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鋼 / 鋁固液界面反應物及其形態

     鋼 / 鋁異種金屬固 / 液界面反應物及其形態對鋼 / 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，國內外其他學還發現了其他的反應產物，例如：專家同樣采用低碳鋼進行試驗， XRD 分析卻發現界面上不僅有 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，發現界面上既有 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及其影響

      專家得到的 Fe 2 Al 5 的形態如圖示， Fe 2 Al 5 與 Fe 的界面及其不規則，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。多數學者認為，這種形態是由于 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出不規則狀態，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。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。