一），男，研究员。 时，腐蚀电位提高最大，提高大约Ｏ．０８Ｖ。 Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，４４（３）：６０３－６ｌ０． ［２］Ｈａｒｕｔｏ Ｆｕｋｕｄａ ａ，Ｙａｓｕｍｉｅｈｉ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｎａ２ＳｉＯ３ ３ 结论 １）不同电流密度下．阳极表面都有微小电火花产 生，此过程不同于普通的阳极氧化。 ｏｎ ａｎｏｄｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＡ１Ｚｎ ａｌｌｏｙ ｉｎ ３ Ｍ ＫＯＨ ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２ｏｏ４。４６（５）：２１３５—２１４２． ［３］王维青，潘复生，左汝林．镁合金腐蚀及防护研究新进展［Ｊ］． 兵器材料科学与＿丁程．２ｏ０６（２９）２：７３—７７． ［４］Ｚｏｚｕｌｉｎ Ａ Ｊ，Ｂａｙｔａｋ Ｄ Ｅ．Ａｎｏｄｉｚｅｄ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ，１９９４，９２（３）：３９－４３． 『５］Ｃｈｅｎ Ｆｅｉ，Ｚｈｏｕ Ｈａｉ，Ｙａｏ Ｂｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｉｃｒｏａｒｃ ２）恒流制得的阳极氧化膜主要成分是ＭｇＯ，同 时含有ＡＩ２Ｏ，，Ｎａ４（Ａ１ＳｉＯ ）３（ＯＨ）等。随着电流的升高， 膜层中Ｍｇ、０含量逐渐减少，Ａｌ和Ｓｉ含量逐渐增加。 膜中Ａ１和Ｓｉ含量的增加可能是由于电解液成分更多 ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ＡＺ３ ｌ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ３．Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。２００７，２０１：４９０５－４９０８。 地参与了膜的形成。 ３）阳极氧化的镁合金腐蚀电流都小于没有经过 阳极氧化试样的腐蚀电流．两者相差３个数量级以上。 恒流０．０５ Ａ／ｃｍ 时，腐蚀电位提高最大，提高大约 ０．０８Ｖ。 ［６］Ｙｏｎｇｊｕｎ Ｚｈａｎｇ，Ｃｈｕａｎｗｅｉ Ｙａｎ，Ｆｕｈｕｉ Ｗａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ａｎｏｄｉｚｉｎｇ ｏｆ ＡＺ９１ Ｄ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，１６１（１）：３７— ４４． ［７］Ｈｏｕｎｇ Ｙｕ Ｈｓｉａｏ，Ｐａｕｌ Ｃｈｕｎｇ，Ｗｅｎ Ｔａ Ｔｓａｉ．Ｂａｋｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｍａｔｅｒｉｌｓ ｃｈａｒａｃｔａｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅｈａｖ— 参考文献： ［１］！ｎｏｕｅ Ｈ，Ｓｕｇａｈａｙａ Ｋ，Ｙａｎａｎｏｔｏ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｉ０Ｔ ｏｆ ａｎｏｄｉｃ ｉｆｌｍ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ＡＺ９１Ｄ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｃｏｒ－ ｒｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７，４９（２）：７８１－７９３． ． ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｎｄ ｉｔｓ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］． 维普资讯 http://www.cqvip.com
56兵器材料科学与工程第31卷随着军用战车对材料的性能提出越来越高的要求传统的单。、一活条件下发生较为稳定的热扩散间的焊合．，从而实现两种合金材料难以满足力学性能化学性能焊、、。轧后的余热将使两种合金间的原子扩散更。接性能减轻整体结构质量等综合性能要求在这种背。4j加充分从而形成良好的结合界面【景下提出了新的铝合金叠层复合材料的研制铝合金．。热轧复合工艺的关键技术是．，①物理接触形成阶叠层复合材料是由两种或两种以上物理化学力学性、、段此阶段可用裂缝机理解释即轧前板材结合面的粗。能不同的铝合金材料采用轧制复合工艺复合而成使．，糙度和去氧化皮的处理是保证较多的新鲜接触点处发生大的应力集中．得不同材料在界面上实现冶金结合，、。尽管各层合金仍、而最先开始的塑性变形形成面与面，保持各自原有的特性但其物理化学力学性能比单一间的真接触；②接触表面激活阶段即施加足够大的压力及塑性变形．材料优越得多它综合了组成材料各自的性能可相，，使金属表面能够产生大量由位错形成即通过进．互弥补各组成材料的性能的不足。，，充分发挥出各组成一的原子空位，原子可通过这些空位实现扩散使界面复一材料的特性上世纪八十年代末意大利研制出种适合；③热扩散阶段。步加热原子的扩散达，合轻型装甲车辆(AFVs)用的新型复合装甲板三。它是由到金属键结合的距离，当这种金属键结合数量足够多。种可热处理强化的铝合金板材。，用热轧法轧制复合一—时就使得层与层之间的复合强度增加基于上述理论．而成Zn—这种复合装甲板的抗弹性能比A1Mg系和Al试验采用大变形量的热轧轧制工吨双辊轧机上进行。Mg系的任何一种都高．。它的硬度韧性和强度的、艺轧制试验在．1200轧前首先对配合能防动能弹的冲击。在弹着点背面具有较强的抗，铝合金铸锭按工艺要求进行去氧化皮和除油净化处理处理后按设计好的结构进行轧制复合为了确定最．崩落能力该种材料用普通的惰性气体保护焊接可用于制造装甲车辆的构件n]，。。因此叠层材料近年来受到，佳热轧复合工艺参数研究了加热温度保温时间热．、、世界各国的普遍重视应用范围也越来越广本研究就。轧总变形量与热轧复合质量的关系研究结果表明：板。餐蹬嗍畸静奠■■■■的结合强度铝合金叠层靶啊嗄嘈l材预热温度控制在420440C保温35h热轧变形量。～0．，之问的关系进行初步探索专x．在80％以上时’．叠层板可获得较好的热轧复合质量，。专粤’根据结构设计采用不同的变形量轧制出不同厚度规．111．试验材料及试验苈法寻^格的铝合金叠层板见图lab．’、、c。13．试验方法记11ITIm。厚二层叠层板为l板235、．试验材料设计及叠虞板锭坯的制备过程mm厚二层本研究采用的是热轧复合工艺技术制备的铝合金叠层板。*叠层板为2板31、mm’厚二层叠层板为3板，每种板的试样，热轧嫩氟。嗜茸雌零萨料进行轧塑盗鎏誓油l窨i合盒鋈t材各取4个试样，采用剪切试验法中10，mm1■■■■硝■———●●——●—_一制变形使得各种材料复合在，起首先对各种铝合金。在CMT4105电子万能试验机上进行叠层板层间结合强度测试试验参照五二所企业标准进行，材料进行结构设计中一。试验所用铝合金单层板材料中其，。种为7A52装甲铝合金称为铝合金①AlZn—。另一种铝合金材料为—Mg系可焊合金．其力学性能不低，于7075铝合金塑性加工性能与7075铝合金相当焊．接性能接近或达到，7A52水平耐蚀性能与7075铝合．a1lflammm厚二层叠层板te金相当把该材料称为铝合金②试验用材料采用电炉。a—Twolayersoinadplatewith1lmmthickness熔炼，、半连续铸造工艺铸锭、“”，铸锭经均匀化处理后扒、皮确保锭坯表面无深沟痕明显的夹杂裂纹和疏松等缺陷然后按硬+软的基本组合结构配比两种铝。，。合金铸锭中间夹进行轧制复合12．l层夹层材料．以不同的轧制变形量bb—一235ra．m厚二层叠层板wTwolayersoflaminatedplateitIl235m．mhickntess。热轧复合工艺的确定高温金属塑性成形时在变形性质上类似于粘滞流体13]由此可推知两种铝合金间复合表面在剪切变形，，c一力的作用下类似于流体特性，。由于复合界面存在填加c～一3lomm厚二层叠层板ateTw0金属它们便产生粘着摩擦行为有利于复合界面间合，layersflamindplatewith31ramhickntess图1Fig1．．不同厚度的铝合金叠层板dplatesw金的固着然后以固着点为基础(或核心)在高温热激，，Laminateithdiferentkindsofthickness维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期周古昕等：轧制铝合金叠层板变形量与结合强度的关系初探57根据热扩散理论为增加叠层板界面的结合强度．，未发生塑性变形随后进入共同变形后滑区这个区域，，对热轧后的叠层板材进行了热处理460℃x2h。”即将1板进行的变形和单金属变形相似，，在轧辊和轧制材料摩擦力，的固溶处理。，120oCx24h的时效处理。热。的作用下两种铝合金均处于后滑区且与中间夹层仍。处理后取样编号为4同样用上述方法测试剪切强度存在界面摩擦区．。随着咬入的进行，，中间夹层处于前滑。叠层板界面先采用金相观察分析SIRION一，然后又采用美国，铝合金处于后滑区进入共同变形搓轧区．此后，，100、场发射扫描电镜(FSEM)、对不同轧制变，中间夹层和铝合金互相挤压嵌入实现面面复合界面摩擦消失在外摩擦的作用下中间夹层和两种铝合金，，。*形量的1∥3铝合金叠层板的结合面进行了观察同时又对1。叠层板Z(固溶态)S(时效态)状态下的结、均处于前滑区与单金属变形相似属于共同变形前滑．．合面及附近区域进行能谱分析。区。整个复合过程是，一个从接触表面向结合界面的转化过程在这个过程中两接触表面间的变形显得尤其新表面的产生将决定着整个复由图2可知2试验结果与分析l*”*板2板3铝合金叠层板剪切强度测试结果见、、重要。因为复合的发生除了取决于被复合的两种材料。本身的结构特性之外合过程的进行。表1．热处理后的叠层板试样的测试结果也在表。’1中’经轧制的1叠层板显微组织见图2。，同时列出从表经轧制的叠层板的铝合金①与中间夹层可知随着轧制变形量的增加j即由862％，．，铝合金②与、1．中间夹层之间复合的较好结合界面未发现空洞夹杂，增加至945％叠层板层间结合强度呈增加的趋势平．，和裂纹等缺陷。铝合金①的显微组织沿轧制方向呈纤m均由795N／．m。。增至9325N，mITI：同土块叠层板经．维状明显。铝合金②虽也出现纤维状组织但不如铝合金①热处理后N／mm。。．ar层间结合强度由9325N／．m。增加到112，表明在轧制过程中铝合金①的变形量大于铝合，金②但二者都获得了较好的结合界面界面为冶金结。21．不同轧制变形量对叠层板复合界面的影饷合状态所示，。2。铝合金叠层板轧制状态的显微组织如图3在轧制复合过程中，。由于所采用的铝合金的延伸，。。虽然∥铝合金叠层板的轧制变形量不如1板率和变形抗力不同属于非均匀变形其变形状态比较复杂。大但也达到％、，仍获得了较好的复合界面结合界，，轧制开始时?由于变形抗力的差异两种铝合金，。，面也未发现空洞夹杂和裂纹等缺陷也为冶金结合状态3。铝合金叠层板轧制状态的显微组织如图4所示。，材料与中间夹层开始变形的时间不同待轧制复合后，、由于中间夹层较软与上下层铝合金的延伸率有较大的差异界面间存在着摩擦同时铝合金与轧辊间的滑，，3。叠层板是三块板中轧制变形量最小的一块．为动摩擦方向不同存在前滑区后滑区和搓轧区，、、、一。般将变形区分为选择变形区共同变形后滑区共同变形搓轧区和共同变形前滑区四个不同区域[5]叠层板在轧制复合过程中夹层材料刚咬入的时候，，，。l。铝合金．强度稍低的铝合金与中间由于中间夹层材料的强度更，低变形抗力较小先发生塑性变形，，在二者界面之间存在着摩擦属于选择变形区而强度较高的铝合金尚表1Table1J．不同厚度规格铝合金叠层板层间结合强度检测结果gs。oinintrengthofaluminumalloylaminatedplateswithdiferentthickness(b)Leftisinterlay．er。．rightisaluminumalloy②图2Fig2．1叠层板icros金相组织oOpticalmtructuresf1la’minatedplate维普资讯 http://www.cqvip.com
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第1期周古昕等：轧制铝合金叠层板变形量与结合强度的关系初探卜liD处能谱分析EnergyspectrumanalysisatD罔7Fig7．．叠层板不同层面及界面附近处能谱分析sEnlaermygpectrumanalysisofdiferentsitesoninterfaceofinatedplate向夹层中扩散且离界面越远扩散量呈减少趋势。．。在b铝合金层中C处的锌的质量分子数为520％镁的质．．，降I6．．l。叠层板经同溶(见eoa)时效处理(见b)后复合界面情况、量分子数为279％：D处的锌的质量分子数为611％．．。Fig6InterfactreatmfI。laminatedplat镁的质量分子数为356％．。离界面越近锌镁含量越．、ent低从以上结果可以看出叠层板经热处理后各层中的。，合金元素在相互扩散。。这种扩散有利于结合强度的增一加试验测试结果也证明了这．点叠层板结合强度南，热处理前的9325MPa增加到热处理后的112MPa。。3结论1)该种铝合金叠层板变形量在86％以上可以较。．A处能谱分析Ener好地复合且随着轧制变形量的增加轧制结合强度星agyspectrumanalysistA增加趋势2)。铝合金叠层板轧后经热处理其各层间元素相，．互扩散但未见明显扩散层层间复合界面的微细孔洞，。和微细裂缝得到弥合或缩小3)该种铝合金叠层板轧后经热处理。层间结合强度提高了1820MP8—。参考文献B处能谱分析Energys：[1]aEttereRu，sso．铝复合装甲[J]In．ternationalDefenseReview，pectrumanalysistB198821：6．．[2]李正华生产复合板的主要方法及其特点[J]稀有金属材料．及lT程1990．。19(1)：7174—．[3]林大超赵静远金属高温成形的牯滞流体描述[J]应用力．．．学学报19907(4)：7276—．．．[4]林大超，史庆南双金属轧制复合技术及其研究的进展[J]．—．云南冶金199812(5)：3233。．．[5]李玉刚双金属复合板轧制压力计算与研究[D]沈阳：东．北大学。200lo：27281—．C处Energys能谱分析trumpecanalysisatC
