鋼 / 鋁固液界面反應(yīng)物及其形態(tài)

     鋼 / 鋁異種金屬固 / 液界面反應(yīng)物及其形態(tài)對(duì)鋼 / 鋁異種金屬焊接接頭的力學(xué)性能有著直接的影響。反應(yīng)產(chǎn)物是決定接頭力學(xué)性能本質(zhì)因素，而反應(yīng)物的形態(tài)對(duì)界面的細(xì)觀力學(xué)行為有著重要的影響。很多學(xué)者研究表明，鋼/ 鋁固液作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生層狀分布的金屬間化合物，這些金屬間化合物主要是以 Fe 原子和 Al 原子的反應(yīng)擴(kuò)散生成，故有學(xué)者也將固液反應(yīng)產(chǎn)物稱之為界面反應(yīng)層。

1.1  金屬間化合物的類型

     Fe-Al相圖表明，  Fe 與  Al 可以形成五種金屬間化合物，分別是 Fe 3 Al、 FeAl 、 FeAl 2 、 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 .但是這些金屬間化合物并非全部會(huì)在固 / 液面上形成。

     20世紀(jì) 50 年代，專家等人指出  Fe/Al 固液反應(yīng)過(guò)程中生成的金屬間化合物主要是 Fe 2 Al 5， 專家等人進(jìn)一步通過(guò) XRD 分析證實(shí)了這一結(jié)論。專家采用透射電鏡對(duì)低合金鋼與含鐵飽和的液態(tài)鋁之間的固液界面反應(yīng)研究表明，界面上不僅生成了 Fe 2 Al 5 ，還有少量的 FeAl 3 存在，這一結(jié)論也被國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者所確認(rèn)。專家采用純鐵進(jìn)行熱浸 蘸試驗(yàn)，最終確定界面層的結(jié)構(gòu)分布為 Fe/Fe 2 Al 5/ FeAl 3/ Al。國(guó)內(nèi)外由很多學(xué)者采用低碳鋼作為實(shí)驗(yàn)材料也得到了相同的結(jié)論。因此，這一結(jié)論已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外研究者的公認(rèn)。

     雖然，國(guó)內(nèi)外其他學(xué)還發(fā)現(xiàn)了其他的反應(yīng)產(chǎn)物，例如：專家同樣采用低碳鋼進(jìn)行試驗(yàn)， XRD 分析卻發(fā)現(xiàn)界面上不僅有 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ，還有 Fe 3 Al存在；專家等人采用能譜分析中碳鋼與純鋁界面反應(yīng)層，發(fā)現(xiàn)界面上既有 Fe 2 Al 5， 又有呈矩形狀 FeAl 2 產(chǎn)生。專家等人同樣采用中碳鋼進(jìn)行浸蘸試驗(yàn)， XRD 結(jié)果卻顯示僅有 Fe 2 Al 5生成；湖北工業(yè)大學(xué)專家采用 XRD 分析指出， 45 # 鋼與純鋁的固液界面上不但有 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ，還有少量的  FeAl 有 Fe 4 Al 13 和 Fe 2 Al。但是，這些產(chǎn)物是否存在還有很大的爭(zhēng)議，而且就其報(bào)道的文獻(xiàn)看來(lái)，證據(jù)并不充分，不能令人完全信服。

1.2  金屬件化合物的形態(tài)及其影響

      專家得到的 Fe 2 Al 5 的形態(tài)如圖示， Fe 2 Al 5 與 Fe 的界面及其不規(guī)則，呈舌狀或指狀嵌入鋼內(nèi)。者與其他學(xué)者所得到的結(jié)果也是一致的。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，這種形態(tài)是由于 Fe 2 Al 5 晶體結(jié)構(gòu)在 c 軸方向上具有較大的空位濃度導(dǎo)致的，已有學(xué)者認(rèn)指出， Fe 2 Al 5 的晶格結(jié)構(gòu)在 c 軸方向上的空位可達(dá)到 30% ，較高的空位濃度會(huì)導(dǎo)致元素?cái)U(kuò)散的各向異性，進(jìn)而影響 Fe 2 Al 5 在垂直于界面層方向上的生長(zhǎng)速度。然而，專家認(rèn)為這種指狀形態(tài)時(shí)因?yàn)橹楣怏w對(duì)界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)具有障礙作用，但這一解釋很快被專家的研究所否定。專家都指出， Fe 2 Al 5/ FeAl3 界面與 FeAl 3/ Al界面在一定程度上也呈現(xiàn)出不規(guī)則狀態(tài)，但相比 Fe 2 Al 5/ Fe界面要平坦很多。隨著反應(yīng)溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁基體中會(huì)出現(xiàn)游離的針狀或塊狀 FeAl 3， 這是由于 Fe 在鋁中的固溶度基本為零，所以高溫時(shí)溶解在液態(tài)鋁中的 Fe 在冷卻過(guò)程中只能以 FeAl 3 的形式析出。

     專家認(rèn)為反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間會(huì)會(huì)影響金屬間化合物形態(tài)。隨溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)， Fe 2 Al 5 的指狀波動(dòng)幅度會(huì)逐漸減弱，而 FeAl 3/ Al界面的波動(dòng)程度會(huì)逐漸增加，鋁基體中游離的 FeAl 3 也會(huì)逐漸增多。一般認(rèn)為，界面形態(tài)存在一定的波動(dòng)幅度，會(huì)對(duì)接頭力學(xué)性能產(chǎn)生非常有利的影響。