（理论物理专业论文）钢铝轧制复合界面化合物的抑制机理研究.pdf

i；、矗弋 一 j ， 0 ： j t h e or e t i c a lp h y s i c s l i l lp l ri r li i r lr il liil y 1716 3 9 6 s t u d yo ni n h i b i t i o nm e c h a n i s mo f i n t e r f a c ec o m p o u n d si ns t e e l - - a l u m r o l l i n g b y c a oy o n gz e 、 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i u j i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 ，、 i ( ，、 霉， j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嗜匀 ：， 一 ； 一7 一 一， ， ， 匆5 。三：j ， ：算：”j ：，。，：。二： i j ：。一；“，、0 ，：、三警* “髦：* 。o 。，劳，、? 。，。、二 南o ；? ? 。j 一 。“，。+ ：； 一”， 节? ? ，? 。2 。，；。一 ? j4 l ，、 麓? ： i 。 一：。”“7 ，? ：? l ，奠冀：0 慧l o o p 二m 级? 施。羁二：袅- j 妻，：二，i t 。铀二 图3 4s p l 2 不同保温时问退火金相图片( 最高温度3 5 0 。c ) f i g 3 4m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r e so f a n n e a l e ds p l 2f o rd i f f e r e n tk e e p i n gt e m p e r a t u r et i m e ( m a x i m u mt e m p e r a t u r ei s3 5 0 ) a - o 5 h ，b - 1 5 h ，c - 2 5 h ，d 4 h 通过以上4 幅金相图片的观察，我们发现界面处几乎没有金属间化合物的生 成，a ，b ，c ，d 金相图片没有大的区别。钢晶粒都几乎没有恢复，还处于被拉 长的状态。 通过对上面两种热处理结果的分析，作者认为金属间化合物的生成不需要保 温时间，只要到达一定的温度，金属间化合物就会瞬间生成。金属间化合物随着 保温时间的增加而增加。而钢的再结晶不但需要一定的温度( 大约是钢熔点的 1 3 ) ，而且需要一定的保温时间，再结晶不能瞬间完成。因此，热处理温度要选 2 4 东北大学硕士学位论文 第3 章热处理实验结果分析 择钢能实现再结晶的温度底线，热处理的保温时间要选择钢刚好能实现再结晶的 保温时间，保温时间过短，可能导致钢没实现晶格恢复，保温时间过长，可能导 致生成的界面金属间化合物过多，钢在再结晶之后，晶粒再次长大，既钢的晶粒 形状由拉长变圆形，在变大的过程，使复合板的硬度降低。 3 45 3 0 保温1h 热处理界面金相组织特征 取料为d c l ，d c 2 ，s p l 1 ，s p l 2 ，s p 2 1 ，s p 2 2 。金相图片如下： 图3 5 不同材料相同热处理的金相图片( 最高温发5 3 0 。c ，保温1 小时) f i g 3 5m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l si nt h es a n l eh e a tt r e a t m e n ts y s t e m ( m a x i m u mt e m p e r a t u r ei s5 3 0 c ，k e e p i n gt e m p e r a t u r et i m ei slh o u r ) a d c i ，b - d c 2 ，c s p l - l ，d - s p l 2 ，e - s p 2 1 ，f - s p 2 2 东北大学硕士学位论文第3 章热处理实验结果分析 通过以上金相图片，我们测得a 界面金属间化合物平均厚度为1 2 肛肌，b 界 面金属间化合物平均厚度为1 5p m ，c 界面金属间化合物平均厚度为1 1j l l 聊， d 界面金属间化合物平均厚度为1 1 t m ，e 界面金属间化合物平均厚度为 8 5j l l m ，f 界面金属间化合物平均厚度为9p 聊。我们能发现，低碳钢的晶粒已 经恢复很完全。但是只有d c 2 的化合物几乎全被抑制了，d c l ，s p l 1 ，s p l - 2 ， s p 2 1 ，s p 2 2 都生成很多金属间化合物。而对于元素硅来说，d c 2 是含硅5 ， 而d c l 是含硅1 ，说明硅元素在抑制金属间化合物生成起到了作用。含5 硅 的复合板复合效果比含1 硅的复合板复合效果好。d c 2 的钢中含碳，锰，硅等 微量元素较0 8 f 钢少，就是说我们制备的低碳钢纯度较高，杂质较少，这有利于 抑制界面金属间化合物的生成。d c 2 的复合效果好，也说明钢的纯度对复合起 到了一定的作用。 由于含s i1 的s p l 1 和s p 2 1 的界面金属间化合物厚度平均值为1 1 m ， 而含s i5 的s p 2 1 和s p 2 2 界面金属间化合物平均厚度为8 7 5j l l 聊。这也充分 说明含硅5 的复合板复合效果比含硅l 的复合板复合效果好。 对纯铝和低碳钢的复合板做了实验，金相图片如下： 图3 6 热处理的金相图片( 最高温度5 3 0 。c ，保温时间1 h ) f i g 3 6m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r eo fh e a tt r e a t m e n t f m a x i m u mt e m p e r a t u r ei s5 3 0 c ，k e e p i n gt e m p e r a t u r et i m ei slh o u r ) 2 6 东北大学硕士学位论文 第3 章热处理实验结果分析 界面金属间化合物平均厚度为1 6l a m 。金属间化合物的厚度是含硅5 d c 2 复合板的1 0 倍多，因此，说明硅元素在抑制金属间化合物的生成起到了关键作 用。 通过上面的数据，以d c l ，d c 2 和纯铝为例。可以画出铝板中硅含量与金属 间化合物的厚度的关系图： s i ( w e i g h t ) 图3 7 铝板中硅含量与金属间化合物的厚度的关系图 f i g 3 7t h er e l a t i o n s h i pp i c t u r eb e t w e e nt h es i l i c o nc o n t e n ti na l u m i n u mb o a r d sa n dt h e t h i c k n e s so fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s 在图中可以看到，铝中含硅量的增加可使金属间化合物的厚度急剧下降，在 0 。1 s i 含量区间，金属间化合物的厚度下降趋势较为迅猛。以后再增加硅量， 则合金层厚度下降趋势减慢，但是对界面金属间化合物的抑制作用依旧明显。当 铝板中s i 含量大于5 时，硅的抑制效果就不再明显了。而且当铝板中的硅含量 大于5 时，铝板的加工性能明显降低，脆性加大，不适合于冷轧复合。当进行 冷轧复合时，在大的压力作用下，铝板容易出现开裂现象。 2 7 东北大学硕士学位论文第3 章热处理实验结果分析 3 54 5 0 。c 保温1h 热处理界面金相组织特征 金相图片如下： 图3 8 不同材料相同热处理制度下的金相图片( 最高温度4 5 0 * ( 2 ，保温1 小时) f i g 3 8m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r e so f d i f f e r e n tm a t e r i a l si nt h es a m eh e a tt r e a t m e n ts y s t e m ( m a x i m u mt e m p e r a t u r ei s4 5 0 c ，k e e p i n gt e m p e r a t u r et i m ei s1h o u r ) a - d c l ，b - d c 2 ，c - s p l - l ，d - s p l 2 ，e - s p 2 - l ，f - s p 2 2 通过以上金相图片，发现d c l ，d c 2 ，s p 2 1 ，s p 2 2 金属间化合物几乎没有生 成，而s p l - l ，s p l 2 有金属间化合物生成，而且s p l 2 比s p l 1 多很多。 s p 2 - l ，s p 2 2 是含5 硅的复合板，而s p l 一l ，s p l 2 是含1 硅的复合板，再次说 明含5 硅的复合板复合效果好。从金相图中，也能看到钢的晶粒没有实现再结 晶，但是有所恢复，比退火前的晶粒有所变小。此次，热处理也说明在4 5 0 。c 时， 2 8 东北大学硕士学位论文 第3 章热处理实验结果分析 金属间化合物就已经生成，但是钢在4 5 0 ，保温1 小时的情况下，并没有实现 再结晶。s p l 2 比s p l 1 生成的界面金属间化合物多的原因：s p l 2 在轧制复合 时，经过了1 次回火处理，在回火处理中，使得铝原子和铁原子的互扩散速度变 快，增加了铝铁原子之间的接触点，因此，在热处理时，s p l 2 就比s p l 1 生成 的金属间化合物多。在进行轧制复合时，回火处理对抑制界面的金属间化合物的 生成是不利的。 2 9 3 6 不同起始温度保温2 h 热处理界面金相组织特征 金相图片如下： 图3 9s p l 1 不同温度卜保温2 小时的金相图片 f i g 3 9m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r e so f s p l - 1f o r2 h o u r si nd i f f e r e n tk e e p i n gt e m p e r a t u r e s a - 3 5 0 ，b - 4 5 0 ，c - 5 3 0 第3 章热处理实验结果分析 间化合物生成，b 界面金属间化 合物的厚度为5 7 m ，c 界面金属间化合物的厚度为1 0 1 4 l m 。温度越高， 界面的金属间化合物就越多。b 的复合情况是最好的，钢的晶粒实现了再结晶， 而且界面的金属间化合物的量也不是很多。 通过以上数据，我们能画出保温温度与界面金属间化合物厚度的关系图： i n s u l a t i o nt e m p e r a t u r e ，k 图3 1 0 保温温度与界面金属间化合物厚度的关系图 f i g 3 10t h er e l a t i o n s h i pp i c t u r eb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo fk e e p i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e t h i c k n e s so fi n t e r f a c i a li n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s 对s p i 1 进行保温2 小时热处理时，从上图可以发现，随着温度的升高，界 面金属间化合物的厚度快速增加。保温温度和界面金属间化合物的厚度几乎成一 条直线。保温温度的选择对控制界面金属间化合物的生成是致关重要的。因此， 保温温度要选择钢晶粒能实现再结晶的最低温度，并且进行适当时间的保温。这 样才能使界面金属间化合物的厚度最小。 3 l 东北大学硕士学位论文第3 章热处理实验结果分析 对本实验的铝板进行腐蚀观察金相图片为： 图3 1 1 材料d c i 铝板腐蚀金相图片 f i g 3 1lm e t a l l o g r a p h i cp i c t u r eo f c o r r u p t i v ea l u m i n u mb o a r do f m a t e r i a ld c l 从金相图片，可以观察到硅原子向界面集中，成现的是圆形，颗粒状。作者 认为，硅元素的加入使得铁铝原子间的互相扩散变的缓慢。化合物的形成是个先 扩散，再反应的过程，硅元素抑制了铁铝的扩散，也就相当于抑制了界面金属间 化合物的生成速度。 3 7 最佳热处理方案 本实验选用热处理方案3 。材料选择d c 2 。理由：钢实现了再结晶，界面的 金属间化合物生成的也很少，在容许范围内。这样的板材可以再进行深加工，生 产在实际中能应用的产品。 3 8 本章小节 通过多次退火实验研究找到了最佳的退火制度及复合成功的钢铝复合板。退 火制度选择在室温加热l 小时到3 0 0 ，再加热3 0 分钟到达5 3 0 ，5 3 0 保温 l 小时，样品于保温棉里冷却至室温。材料选择d c 2 ，低碳钢( 杂质较少) ，铝 中含硅5 。d c 2 经过以上退火后，界面生成金属间化合物厚度平均值为1 5 m ， 而且，钢的晶粒得到了恢复和再结晶，提高了钢铝复合板的硬度和再加工性能。 3 2 耘 t 铬 $ 匕合物的抑制机理研究 u 机理研究 在退火过程中主要有金属间的物理扩散和化学反应发生。物理扩散和化学反 应都和退火的温度，基体的材料属性有密切的关系。 4 1 铁和铝的扩散现象 a l 向f e 中的扩散过程可用图4 1 来表示。其过程是铝原子沿铁晶界扩散， 同时与铁反应形成富铝相金属间化合物，然后铝原子由新形成的化合物通过晶界 向铁晶粒内扩散与晶界内铁原子反应形成化合物，即铝在铁相中的扩散是伴随着 金属间化合物的形成而进行的，所以是一个扩散反应过程。其结果是在铁铝界 面靠近铁的- n 形成凡，么厶富铝相层。由于铝板和钢板各处成分均匀，退火温度 各处也相等，所以金属间化合物的生成是连续的，并且成层状分布，通过上面金 相图片可以看出【2 4 。2 8 1 。 r m 7、 lf 学 、 r e a 1 、 ， a 1 a l 叫弋。 ， a l 叫 釜k t ， _ _ _ _ o _ -k 辫辍耱触晡 东北大学硕士学位论文第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 4 2 铝硅合金中铝和硅原子扩散难易程度分析 金属的扩散难易程度取决于扩散热的大小。 扩散热( 或激活能) 决定原子从一平衡位置移到另一平衡位置时所须克服的 势垒。因此，可以用扩散热来表示金属扩散的难易程度。 在1 9 3 6 年，布加科夫根据金属扩散的实验结果的考查，发表过一个思想。 q 与原子尺寸的关系以公式 q = a r 2( 4 1 ) 表示。q 为扩散热，a 是一个常数，r 是扩散金属的原子半径。通过上式，我们 可以发现，当各种金属在同一其他金属中扩散时，基体金属自扩散的扩散能q 可能并非是最大的：当扩散金属的原子半径比基体金属的原子半径大时，便会出 现此金属的扩散热比基体金属的扩散热大。但是，之后所发表的关于金与铜自扩 散的数据，以及一系列金属在铜中扩散的数据都指明，扩散金属的原子即使比基 体金属的原子大，自扩散的扩散热还是最大的。把基体金属原子体积与扩散金属 的原子体积之差作为畸变的因素： q = 厂( v o y )( 4 2 ) 圪是基体金属每克原子体积，v 是扩散金属的每克原子体积。同时，上式只能 取体积差的绝对值。通过布加科夫的实验，引用各种金属在铅，金，银中扩散的 数据。基体金属与扩散金属的原子体积差( v o y ) 越小则q 越大，当一v = o 时， 在自扩散的情况中，q 值最大【2 9 1 。 因为铝硅合金中硅含量较少，所以铝的在铝硅合金中的扩散可以认为是自扩 散，主要以成对换位的形式扩散，硅在铝硅合金中的扩散认为是硅在基体铝金属 中的扩散，通过上面的理论分析，清楚地知道硅的扩散热要小于铝的扩散热。也 就是硅比铝在铝硅合金中扩散更加容易。按照布加科夫的有关结论，我们可以得 出硅在铝硅合金中的扩散系数比铝在铝硅合金中的扩散系数大得多，只有在接近 熔点的温度时，这两种扩散的数值才相同。 反应扩散，是指在固态扩散过程中伴有相变发生的扩散。本实验就有反应扩 散发生。 我们将本实验的反应扩散分为两个阶段： 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 1 、表向金属a l ，f e 和s i 之i 刚的反厦生成一定相的阶段。 2 、由于金属a 1 ，f e 和s i 的扩散使界面金属间化合物长大的阶段。 反应扩散的两个阶段都有自己的速度。阶段1 的速度就是表面上金属的反应 速度，它决定于反应条件与反应时间，特别是温度，生成热，表面的金属结构， 表面金属的接触情况等。阶段2 的速度决定于金属a 1 ，f e 和s i 平常的扩散系数。 由于上面已经证明s i 在铝硅合金中的扩散热小于a l 在铝硅合金中的扩散热，也 就是s i 的扩散系数大于a 1 的扩散系数，所以硅向界面的扩散速度快。也就是铝 硅合金内部的硅要先于等量的铝原子到达复合界面与铁原子反应，生成铁硅化合 物。 4 3 铁和铝原子在铁铝化合物中的扩散系数 在制定退火工艺制度时，应当对铁和铝原子在扩散过程中的迁移速度拥有必 要的可靠的数据。里亚博夫等人利用示踪原子方法测定了铁和铝在f e a i 系各金 属间化合物相中的扩散系数。结果得出铁本身及铁在金属间化合物相f e ，a l ， f e a l ，f e a l 2 ，如彳，5 和f e a l 3 中的扩散系数与温度的关系式如下： q r = 1 5 e x p ( 一百6 2 4 0 0 ) ( 4 3 ) d f e a 如= 0 0 0 l e x p ( 一3 7 k 7 y 0 0 ) ， ( 4 4 ) 鸽= 0 0 0 4 e x 一3 7 k 7 0 0 ) ( 4 5 ) ，2 = o 0 2 e x p ( 一1 4 3 0 _ ) 0 0 ( 4 6 ) 如= o 0 2 e x p ( 一i ) ( 4 6 ) ，= o 6 e x p ( 一百4 8 0 0 0 ) ( 4 7 ) 一，= o 0 4e x p ( 一1 3 9 8 r 0 0 ) ( 4 8 ) 3 5 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 表4 1 铁在各金属间化合物中在不同温度下的扩散系数( c m 2i s ) t a b l e4 1t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fi r o ni nt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s _ 8 5 1 0 - 5e x p ( 一等) ( 4 9 ) ，= 1 7 4 1 0 2e x p ( 一百2 5 1 0 0 ) ( 4 1 0 ) ，2 = 3 9 9 1 0 3 e x p ( - 等) ( 4 如= 8 9 1 0 - 4e x p ( 2 8 k 0 y 0 ，0 ) ( 4 1 2 ) t a b l e4 2t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to f a li nt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 东北大学硕士学位论文第4 章界面金属问化合物的抑制机理研究 所得数据表明，随着化合物中铝含量的提高，扩散系数并无规律性的变化， 大小基本没有大的变化。这一事实显然与各金属间化合物相结构的特性有关。其 中铝在凡：4 ，5 中具有较大的扩散系数3 0 1 。 4 4f e - a l 化合物的特点 f e a 1 二元相图： l 图4 2f e a i 二元相图 f i g 4 2d i a g r a mo ff e a ib i n a r yp h a s e 从图中可以看出，a l 和f e 不仅可以形成固溶体，金属间化合物，还能形成 共晶体。随着铝中铁含量的增加，会出现以下金属间化合物：f e a l 3 ，f e ，4 厶， 刚，f e a l ，凡，彳，。f e a 1 金属间化合物的主要特点是脆性大，塑性和韧性 差，抗拉强度低。由于f e a l 金属间化合物有以上特点，我们就要抑制金属间化 合物的生成。铁铝金属问化合物属于波色欧莱依德型化合物3 1 。3 2 1 。铁铝金属间化 合物以体心立方为基本结构，其性质也随着结构的变化而变化。 在有关的相关文献中指出，化合物f e a ：相是亚稳态相。因此，它旦形成 3 7 东北大学硕士学位论文第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 就会反应生成凡2 4 t , 卉1 1 t 3 0 , 3 3 1 ： 3 f e a ，2 = f e ( a ，) + 尸e 2 彳毛 ( 4 1 3 ) 4 5 铝板中硅元素的影响 由于铝中加入了硅，在退火的时候，不仅改变了合金层生长的动力学，而且 也改变了合金层的组织结构。 作者认为，在钢铝复合板制备中，不仅要考虑金属间化合物的厚度问题，还 要考虑硅含量问题及其加工性和脆性。如果铝中含有6 以上的硅时，对于铝板 的冷轧是很困难的。因此，为获得良好的加工性，作者认为硅含量在3 到6 之间为最合适。 铝中加入硅能显著阻碍铝向钢基体中扩散，而且也使钢表面的铁原子难于扩 散到铝中。硅与铁形成固溶体和化合物，能使铝的扩散系数减小。但在铝中的硅 为0 2 5 ( 原子) 时，f e s i 固溶体的生成热为8 3 7 j m o l ，而f e a l 固溶体生成 热为6 2 8 j m o l 。这就说明首先生成f e s i 固溶体的可能性。这种f e s i 合金对铝 向铁基体中扩散会造成阻碍。 半导体硅的膨胀系数介于f e 和a l 之间，且与a l 有较大的固溶度，缓和钢 与铝由于膨胀系数的差异而造成的应力集中，硅原予的大小也在a l 和f e 之间， 和a l 原子相近，硅原子就有可能分布在钢与铝交界的晶界处，从而阻碍f e 与 a l 之间的互相扩散，从而抑制心么厶金属间化合物的生长【3 4 3 5 1 。 在国外，硅对钢铝复合的作用也有不同的解释：n i c h o l l s 3 6 1 认为，硅原子替 代了叩一m , f e ：相的结构空间位置，7 7 一, 4 t , f e ：相能使钢铝界面的铝原子有很好的 扩散效果，这点已经被h e u m a n n 和d i t t r i e v h 3 7 】证实。l a i n e r 和k u r a k i n 3 8 认为， 在含硅的铝带中有心彳，。瓯相生成，心彳l r 。照相生长的速率比r - a t , 心慢很 多。这两种观点都表明，硅抑制了钢铝复合界面的金属间化合物的生成。 4 6 钢铝复合热力学分析 4 6 1f e ai 界面能的计算 应用m a t e r i a ls t u d i o 软件，f e 取体心立方晶体，a l 取面心立方晶体。f e 取 ( 1 0 0 ) 晶面与a i ( 2 0 0 ) 晶面搭配构成界面。通过计算和文献的查找得出，这 3 8 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属问化合物的抑制机理研究 种界面的错配度是最小的，界面能是最大的，因此本文利用这种搭配方式构成的 界面为基础来进行后续计算工作。 界面匹配方式存在2 种n - - j 能( a b b a 型和a b a b 型) 如图： 幽4 3f e a i 界曲模型l ( a b b a 型)图4 4f e a i 界曲模型2 ( a b a b 型) f i g 4 3f e a ii n t e r f a c i a lm o d e ll ( a b b at y p e ) f i g 4 4f e a ii n t e r r a c i a lm o d e l2 ( a b a bt y p e ) 对上面的两种模型进行结构优化之后，通过计算得到模型1 和模型2 的能量 分别为1 4 7 5 7 1 3 1 6 e v 和1 4 7 5 6 4 9 4 7 e v 。能量越低结构越稳定，因此作者将对第1 个模型进行计算，模型l 有3 2 个原子。 f e a l 界面结合能用来表示f e ，a l 形成界面结构时两者之间相互作用的大 小。界面结合能与界面的原子结构，电子结构密切相关，因此是控制f e a i 界面 结构和性能的一个非常重要的量【3 9 4 0 1 。 对于一个给定的双晶体界面结构，界面结合能可以由以下方法获得：系统总 的能量e 可以表达为以下三部分之和：e = e 。+ 巨+ 巨2 。此处：e ，和巨分别为界 面两侧两个晶体的能量，巨：为界面结合能。e ，e ，和e 2 可以直接应用c a s t e p 软件计算获得，最后求解界面结合能巨：。 e l+e 2+ e 1 2 图4 5 结合能的计算 f i g 4 5c a l c u l a t i o no fb i n d i n ge n e r g y + e 11 l 么 s i 元素的影响： 表4 3 加入s i 前后的模型能量 t a b l e4 3t h em o d e le n e r g yo f b e f o r ea n da f t e ra d d i n gs i 由上表可知，s i 替代a l 原子后比替代f e 原子后模型能量低。所以微量元素 s i 在f e a 1 界面处有a l 占位倾向，使体系更稳定，更有利于界面的结合。s i 替 代f e 原子后的模型能量比替代前的模型能量高，所以s i 原子没有替代f e 原子 的可能。 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 4 6 3 冷轧钢铝复合板退火时的热力学分析 首先了解下f e a l 化合物的物理性质： 表4 4 各种f e a l 金属间化合物的物理性质 t a b l e4 4t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f v a r i o u sf e - a ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s f e - a 1 化合物 分子量分子中原子 略晦 熔点( k ) 数 ( c m 3 m 0 1 ) f e 3 a l 1 9 4 5 344 8 6 38 3 8 18 31 f e a i 8 2 8 224 1 4 1 7 7 71 3 7 6 f e a l 2 1 0 9 7 93 3 6 6 08 4 0 1 4 31 f e 2 彳毛 2 4 6 5 573 5 2 2 8 6 0117 3 f e a l 3 13 6 7 6 43 4 1 9 8 6 51 4 3 3 在钢铝复合板退火过程中，各种f e a l 金属间化合物的生成自由能，可由下 列经典的热力学公式计算 3 0 , 4 1 删 a g o = 崩品8 一丁岛8 式中a g o 标准状态下f e a l 化合物的生成自由能； 鲥砖。标准状态下f e a 1 化合物的生成焓； 磷。标准状态下f e a l 化合物的熵变值； 卜绝对温度。 各种化合物标准状态下的生成焓可从有关的热力学手册中查得。 温度区间：2 9 3 k 9 3 3 k ( 9 3 3 k 为铝熔点) 4 1 表4 5 不同铁铝化合物的生成焓 t a b l e4 5t h eg e n e r a t i n ge n t h a i p yo fd i f f e r e n tf e - a ic o m p o u n d s f e a l 化合物 f e 3 a i 胡袅8 ( j m 0 1 ) 5 7 1 9 1 6 9 f e a l 4 8 4 8 3 1 4 f e a l 2 8 1 6 4 2 1 2 凡2 彳毛 2 0 1 6 3 6 2 9 f e a l 3 l l1 3 6 8 8 8 f e a l 金属间化合物的标准熵值，如下表： 表4 6f e a i 金属间化合物的标准熵值 东北大学硕士学位论文第4 章界面金属问化合物的抑制机理研究 表4 7f e a l 化合物的生成自由能与温度的关系 t a b l e4 7t h er e l a t i o nb e t w e e nf e a ic o m p o u n d sg e n e r a t i n gf r e ee n e r g ya n dt e m p e r a t u r e f e a l 化合物 a g oj m o l 铝化物 a g oj m o l 铝 f e a l 2 8 1 6 4 2 + 1 0 7 5 t - 4 0 8 2 1 + 5 3 8 t 在铝原子饱和状态下，生成的自由能随温度的变化曲线： o 5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 - 2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 3 5 0 0 0 4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 3 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 t e mp er a t ur et ( k ) 图4 7 生成的自由能随温度的变化曲线 f i g 4 7a f u n c t i o nc u r v eo f t h ef r e ee n e r g yg e n e r a t e da sc h a n g a b l et e m p e r a t u r e 从热力学的观点看，最先形成的f e a l 系化合物应当是f e a i 相，其次是 f e a l z ，f e 2 彳，5 和f e a l 3 相。而如彳，相在温度高于7 1 9 k 以上不可能形成，因为 这时心彳，相的生成自由能为正值。其中f e a l 2 为亚稳态的，当提高温度时， 3 f e a l 2 = f e 2 彳毛+ 刚， 4 3 心品8 = - 5 0 4 0 9 0 7 j m o l ( 4 1 5 ) 一ioe，r一，oq x6jmc09jl 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属问化合物的抑制机理研究 形成的f e - a 1 化合物会与铝继续反应，其生成顺序为刚，一f e a l 2 心彳厶f e a l 3 。 如表4 8 所示。 表4 8 各种f e a l 化合物与铝反应的自由能变化 f e a l f e a l + a l = f e a l 2 。3 315 9 + 5 9 9 t f e a l 22 f e a l 2 + a l = f e 2 彳毛 3 8 3 5 2 + 2 0 9 3 t f e 2 a 1 5 f e 2 a l s + a l = 2 f e a l 3 2 11 0 0 - 8 6 3 t 表4 9 各种f e s i 化合物的热力学数据 按照上面同样的计算方法计算其生成的自由能与温度的关系，硅的绝对熵值 取1 8 9 8 j ( m 0 1 k ) ，如表4 1 0 。 表4 1 0f e s i 化合物生成的自由能与温度的关系 t a b l e4 10t h er e l a t i o nb e t w e e nf e s ic o m p o u n d sg e n e r a t i n gf r e ee n e r g ya n dt e m p e r a t u r e f e - s i 化合物 a g oj m 0 1 硅化物a g oj m 0 1 硅 f e 3 s i f e 5 s 屯 8 4 9 9 2 - 2 4 2 8 t 8 4 9 9 2 2 4 2 8 t 2 4 4 5 0 9 - 3 1 9 6 t8 1 5 1 7 1 0 6 5 t f e s i8 0 3 8 7 + 3 8 6 t 一8 0 3 8 7 + 3 8 6 t 一8 0 3 8 7 + 0 2 3 t4 0 1 9 4 + 0 1 2 t 抑制机理研究 ，如下： 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 t e m p e r a t u r et ( 岣 图4 8 生成的自由能随温度的变化曲线 f i g 4 8a f u n c t i o nc u l n eo ft h ef r e ee n e r g yg e n e r a t e da sc h a n g a b l et e m p e r a t u r e 可以看出f e s i 化合物的生成顺序心所如甄一f e s - f e 观，即硅含量从低 向高的方向进行。前3 种f e s i 化合物的生成自由能的负值最大，且比任何的 f e a l 化合物的生成自由能值也负得多。因此从热力学角度来看，可以认为，在 进行退火处理时，在钢铝复合界面最先形成的是各种f e s i 化合物。最先形成的 f e s i 化合物层阻碍了铁与铝原子的相互扩散，使得金属间化合物得到了抑制【3 0 l 。 4 5 t a k e d a 和m u t a z a k i 给出了铝铁硅可能形成的化合物列表【4 5 1 。如表4 11 。 表4 1lf e a i s i 界面化合物 t a b l e4 11i r e - a i s ii n t e r f a c i a lc o m p o u n d s 化学式 组成成分( 重量百分比) f ea l； f e 3 s t 2 a 1 3 5 5 心瓯彳，1 2 4 l - 9 f e 6 s i 5 a 1 9 4 2 1 f e s i 2 a 1 3 2 8 9 f e 6 s i 6 a t 5 3 8 1 2 9 1 2 6 6 4 0 5 3 6 6 4 1 9 4 6 0 5 6 3 1 8 4 1 7 6 2 1 2 2 9 1 1 6 o 1 4 6 面金属间化合物的抑制机理研究 e 1 e m e n tw e i g h t a t o m i c t | f 1；l a 1k 。1 5 4 1 6 。：7 0 薪一 f ek 4 5 8 4。2 9 0 3| 一| 丽j 丽矿 图4 9 纯铝复合4 5 0 c 保温2 h 金相图 f i g 4 9m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r eo fp u r ea l u m i n u mc o m p o u n d k e e p i n g4 5 0 * ( 2f o r2 h 罐 图4 1 0 纯铝复合3 5 0 。c 保温4 h 金相图 f i g 4 10m e t a l l o g r a p h i cp i c t u r eo fp u r ea l u m i n u mc o m p o u n d k e e p i n g3 5 0 cf o r4 h 4 7 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 通过扫描电镜的成份分析，f e 和a l 原子比为2 比5 ，所以我们可以断定纯 铝复合生成的界面金属化合物为凡：么乇。 葛 。? 7 ? 。“ 。q 。”。4 a ： ， 。 1 。 。 。之 麓 _ 4 一 一 j ；。一。、j 。 。 j e 1 e m e n tw e i g h t a t o m i c l lr i | a lk51 5 4 1 6 8 5 3 j 呻c 【，i ： ；s ik i 0 5 31 0 6 8 f f ef 涵4 7 9 3 。7 ，一 | i ：i t o r a ls i i l0 0 o 一0 一 r 4 f “u翌。一 一一j 卜f j3 r 一! i ”8 9 一南i ! ：u i s o i - 3 扛r y “j u i 。- = 5k ：o r 呐l “ b 、。 。， 猡 t ! j h ： 日_ - _ * 一o “h _ ，o “h _ l e 】e l di c a 1k5 7 1 2 2 f， s v ：l u 啪ls ik1 8 9 fk i i ；t o ts10 0 0 0 a 。 l 一j 1 玉 i ? jj 了) 。j ，0 。；。1 j 1 j ? - 鼬一_ ! 削：f j t ，i i 再t 正，f ：1 ，0 t _ o 图4 1 l 不同含硅量的铝板复合 保温3 h 金相图 4 1 l 4 5 0 l 一5 4 8 东北大学硕士学位论文第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 a 和b 是相同退火制度，只是含s i 量不同，a 含硅1 ，b 含硅5 。可见b 中生成的金属间化合物比a 中少很多。s i 在抑制金属间化合物生成方面起到了很 大的作用。a 和b 中的f e 和a l 原子比约为2 比5 。所以金属间化合物可以认为 是凡2 彳厶。 4 8 线扫描的研究结果 b 。 图4 1 2d c 2 不同保温时间扫描金相图片( 最高温度3 5 0 c ) f i g 4 12s c a n n i n gm e t a l l o g r a p h i cp i c t u r e so f d i f f e r e n tk e e p i n gt e m p e r a t u r et i m eo fd c 2 ( m a x i m u mt e m p e r a t u r ei s3 5 0 。c ) a - 8 h b - 4 h 反应扩散的特点是能够形成浓度不变的区域，即各相中不存在浓度梯度，反 应在成分分布曲线上，则各化合物相所含元素分布曲线应为平台状，而固溶体区 域为不同斜率的斜线。从a 和b 可以看出，3 5 0 。c 退火4 个小时时，f e a i 间开始 发生互扩散，形成铁铝固溶体相。当退火8 个小时时，a i f e 间的互扩散开始加 剧，但是并没有生成金属间化合物，也只是形成铁铝固溶体相。通过铁铝浓度 东北大学硕士学位论丈 第4 章界面金属间化合物 梯度可以看出，在没有金属间化合物生成的情况下，铁、铝原子的 一样。 4 9 界面结合强度的测定 钢板面和铝板面的线切割距离为l m m 。进行拉伸实验就可以 面的结合强度。试样宽度统一为2 0 m m 。 拉伸方向 线切割 线切割拉伸方向 图4 1 3 界面结合强度的测量方法 f i g 4 13t h e t e s tm e t h o do fi m e r f a c i a lb i n d i n gi n t e n s i t y 退火方案1 的s p i - i 的结合强度测定如图： 3 0 匹 呈 o 图4 1 4s p l 1 的界面结合强度 f i g 4 14t h ei n t e r f a c i a lb i n d i n gi n t e n s i t yo fs p 1 一l l 样不保温，2 ! 保温l o 分钟，3 一保温5 分钟，4 撑保温1 5 分钟，5 撑保温2 0 分钟 从上面的实验数据发现：5 群界面的结合强度最低，l 群最高。说明界面的金属 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 间化合物的厚度在大于2 微米的时候，界面的金属间化合物越多，界面的结合强 度越低。 5 3 0 。c 保温1 h ，不同材料的界面结合强度测定如图： 3 0 仍 苫t a 2 0 t 0 图4 1 5 不同试样相同退火制度的界面结合强度测定 f i g 4 15m e n s u r a t i o no fi n t e r f a c i a lb i n d i n gi n t e n s i t yo fd i f f e r e n ts a m p l e s i nt h es a m ea n n e a l i n gs y s t e m 通过图4 1 5 可以看出d c 2 界面的结合强度是4 1 2 5 m p a ，是所有材料中结合 强度最高的，复合效果优于其余材料。在成分的选定方面是成功的。 5 1 东北大学硕士学位论文 第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 4 10 钢铝界面金属间化合物的生长模型 b c a lf e d e f 一) 羹 、 了 。、 面 - 界 一 一 一兰 一 二 东北大学硕士学位论文第4 章界面金属间化合物的抑制机理研究 步扩散时，f e a l 3 相又转变为f e z a