金属复合板材料强度的影响因素及应用分析

爱仕达股份有限公司 杨剑博

在产品设计及生产制造中对金属复合板材料最关注的性能指标是强度，所以复合材料强度的影响因素始终是研究的重要课题。然而因为金属复合板材料的强化机理尚未明确，目前有关金属复合板材料的设计理论依旧存在一定的不合理和盲目性。因此，要想更好更快的促进金属复合板材料发展与应用，必须不断探索和分析影响其复合材料强度的主要因素。

一、影响金属复合板材料强度的主要因素

（一）基材

不同强度材料基材对复合材料的性能指标都有不同程度地影响，比如：抗拉强度、结合力还有屈服强度等等。然而并非基材强度越低，复合材料的强度就越低，而是存在最适合的匹配。根据有关研究成果显示，在低强度的L3纯铝上能够获取最大的增强率，而在高强度的LY12合金上只能获得较少的增强率，相比之下具有很强的塑性和高强度的LD2当做基材时，强度相当高。[1]而有些研究人员觉得基材本身强度不高，复合材料中基材强度将显著提升，所以对基材强度不高的复合材料利用基材原位性能的明显提升让复合材料强度得到大幅度提升。[2]这些研究均表示基材与增强复合层之间有优化选择以及科学匹配问题。

基材合金化对复合材料的强度有较大影响，有研究人员研究铝合金成分影响Al2O3颗粒增强铝基复合材料力学性能。[3]其研究结果显示，在铝合金中添加Cu以及Ni，在高温环境下抗弯强度提高，提高Al的体积分数，也可以提高抗弯强度。还有研究人员提出Mg含量直接影响基于Al-Si-Mg合金的复合材料强度，将Mg彻底消除，让此合金强度大大的加强。此外，通过适量的添加稀土元素，也可以增加复合材料强度，比如：通过添加稀土Ce，在一定程度上可以加强基材。然而现阶段，尚未对稀土元素加强复合材料的原因获得结论。

（二）增强复合层

在基材金属增加增强复合层能够利用对显微组织，比如：亚结构以及位错组态等变化，对基材金属性能的缺陷进行有效弥补。增强复合层的重要功能是利用基材合金的微观组织改变得以实现，而且其需要承受载荷，而且其对位错的产生以及亚晶结构细化有直接地影响。比如：就SiCp/AL复合材料来讲，因为添加增强颗粒，扩大晶界面积，在固溶处理过程中基材内因为热错配造成的位错，异号位错彼此抵消，同号位移就会经攀移排列成与滑移晶面保持垂直状态的小角度晶界，进而形成亚晶界，而且此亚晶界面积不断扩大。利用Hall-Petch关系式不难发现，亚晶界以及晶界的加大，基材合金晶粒以及亚晶结构等细化，能够使复合板材料的强度得到提升。[4]有研究人员研究结果显示，就低强度铝合金来讲，要想确保金属复合板材料的高强度，纤维必须有相当长的长径比与比较高的界面强度，而针对高强度的铝合金，需要确保纤维有相当高的抗拉强度，这样才可以确保金属复合板材料的抗拉强度相当高。

（三）界面

界面是复合材料中不可或缺的重要构成部分，对复合材料有直接地影响。金属复合板材料综合性能是否优良通常受到增强复合层与基材之间的界面结合实际状况影响。要想获得不错的强度，界面结构和性能是增强复合层与基材性能是否可以全面发挥、形成最优综合性能的重点。而金属复合板材料中许多承载体无法发挥最好性能的根本原因是温度-时间产生的界面反应，因此必须形成相对稳定的界面结合。金属复合板材料有着相当复杂的界面结构，界面区尺寸属于微观层面，很难对表征进行合理分析，就理论层面来讲，常规力学分析通常无法准确得出结果。比如，增强复合层要想兼顾高效传递载荷以及避免裂纹扩大，需要保持在最适合的界面结合状态以及强度。如果界面上有台阶，除了能够减少界面结合能，台阶还会产生机械互锁效应，造成很强的界面结合，对加强机械性能是十分有利的。反之，若界面存在脆性的金属间化合物，就会造成比较弱的界面结合。[5]又如，连续纤维加强的金属复合板材料强界面结合强度必须保持在适合的范围内，由于强界面结合很有可能产生界面过度反应，最终反而导致纤维受到不同程度的损伤。而在界面的表面颗粒粗糙度进行加强的金属复合板材料中，不管是基材还是增强复合层，都是承载向强界面结合，进而将表面颗粒的增强作用全面发挥出来。现阶段，界面优化有多种方法，比如：金属基材合金化，喷砂粗化等等。

（四）制备工艺

不同的制备方法也会导致复合材料体现出不同的性能特点。比如：高能球磨法可以让增强复合层颗粒在基材均匀分布，颗粒均匀，对提升复合材料强度是十分有利的。但是金属冷喷涂法制备的复合板材料中就容易出现偏聚增强复合层颗粒的情况。就原位生成制备的复合板材料来讲，因为原位增强相除了尺寸相当细小，也与基材有着较强的界面相容性，以确保该复合材料具有相当高的强度。对于热处理工艺来说，比如：淬火，就可以加强复合材料。淬火强化作用通常体现在两点，一方面是因为淬火产生的应力而造成的强化，另一方面是增强复合层颗粒抵抗基材塑性流动产生的反向应力而造成的强化。经应力分析系统模拟结果显示，冷却速度越大，复合材料中增强颗粒越均匀分布，两者有紧密的关联。同时，时效也可以显著加强复合作用。除此之外，复合材料强度还有可能受到二次加工影响。比如：热挤压可以使复合材料有更高的强度，由于复合材料通过进行热挤压，颗粒分布非常均匀，位错密度也更高，消除许多铸造缺陷。然而如果挤压温度偏高，挤压件表面很有可能出现横向裂缝；如果挤压温度偏低，颗粒分布均匀情况一般，与高温下挤压有很大的差距。

二、金属复合板材料在五金炊具行业中的应用

相比较粉末基复合材料而言，金属复合板材料具有诸多特点，比如：高强度、高弹性模量、横向力学性能强、高层间剪切强度、耐热性能强、尺寸相对稳定、热传递性能优良以及不会放出气体对环境造成污染等等。因此金属复合板材料非常适合在综合性能要求均衡的消费产品中进行应用，尤其在以民用消费品为主的五金炊具行业可以得到广泛应用。

利用Fe-Al基复合板材料制成适用电磁炉使用的锅具，Fe基层材料具有磁通感应加热特性，电热转化率高，但受热不均匀，通过复合Al层材料的优良热导性能，将热量均匀传递加热食物，改善了单层钢制锅具易烧焦食物的弊病，现已应用于电磁炉锅具、IH电饭煲内锅等产品中。通过基材合金化，采用8011A铝合金为基材的不锈钢复合板材料能有效提高材料的抗弯强度，使产品的抗变形能力得到提升，实际生产应用可以减少制品厚度，达到与1100铝合金加厚制品相同的抗变形能力，有效减轻了产品重量，达到轻量化的目的，非常适合用于大口径的炒锅、汤锅等较重的手持操作炊具产品。

用低强度铝合金基材来制造高强度的承压结构时，利用增强复合层对复合板材料的影响因素，选用界面强度较高的的奥氏体不锈钢作为增强复合层，可以保证承压结构的高强度，如高压力铝合金压力锅的牙口采用加厚结构，在长期高压使用环境下，仍然存在失效的情况，改用增强复合层为304不锈钢的铝合金复合板后，牙口的结构强度得到提升，能有效保障高压力压力锅的安全性及使用寿命。

金属复合板材料在进行拉深成型时，容易出现分层剥离，利用界面结构对复合板材料的影响因素，提高增强复合层表面粗糙度，复合前通过喷砂粗化，形成具有波峰波谷的界面结构，并除去了表层脆性的金属氧化物，能很好的改善界面质量，与基材复合后可以形成承载向强界面结合，避免了金属复合板材料拉深成型时出现剥层现象。

对于金属复合板材料二次加工的加工工艺的选择，应避免冷挤压工艺对金属复合材料强度性能的影响，如在生产厚薄不均的仿铸铝型锅具时，有多处棱角分明的台阶，用冷挤压工艺生产时，容易出现拉料、断料、皱纹等缺陷，改为热挤压工艺生产后，消除大部分缺陷，良品率得到提升。

因此，在产品设计生产中合理利用金属复合板材料的特性，可以有效地提升产品性能及质量，满足广大用户的实际需求。

结语

总而言之，金属复合板材料强度除了受到以上因素影响，还会受到其它因素影响，包括温度以及环境等等。怎样充分利用有利因素，将一些不利因素去除，以加强金属复合板材料性能是需要深层次探究的问题。通过对金属复合板材料强度的改善及研究，可以将其更好的应用到五金炊具行业的新产品开发及产品质量提升方面，也有利于将这种先进的材料推广到更多的领域中应用。