多层金属复合材料研究现状

    随着科学技术的发展和进步，对材料的性能要求也越来越高，传统材料由于结构单一，综合性能不够突出，难以满足对多性能耦合要求的服役环境。但是由多种不同性能的材料通过物理或者化学方法结合制备而成的复合材料，既能保持各组元材料独特的性能，也能取长补短，产生协同效应，使新制备的复合材料综合性能远优于各组员材料的性能，从而满足不同复杂工况的要求。自然界中也有很多类似的结构，软/硬相结合的多层结构可以提高其强度硬度的同时也能有很好的韧性。下图为贝类外壳的层状结构。

 

 

图1贝类外壳显微结构

 

    由于异种金属多层结构的复合材料具有优良的物理、化学、力学性能而受到了越来越广泛的关注。例如zhang^[1]等学者采用轧制和退火工艺制备了一种Ag/Cu双金属多层复合材料，经过冷轧之后，Cu层会产生明显的纤维状组织，而Ag层为模糊的等轴晶组织。退火后，不同组织层中出现了不同程度的再结晶，而且Cu层和Ag层之间有互扩散现象发生，并且Cu在Ag层中的扩散更加明显。

 

图2复合材料经过室温轧制（左）400℃退火4.5h（中）800℃退火4.5h（右）显微结构

 

    而su^[2]等学者研究发现退火处理后的AA1050/AA6061板材经过累积轧制的超细晶多层复合材料在不同道次下界面会呈现不同特征，初始三个道次内，不同铝合金母材基本上能够同步协调变形，但是当轧制次数变多时，AA6061界面就会发生颈缩，断裂，最终发生界面紊乱。

 

图3复合材料经1道次（左）3道次（中）5道次（右）叠轧后显微照片

 

图4界面形态发展示意图初始状态（左）低循环变形（中）高循环变形（右）

 

    Liu^[3]等人通过温轧制备了Mg/Mg和Mg/Al/Mg多层复合材料，并对不同下压量下微观组织组织的变化和性能做了相关研究，结果发现，400℃的直至温度下，Mg/Al/Mg临界下压量为20%，远低于Mg/Mg的临界值。当变形量在40%时，Mg层均发生了动态再结晶，同时，在温轧过程中，由于界面结合时间较短，在界面中没有形成Mg-Al金属间化合物。而当下压量在35%时，Mg/Mg和Mg/Al/Mg多层复合材料均达到很高的抗拉强度。

 

图5Mg/Mg30%压弯率（左）Mg/Al/Mg30%压弯率（中）Mg/Mg50%压弯率（右）弯曲试验

 

    目前，针对多层金属复合材料的研究多集中于低熔点、低强度、变形匹配性好、延展性好、强度差异不大的两种或多种纯金属及其合金材料的复合，它们容易进行变形和相互协调变形，能够形成界面连续的多层复合材料。例如，铝-铝、铝-铜、铝-镍、铝-钛、铜-铌、铝-镁，铝-钢等。如果多层复合材料组元的力学性能差异过大或者组元变形能力很差势必会影响复合材料整体的协调变形，对界面的结合质量也提出了更高的要求。目前的重点研究方向在于制备变形能力及力学性能优异的多层金属复合材料。

 

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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.