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鋼 / 鋁固液界面反應物及其形態(tài)

     鋼 / 鋁異種金屬固 / 液界面反應物及其形態(tài)對鋼 / 鋁異種金屬焊接接頭的力學性能有著直接的影響。反應產物是決定接頭力學性能本質因素，而反應物的形態(tài)對界面的細觀力學行為有著重要的影響。很多學者研究表明，鋼/ 鋁固液作用過程中會產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 原子的反應擴散生成，故有學者也將固液反應產物稱之為界面反應層。

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在固 / 液面上形成。

     20世紀 50 年代，專家等人指出  Fe/Al 固液反應過程中生成的金屬間化合物主要是 Fe 2 Al 5， 專家等人進一步通過 XRD 分析證實了這一結論。專家采用透射電鏡對低合金鋼與含鐵飽和的液態(tài)鋁之間的固液界面反應研究表明，界面上不僅生成了 Fe 2 Al 5 ，還有少量的 FeAl 3 存在，這一結論也被國內外很多學者所確認。專家采用純鐵進行熱浸 蘸試驗，最終確定界面層的結構分布為 Fe/Fe 2 Al 5/ FeAl 3/ Al。國內外由很多學者采用低碳鋼作為實驗材料也得到了相同的結論。因此，這一結論已經得到了國內外研究者的公認。

     雖然，國內外其他學還發(fā)現(xiàn)了其他的反應產物，例如：專家同樣采用低碳鋼進行試驗， 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層，發(fā)現(xiàn)界面上既有 Fe 2 Al 5， 又有呈矩形狀 FeAl 2 產生。專家等人同樣采用中碳鋼進行浸蘸試驗， XRD 結果卻顯示僅有 Fe 2 Al 5生成；湖北工業(yè)大學專家采用 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，這些產物是否存在還有很大的爭議，而且就其報道的文獻看來，證據并不充分，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。者與其他學者所得到的結果也是一致的。多數(shù)學者認為，這種形態(tài)是由于 Fe 2 Al 5 晶體結構在 c 軸方向上具有較大的空位濃度導致的，已有學者認指出， Fe 2 Al 5 的晶格結構在 c 軸方向上的空位可達到 30% ，較高的空位濃度會導致元素擴散的各向異性，進而影響 Fe 2 Al 5 在垂直于界面層方向上的生長速度。然而，專家認為這種指狀形態(tài)時因為珠光體對界面反應層的生長具有障礙作用，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。隨著反應溫度的升高、反應時間的延長，鋁基體中會出現(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，所以高溫時溶解在液態(tài)鋁中的 Fe 在冷卻過程中只能以 FeAl 3 的形式析出。

     專家認為反應溫度和反應時間會會影響金屬間化合物形態(tài)。隨溫度的升高和時間的延長， Fe 2 Al 5 的指狀波動幅度會逐漸減弱，而 FeAl 3/ Al界面的波動程度會逐漸增加，鋁基體中游離的 FeAl 3 也會逐漸增多。一般認為，界面形態(tài)存在一定的波動幅度，會對接頭力學性能產生非常有利的影響。