钢 / 铝固液界面反应物及其形态

     钢 / 铝异种金属固 / 液界面反应物及其形态对钢 / 铝异种金属焊接接头的力学性能有着直接的影响。反应产物是决定接头力学性能本质因素，而反应物的形态对界面的细观力学行为有着重要的影响。很多学者研究表明，钢/ 铝固液作用过程中会产生层状分布的金属间化合物，这些金属间化合物主要是以 Fe 原子和 Al 原子的反应扩散生成，故有学者也将固液反应产物称之为界面反应层。

1.1  金属间化合物的类型

     Fe-Al相图表明，  Fe 与  Al 可以形成五种金属间化合物，分别是 Fe 3 Al、 FeAl 、 FeAl 2 、 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 .但是这些金属间化合物并非全部会在固 / 液面上形成。

     20世纪 50 年代，专家等人指出  Fe/Al 固液反应过程中生成的金属间化合物主要是 Fe 2 Al 5， 专家等人进一步通过 XRD 分析证实了这一结论。专家采用透射电镜对低合金钢与含铁饱和的液态铝之间的固液界面反应研究表明，界面上不仅生成了 Fe 2 Al 5 ，还有少量的 FeAl 3 存在，这一结论也被国内外很多学者所确认。专家采用纯铁进行热浸 蘸试验，最终确定界面层的结构分布为 Fe/Fe 2 Al 5/ FeAl 3/ Al。国内外由很多学者采用低碳钢作为实验材料也得到了相同的结论。因此，这一结论已经得到了国内外研究者的公认。

     虽然，国内外其他学还发现了其他的反应产物，例如：专家同样采用低碳钢进行试验， XRD 分析却发现界面上不仅有 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ，还有 Fe 3 Al存在；专家等人采用能谱分析中碳钢与纯铝界面反应层，发现界面上既有 Fe 2 Al 5， 又有呈矩形状 FeAl 2 产生。专家等人同样采用中碳钢进行浸蘸试验， XRD 结果却显示仅有 Fe 2 Al 5生成；湖北工业大学专家采用 XRD 分析指出， 45 # 钢与纯铝的固液界面上不但有 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ，还有少量的  FeAl 有 Fe 4 Al 13 和 Fe 2 Al。但是，这些产物是否存在还有很大的争议，而且就其报道的文献看来，证据并不充分，不能令人完全信服。

1.2  金属件化合物的形态及其影响

      专家得到的 Fe 2 Al 5 的形态如图示， Fe 2 Al 5 与 Fe 的界面及其不规则，呈舌状或指状嵌入钢内。者与其他学者所得到的结果也是一致的。多数学者认为，这种形态是由于 Fe 2 Al 5 晶体结构在 c 轴方向上具有较大的空位浓度导致的，已有学者认指出， Fe 2 Al 5 的晶格结构在 c 轴方向上的空位可达到 30% ，较高的空位浓度会导致元素扩散的各向异性，进而影响 Fe 2 Al 5 在垂直于界面层方向上的生长速度。然而，专家认为这种指状形态时因为珠光体对界面反应层的生长具有障碍作用，但这一解释很快被专家的研究所否定。专家都指出， Fe 2 Al 5/ FeAl3 界面与 FeAl 3/ Al界面在一定程度上也呈现出不规则状态，但相比 Fe 2 Al 5/ Fe界面要平坦很多。随着反应温度的升高、反应时间的延长，铝基体中会出现游离的针状或块状 FeAl 3， 这是由于 Fe 在铝中的固溶度基本为零，所以高温时溶解在液态铝中的 Fe 在冷却过程中只能以 FeAl 3 的形式析出。

     专家认为反应温度和反应时间会会影响金属间化合物形态。随温度的升高和时间的延长， Fe 2 Al 5 的指状波动幅度会逐渐减弱，而 FeAl 3/ Al界面的波动程度会逐渐增加，铝基体中游离的 FeAl 3 也会逐渐增多。一般认为，界面形态存在一定的波动幅度，会对接头力学性能产生非常有利的影响。