摘要：在材料科学领域，双金属层状复合材料因其能融合多种材料优异性能而备受瞩目。本文聚焦锡青铜/10号钢复合板，深入探讨其微观组织与界面结合机制。通过连续固 - 液复合方法制备该复合板，运用多种分析手段揭示其微观奥秘，同时测试其力学性能，为该材料的应用提供关键参考，助
【全文导读】
在材料科学领域，双金属层状复合材料因其能融合多种材料优异性能而备受瞩目。本文聚焦锡青铜/10号钢复合板，深入探讨其微观组织与界面结合机制。通过连续固 - 液复合方法制备该复合板，运用多种分析手段揭示其微观奥秘，同时测试其力学性能，为该材料的应用提供关键参考，助力相关领域技术发展。
科技和工业的飞速发展对金属材料综合性能的要求进一步提高，各种新设备、新工艺、新技术的开发和使用受到重视。为了使材料同时具有多种不同的优异性能，双金属层状复合材料应运而生。通过将不同种材料层叠复合，可以获得具有多种优异性能的新型复合材料。YAN Y B等对AZ31B和7075铝合金的爆炸焊接复合板进行了研究，发现界面的不连续结合是影响复合板结合性能的关键。LI Y等通过热轧获得了316L/16MnR复合板，通过扫描电镜和透射电镜等观察发现两种合金结合良好。
锡青铜（Tin bronze， TB）因其良好的耐磨性和减磨性，长期以来一直被应用于衬套、轴承垫等汽车工业，被誉为“汽车青铜”。锡青铜合金具有优异的耐腐蚀性，即使在海水和大气等腐蚀性环境中也能长时间稳定应用。但由于其昂贵的价格和较差的强度和力学性能，单独的锡青铜合金很难满足实际工作的要求。钢的强度高、性能稳定，因此在实际生产中将锡青铜与钢复合制备的锡青铜/钢双金属层状复合材料将兼具钢的高强度、高韧性和锡青铜的优异的导热及摩擦学性能。WANG J M等利用热压烧结技术制备了具有较强承载能力的ZCuSn6Pb6Zn3/钢双金属层状复合材料。结果表明，ZCuSn6Pb6Zn3与钢之间形成了有效的冶金结合界面。由于Pb的低熔点以及与Cu不相溶的特性，含Pb铜合金中经常出现偏析现象，这也为含Pb锡青铜与10号钢之间的复合带来了困难。ZHANG Y等采用半固态轧制法制备了Cu-Pb-Sn/Q235层压复合材料，发现Pb存在严重的界面偏析现象。同时，由于锡青铜的结晶温度范围较大且具有糊状凝固特性，容易产生缩松、偏析等缺陷，组织致密性差。因此，应提高冷却速度，以获得致密的晶体结构，提高复合材料的耐磨性和力学性能。
【研究亮点】
创新制备方法：采用连续固-液复合方法，成功制备了锡青铜/10号钢双金属层状复合材料。
界面结合机制：通过金相显微镜、电子探针显微镜和透射电镜等先进表征手段，揭示了复合材料的微观组织和界面结合机制。
力学性能研究：硬度和拉伸-剪切测试结果表明，复合材料具有优异的界面结合性能，实现了界面的全冶金结合
【来源解析】
大连理工大学李廷举教授等在2024年第44卷第10期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“锡青铜/10号钢复合板微观组织和界面结合机制研究”的文章，作者使用连续固-液复合的方法制备了锡青铜（Tin bronze， TB）/10号钢（1010 steel）双金属层状复合材料。通过金相显微镜、电子探针显微镜和透射电镜分析了复合材料的微观组织和界面结合机制。使用硬度和拉伸-剪切测试的方法分别研究了锡青铜/10号钢复合板的力学性能和界面结合强度。结果表明，复合板中锡青铜微观组织均匀，而钢由于冷却过程中复杂的温度场，形成了铁素体+珠光体+贝氏体的复杂微观组织。复合材料具有优异的界面结合性能，实现了界面的全冶金结合。TEM结果表明，在锡青铜和10号钢之间形成了牢固的原子间结合界面。拉伸-剪切测试结果表明，最终的断裂发生在锡青铜侧，界面的结合强度大于锡青铜的。
【图文解析】
采用经过冷轧酸洗后的10号钢（1010 steel），钢板的原始组织主要为多边形铁素体和珠光体，晶粒尺寸约为10 μm。钢板的外形尺寸为2 000 mm×120 mm×3 mm。锡青铜的名义成分为Cu-4Sn-4Zn-4Pb，表1为通过X射线荧光光谱法（XRF，BRUKER AXS, S8 TICER）测得的钢和锡青铜合金的实际成分。
图1为本试验的工艺路线图和拉伸试样示意图。使用电磁感应熔炼的方法将锡青铜加热至1 200 ℃并保温1 min。钢板经过酸洗和打磨后，采用相似的感应线圈预热至900 ℃后在牵引装置的作用下向前匀速运动。将熔化的锡青铜熔体浇注于钢板表面后，二者在钢板底部冷却水的作用下同时冷却至室温，以确保良好的冶金结合。从钢板预热至冷却的整个工艺流程均在氩气保护条件下进行。最终得到平均厚度为9 mm（包括约3 mm钢板和6 mm锡青铜层）的锡青铜/10号钢复合板。
图1锡青铜/10号钢双金属层状复合材料制备示意图及拉伸-剪切试样示意图
1.钢板预热装置2.钢板3.坩埚4.熔体5.牵引辊6.水冷喷头
使用金相显微镜（OM，Leica MEF-4A）、扫描电镜（SEM，Zeiss supra 55）以及透射电镜（TEM, Model EM-002B）观察制备的锡青铜/10号钢双金属复合板的微观组织，并通过电子探针显微镜（EPMA, JXA-8530F PLUS）分析锡青铜的元素分布，使用电子背散射衍射方法（EBSD，Oxford Instruments Group）测试试样的晶体取向、晶界角及晶粒尺寸等。使用FeCl3酒精溶液（5 g的FeCl3+5 mL的HCl+90 mL的C2H5OH）腐蚀复合试样后，在金相显微镜下观察其微观组织。透射显微组织的试样通过聚焦离子束制备。
在显微硬度计（MH-50）上测量锡青铜/10号钢复合板的硬度（HV），载荷为2 N，保持时间为10 s。每个位置以200 μm为间隔重复测量3次，取平均值。分别在锡青铜和钢侧开深度约为2 mm和3 mm的凹槽，保证凹槽延伸至界面。复合试样的宽度为10 mm，搭接长度为2 mm。拉伸-剪切试验在电子万能试验机（UTM5105）上进行，拉伸速率为1 mm/min，选取3个不同位置的试样，结果取平均值。使用SEM观察试样拉伸-剪切后的断口形貌。
图2锡青铜/10号钢复合板的组织
图3EPMA观察的锡青铜电子图像以及不同元素的面分布图
图4锡青铜/10号钢复合板的IPF图和以及相应的晶界和晶粒统计
图5锡青铜/10号钢复合板的TEM亮场和HRTEM 结果
图6锡青铜/10号钢复合板界面及两侧材料硬度
图7拉伸-剪切前后试样实物图及其拉伸-剪切应力-应变曲线
图8锡青铜/10号钢复合板拉伸-剪切失效断口形貌
【主要结论】
1. 连续固 - 液复合制备的锡青铜/10号钢复合板，锡青铜微观组织均匀，10号钢形成复杂组织。
2. 锡青铜与10号钢间形成无缺陷全冶金结合界面，通过原子间结合，有特殊台阶界面。
3. 硬度测试和拉伸 - 剪切试验表明，界面结合强度大于锡青铜，剪切断裂有两种方式且发生在锡青铜侧。
【本文引用格式】
中文：彭博, 于凤云, 邓佳男, 等.锡青铜/10号钢复合板微观组织和界面结合机制研究[J].特种铸造及有色合金，2024，44（10）：1307-1312.
英文：PENG B, YU F Y, DENG J N, et al.Microstructure and Interfacial Bonding Mechanism of Tin-bronze/1010 Steel Composite Plates[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（10）：1307-1312.
来源：特铸杂志
