2006年--外文翻譯--鋁銅復(fù)合板中斷裂機(jī)制、冷軋結(jié)合后結(jié)合鍵強(qiáng)度對(duì)于復(fù)合板界面的影響（譯文）

1、<p><b>　　中文4930字</b></p><p>　　出處：Chen C Y, Chen H L, Hwang W S. Influence of interfacial structure development on the fracture mechanism and bond strength of aluminum/copper bimetal plate[J]

2、. Materials transactions, 2006, 47(4): 1232-1239.</p><p>　　鋁銅復(fù)合板中斷裂機(jī)制、冷軋結(jié)合后結(jié)合鍵強(qiáng)度對(duì)于復(fù)合板界面的影響</p><p>　　Chih-Yuan Chen, Hao-Long Chen, Weng-Sing Hwang</p><p>　　本文目的是研究鋁銅復(fù)合板中斷裂機(jī)制、冷軋結(jié)合后結(jié)合

3、鍵強(qiáng)度對(duì)于復(fù)合板界面的影響。本文中的鋁銅復(fù)合板經(jīng)過(guò)冷軋和不同的燒結(jié)條件制成隨著燒結(jié)時(shí)間、溫度的上升，鋁銅復(fù)合板的結(jié)合力先上升至最大值，隨后又降低。隨著燒結(jié)溫度、時(shí)間的增加，復(fù)合界面結(jié)構(gòu)也在變化。復(fù)合界面層主要由Al2Cu、AlCu、Al3Cu4和Al4Cu9組成。這些金屬間化合物層的形成和厚度的積累大多會(huì)促成脆性的擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合板材結(jié)合力的弱化。隨著界面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，復(fù)合板斷裂機(jī)理逐漸由韌性轉(zhuǎn)變成脆性斷裂。最近的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合材

4、料的結(jié)合力下降時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的可肯達(dá)爾效應(yīng)。</p><p><b>　　1、引言 </b></p><p>　　近年來(lái)，銅鋁、銅銀、鋁鎳、鈦鋼等復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越受到青睞。它們經(jīng)常會(huì)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的力學(xué)性能和位錯(cuò)抗性。達(dá)到冶金結(jié)合的銅鋁復(fù)合材料經(jīng)常被用在導(dǎo)電行業(yè)中，例如高直流總線系統(tǒng)的過(guò)渡段。因此材料的結(jié)合性對(duì)電學(xué)性能有著很大影響。但是從冶金學(xué)的角度來(lái)看，鋁

5、和銅實(shí)際上是兩種并不匹配的金屬，因?yàn)樗鼈冊(cè)?20攝氏度以上加熱時(shí)，在彼此間高的擴(kuò)散親和力作用下界面上會(huì)生成脆性、高電阻的金屬間化合物。</p><p>　　因此，熔焊工藝不適合用于連接銅鋁兩種金屬。這種復(fù)合材料可以使用固態(tài)焊接法制備，例如爆炸焊接、摩擦攪拌焊、擴(kuò)散連接、交角擠壓等。然而在眾多方法中，制備大尺寸復(fù)合板材最為經(jīng)濟(jì)高效的方法還是軋制復(fù)合法。軋制復(fù)合法是一種比較完善并且被廣泛應(yīng)用于不同金屬間的復(fù)合的方法。

6、相對(duì)于熱軋復(fù)合，冷軋復(fù)合法具有以下優(yōu)勢(shì)：第一、冷軋復(fù)合法制備的復(fù)合板材的每層厚度都比較均勻；第二，在軋制時(shí)冷軋板材的表面質(zhì)量更好，并且含氧率相對(duì)更低，這使得冷軋復(fù)合法更適合于制備鋁銅這樣的韌性復(fù)合材料。在冷軋過(guò)后，通常會(huì)再經(jīng)過(guò)一次退火熱處理來(lái)增加復(fù)合板材界面結(jié)合力。后續(xù)的熱處理工藝既決定結(jié)合強(qiáng)度，又決定材料的力學(xué)性能。</p><p>　　前期的一些調(diào)查結(jié)果顯示，銅鋁復(fù)合板生產(chǎn)中前期的工藝參數(shù)對(duì)于產(chǎn)品最終性能有非

7、常重要的影響。這些工藝參數(shù)包括表面處理、壓下量、軋制溫度、熱處理溫度和時(shí)間，它們都顯著影響著結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)一些以前對(duì)于軋制復(fù)合法冶金結(jié)合機(jī)理的研究，在冷軋前用鋼絲刷清潔銅、鋁板表面是一種非常有效的表面處理方式，因?yàn)檫@樣清理表面能夠最大程度去除表面污漬，并使原材料獲得了良好的表面粗糙度；冷軋中大壓下量可以提供大的形變能從而得到更穩(wěn)定的結(jié)合；選用更合適的軋制溫度也可以提升結(jié)合力。有一些關(guān)于軋制法制備銅鋁復(fù)合板的研究表明，熱處理過(guò)程中發(fā)生的界

8、面反應(yīng)，即界面間相變和可肯達(dá)爾孔的形成是復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生差異的主要因素。隨著熱處理時(shí)間、溫度的增加，可肯達(dá)爾效應(yīng)越來(lái)越明顯，可肯達(dá)爾孔洞聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致擴(kuò)散層結(jié)合變?nèi)酢?lt;/p><p>　　本研究使用冷軋復(fù)合法制備銅鋁復(fù)合板，通過(guò)不同熱處理方法得到不同結(jié)構(gòu)的界面。本研究的目標(biāo)是研究不同熱處理方法，諸如溫度、加熱時(shí)間對(duì)銅鋁復(fù)合板界面力學(xué)性能的影響。研究界面變化和斷裂機(jī)理間的關(guān)系為控制工藝參數(shù)的制定提供了信息和參

9、考。</p><p><b>　　2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程</b></p><p>　　2.1制備銅鋁復(fù)合板</p><p>　　本研究中用到的銅板是軟銅C11000，初始長(zhǎng)寬高為300650.8mm，鋁板為軟鋁AA1050，初始長(zhǎng)寬高是300652mm，詳見(jiàn)表1。冷軋復(fù)合使用實(shí)驗(yàn)室用200噸冷軋軋機(jī)進(jìn)行。軋輥輥頸400mm，軋制速度10m/min。在軋制

10、前，銅、鋁板在空氣中進(jìn)行化學(xué)清洗和機(jī)械拋光以獲得干凈光滑的表面。將未軋制的板材包裹起來(lái)并在室溫下軋制。</p><p><b>　　2.2材料的表征</b></p><p>　　在200、300、400、500溫度下對(duì)復(fù)合板樣本進(jìn)行熱處理，加熱時(shí)間15-90分鐘不等。退火過(guò)程中溫度偏差不超過(guò)2。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)使用剝離實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定銅鋁

11、復(fù)合板的界面結(jié)合力。剝離試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖2。剝離試驗(yàn)使用英斯特朗公司的拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，其上配備50KN承重傳感器，拉拔速度為10mm/min。最終剝離強(qiáng)度用平均拉力除以板帶寬度得到。斷裂剝離強(qiáng)度可以用以下公式得到：</p><p>　　式中，為斷裂剝離強(qiáng)度（N/cm），為斷裂拉力（N），為測(cè)試樣本寬度（cm）。</p><p>　　剝離強(qiáng)度測(cè)試之后，本實(shí)驗(yàn)研究了在冷軋壓下量57%時(shí)復(fù)合界面形

12、貌和剝離強(qiáng)度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Hitachi S-4100）觀察不同樣本在剝離之后的界面形貌；使用X射線衍射儀（GID，Rigaku D/MAX2500）分別探測(cè)復(fù)合板剝離后銅板、鋁板上的金屬間化合物，掃描速率3/min；使用波長(zhǎng)色散分光計(jì)（WDS）來(lái)觀確定金屬結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)情況；使用場(chǎng)發(fā)射電鏡觀測(cè)樣本的裂紋擴(kuò)展路徑，研究斷裂機(jī)理。</p><p><b>　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論</

13、b></p><p>　　3.1銅板、鋁板的復(fù)合</p><p>　　之前的研究將薄膜理論視為金屬間初步復(fù)合的主要理論以此解釋金屬間初生相的形成。兩塊金屬板之間的反應(yīng)主要涉及以下三個(gè)階段：（1）擴(kuò)展物理接觸；（2）接觸過(guò)程中激活表面；（3）復(fù)合的金屬開(kāi)始發(fā)生相互作用。圖3展示了這種冷軋中的薄膜理論。在軋機(jī)的較大壓力下，脆性的硬化層和在表面處理過(guò)程中生成的氧化層會(huì)碎成小段或小片，于是干

14、凈的新生金屬表面裸露出來(lái)，在軋制擠壓的作用下和另一塊板的金屬部分相互吸引連接。這樣兩塊板就產(chǎn)生了機(jī)械鎖定和原子親和從而相互連接。在本研究中，裸露出的銅和鋁通過(guò)擠壓、脆性層的碎裂達(dá)到了非常穩(wěn)定的結(jié)合，如圖4。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋁只有在表面脆性層碎裂后才能與銅達(dá)到良好的結(jié)合。為了達(dá)到更穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)合，增加有效結(jié)合區(qū)的數(shù)量非常必要的。圖5的（a）-（c）展示了經(jīng)過(guò)三種不同壓下量軋制剝離后，銅一側(cè)的SEI和BEI圖像。顏色較暗的部分是有效結(jié)合區(qū)（裸露出來(lái)

15、的銅、鋁即在有效結(jié)合區(qū)中結(jié)合），且隨著變形量的增加，暗色的區(qū)域也明顯增多了。更大的壓下量會(huì)產(chǎn)生更大的變形熱，于是就會(huì)產(chǎn)生更多的裂紋，從而產(chǎn)生更多的結(jié)合區(qū)，因此復(fù)合界面結(jié)合得越牢固，如表2所示。</p><p>　　3.2銅鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的提升</p><p>　　經(jīng)過(guò)冷軋銅鋁板達(dá)到初步結(jié)合之后，為了加速形成冶金結(jié)合并生成共晶格結(jié)構(gòu)，通常需要進(jìn)行熱處理。用剝離試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)不同熱處理?xiàng)l件下得到

16、的復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度。測(cè)量不同加熱條件下的剝離強(qiáng)度。圖6（a）顯示了冷軋57%壓下量的典型的剝離強(qiáng)度與十字頭位移曲線，從圖中可以看出，銅鋁復(fù)合板界面上的結(jié)合強(qiáng)度比兩種金屬的剛度低。裂紋擴(kuò)展時(shí)，離皮裂紋尖端偏離軸向，形成皮雙金屬板的桿，如圖6（b）。圖7則顯示了在150到500之間退火時(shí)開(kāi)裂剝離強(qiáng)度與退火時(shí)間的關(guān)系。從該圖中可以看出，在250退火后得到的復(fù)合板界面剝離強(qiáng)度明顯高于其他溫度退火。隨著退火時(shí)間的增加，剝離強(qiáng)度先上升至最大值然

17、后下降。隨著退火溫度的上升，剝離強(qiáng)度的最大值越來(lái)越低，但是達(dá)到最大值所用的時(shí)間越來(lái)越短。這可能是因?yàn)樵诟叩耐嘶饻囟认聶C(jī)械結(jié)合會(huì)越松弛。</p><p>　　3.3金屬間化合物的生成</p><p>　　圖8中（a）-（h）顯示了復(fù)合板界面擴(kuò)散層中在不同熱處理?xiàng)l件下生成及生長(zhǎng)狀況。隨著退火溫度的上升，擴(kuò)散層厚度增加，并且擴(kuò)散層中化合物種類越來(lái)越多。其原理是在后續(xù)退火過(guò)程中，銅原子和鋁原子被

18、熱激活了。在300退火過(guò)程中復(fù)合界面就已經(jīng)生長(zhǎng)出了一些金屬間化合物。在400退火時(shí)，擴(kuò)散層厚度進(jìn)一步增加并生成了更多的金屬間化合物結(jié)構(gòu)。圖9顯示了擴(kuò)散層厚度隨著退火時(shí)間的增加而變厚。當(dāng)退火溫度上升到300以上時(shí)，擴(kuò)散層厚度大幅增加。使用WDS觀察退火過(guò)程中金屬間化合物的生成。圖10的（a）和（b）展示了在500退火30-180分鐘的界面情況。用一條線貫穿擴(kuò)散層，間隔取點(diǎn)觀察層間化合物分布情況。根據(jù)Al-Cu二元相圖可以明確，在300-5

19、00之間，有一些Al-Cu復(fù)合相比較穩(wěn)定，WDS觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。Al4Cu9和Al3Cu4的形成能分別為0.83eV和0.78eV，且銅在鋁中擴(kuò)散系數(shù)大于鋁在銅中的擴(kuò)散系數(shù)。因此，界面上金屬間化合物的出現(xiàn)順序是Al2Cu，Al4 Cu9，AlCu，最后是Al3Cu4。這樣的結(jié)果與之前的研究一致。</p><p>　　圖11展示了擴(kuò)散層厚度和剝離強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著擴(kuò)散層厚度的增加，剝離強(qiáng)度先上升達(dá)

20、到最大值，然后下降。隨著熱處理溫度的上升，剝離強(qiáng)度下降?？梢苑治龅脛冸x強(qiáng)度的降低并不僅僅取決于擴(kuò)散層厚度，在熱處理過(guò)程中還有其他因素導(dǎo)致了剝離強(qiáng)度的下降。</p><p>　　3.4不同熱處理?xiàng)l件下斷裂機(jī)制的表征</p><p>　　圖12和13展示了剝離試樣的斷口形貌。在軋制狀態(tài)的條件下,區(qū)域的韌性斷裂可以通過(guò)無(wú)粘結(jié)區(qū)域分開(kāi)，保持原始鋼絲刷刷過(guò)表面形態(tài)。表面顯微金相表明有一部分純鋁從鋁側(cè)

21、萬(wàn)全遷移到了銅側(cè)，在韌性斷裂區(qū)可以觀察到韌性環(huán)。隨著熱處理溫度的上升，韌性部分和鋼絲刷刷過(guò)的痕跡總體上減少，以脆性斷裂形式斷裂的脆性區(qū)的出現(xiàn)越來(lái)越多。400以上溫度退火，脆性區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)表面。如圖12和13的（c）-（d）所見(jiàn)，在剝離試驗(yàn)拉力作用下，隨著裂紋的擴(kuò)展，界面間結(jié)合層逐漸被拉開(kāi)。由此可見(jiàn)，斷裂機(jī)制由韌性轉(zhuǎn)成脆性，實(shí)際上是由金屬件的結(jié)構(gòu)決定的。</p><p>　　X射線衍射實(shí)驗(yàn)用于觀測(cè)銅、鋁樣品撕裂

22、表面化學(xué)成分組成。圖14（a）和（b）展示了不同熱處理?xiàng)l件下銅、鋁表撕裂面的X射線衍射圖樣。在300退火30分鐘條件下，在鋁、銅板的撕裂表面都發(fā)現(xiàn)了純銅和純鋁。說(shuō)明此熱處理?xiàng)l件下，擴(kuò)散層的厚度還非常薄，不足以被探測(cè)到，圖8即可看出其厚度。而當(dāng)熱處理溫度升高至400時(shí)，在斷裂表面就可以探測(cè)到Al2Cu和Al4Cu9了。此外，純銅、純鋁的衍射峰明顯減弱了，500時(shí)這種現(xiàn)象會(huì)更明顯。分析X射線衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能得出，金屬間化合物的生成與復(fù)合板界

23、面斷裂的形貌有非常明顯的聯(lián)系。隨著金屬間化合物的多樣化，斷裂機(jī)制逐漸從韌性轉(zhuǎn)變到了脆性。</p><p>　　圖15展示了在300退火30分鐘時(shí)銅鋁的剖面圖像。中間貫穿銅鋁界面的黑線則是界面裂紋擴(kuò)展的走勢(shì)。絕大多數(shù)裂紋通過(guò)夾在Al4Cu9和Al2Cu之間的區(qū)域擴(kuò)展，而少數(shù)裂紋進(jìn)入了Al4Cu9和Al2Cu區(qū)域中。當(dāng)在500退火30分鐘時(shí)這一現(xiàn)象更加明顯，還伴隨碎片的脫落，如圖16所示。分析可得裂紋擴(kuò)展通常發(fā)生在擴(kuò)

24、散層之間，有理由認(rèn)為擴(kuò)散層和基板的結(jié)合強(qiáng)度高于擴(kuò)散層之間的結(jié)合強(qiáng)度。因此在軋制狀態(tài)的條件下，在銅鋁復(fù)合連接界面上的斷裂機(jī)制主要為韌性斷裂。隨著熱處理溫度和時(shí)間的上升，擴(kuò)散層厚度增加，起主導(dǎo)作用的斷裂機(jī)制逐漸由韌性轉(zhuǎn)向脆性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)見(jiàn)圖17。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散層的形成會(huì)對(duì)斷裂機(jī)制產(chǎn)生主要影響。在熱處理初期，只生成很少的幾種金屬間化合物，軋制狀態(tài)仍對(duì)界面斷裂行為起主導(dǎo)作用，主要斷裂機(jī)制為韌性

25、斷裂。當(dāng)退火溫度升高或退火時(shí)間延長(zhǎng)，擴(kuò)散層厚度增加，并生成脆性金屬間化合物。這時(shí)可以再斷裂表面發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的脆性斷裂區(qū)。高溫下樣本的剝離試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展路徑較曲折。分析可得，金屬間化合物的形成和厚度上的積累導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度的下降和脆性斷裂。</p><p>　　在一些關(guān)于銅鋁復(fù)合板表面形貌和軋制力間關(guān)系的研究中主要控制的是三個(gè)變量，包括相的轉(zhuǎn)變、可肯達(dá)爾孔的形成、熱處理過(guò)程中氧化層的出現(xiàn)。熱處理過(guò)程中，銅和鋁都會(huì)被熱激活

26、，銅的擴(kuò)散速度大于鋁的。這種不平衡的擴(kuò)散速度會(huì)導(dǎo)致可肯達(dá)爾孔的形成，所以隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，面結(jié)合力下降。但是在本研究中，當(dāng)銅鋁復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度開(kāi)始下降，圖12、圖13中并沒(méi)有看到的明顯的孔洞。在之前的一項(xiàng)研究中，高溫退火之后，發(fā)現(xiàn)可肯達(dá)爾孔洞聚集在銅層和富銅層的邊界處。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)在對(duì)斷裂機(jī)制和界面形貌關(guān)系的研究，斷裂主要沿靠近鋁一側(cè)的Al2Cu、AlCu、Al3Cu4中擴(kuò)展。斷裂處沒(méi)有看到明顯的可肯達(dá)爾孔洞。此外，我們相信在高溫或長(zhǎng)

27、時(shí)間加熱條件下，可肯達(dá)爾孔洞對(duì)于結(jié)合力有影響。</p><p>　　根據(jù)本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有理由相信，脆性金屬間化合物的生長(zhǎng)主導(dǎo)了結(jié)合力和斷裂機(jī)制。隨著退火溫度的上升和退貨事件的延長(zhǎng)，金屬間化合物的厚度增加，斷裂機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)成脆性斷裂，界面間結(jié)合強(qiáng)度有所降低。當(dāng)AlCu、Al3Cu4生成之后情況進(jìn)一步惡化。</p><p>　　我們相信結(jié)合力的變化是對(duì)于以下三者的相互影響的平衡，包括機(jī)械結(jié)合

28、、金屬間形貌變化、缺陷的生成。熱處理初期，由于生成了硬質(zhì)金屬間化合物，結(jié)合區(qū)面積增加，機(jī)械結(jié)合逐漸松弛，致使結(jié)合強(qiáng)度上升。然而，隨著加熱溫度上升或時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)合強(qiáng)度逐漸下降。然而加熱時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的上升會(huì)對(duì)界面的結(jié)合產(chǎn)生不良影響。具體總結(jié)見(jiàn)圖18。</p><p><b>　　4、實(shí)驗(yàn)結(jié)論</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)研究了冷軋復(fù)合法制備銅鋁復(fù)合板的技術(shù)。使用

29、微觀界面形貌的檢測(cè)方法檢查在不同熱處理?xiàng)l件下的界面形貌，以此來(lái)判斷界面斷裂的形式。由本實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：</p><p>　?。?）冷軋復(fù)合制備銅鋁板制備過(guò)程中，界面結(jié)合強(qiáng)度是機(jī)械結(jié)合、金屬間形貌以及缺陷生成三者的平衡產(chǎn)物。在合適的熱處理?xiàng)l件下可以得到最大的界面結(jié)合強(qiáng)度。</p><p>　?。?）金屬間化合物的生成，隨著退火溫度升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬間化合物的生成順序依次是：Al2C