.png) 原标题：7075-T6铝合金和低碳钢搅拌摩擦焊界面微结构特征 导读 铝/钢异种金属复合结构可同时兼顾轻量化与结构强度，是汽车、船舶等领域实现减重增效的重要技术方案。但二者物理化学性质差异巨大，传统熔焊易生成大量脆性金属间化合物，导致接头性能急剧下降。搅拌摩擦焊作为固相连接技术，可通过低热输入减少脆性相生成，是铝钢焊接的首选工艺，但界面微观结构的形成规律与失效机制仍需系统阐明。近日，百色学院黄耀光副教授团队系统研究了7075-T6铝合金与低碳钢搅拌摩擦焊接头的界面形貌、元素扩散、硬度分布与断裂行为，揭示了界面强化与失效的微观机制，为铝钢异种金属焊接工艺优化与性能提升提供了理论支撑。 7075高强铝合金与低碳钢的连接是轻量化结构制造的关键技术难点。二者熔点、热膨胀系数差异大，且极易生成FeAl3、Fe2Al5等脆性金属间化合物，严重恶化接头塑性与韧性。搅拌摩擦焊依靠摩擦热与机械搅拌实现固相连接，可有效控制界面反应程度，但搅拌头参数、工艺条件对接头界面结构与性能影响显著，尤其是界面混合层、金属间化合物与机械咬合结构的协同作用机制仍不清晰。 由百色学院材料科学与工程学院黄耀光副教授担任第一作者的研究论文《7075-T6铝合金和低碳钢搅拌摩擦焊界面微结构特征》，发表于《特种铸造及有色合金》2026年第46卷第6期。研究采用搭接搅拌摩擦焊工艺制备铝钢接头，借助扫描电镜与能谱分析系统表征了界面不同区域的微观结构与元素扩散规律，测试了显微硬度分布，并结合断口分析阐明了接头的断裂机制。 01 研究亮点 本研究系统表征了铝钢搅拌摩擦焊接头从宏观到微观的界面结构特征，明确了不同区域的塑性流动模式与形成机制。研究发现界面中心形成钢颗粒嵌入铝基体的混合层，扩散距离可达16.4 μm，并推测生成FeAl3与Fe2Al5金属间化合物，界面最高硬度达416.69 HV。研究同时揭示了接头断裂的完整过程：裂纹起始于铝基体侧，沿界面扩展，钢侧呈韧脆混合断裂特征，铝侧为脆性断裂。
图1 铝钢搭接焊示意图 02 文章内容 焊接界面宏观与微观形貌 铝钢搭接搅拌摩擦焊接头界面整体呈“碗形”，上宽下窄。搅拌针的高速旋转与剪切作用将钢表层破碎为细小颗粒，嵌入热塑化的铝基体中形成混合层：钢颗粒在近界面处密集分布，远离界面逐渐稀疏。 界面不同区域的塑性流动模式存在显著差异：界面中心与前进侧呈平流状结构，材料流动性好；后退侧因搅拌针牵引力与材料挤出力方向相反，流动受阻，形成涡流状结构。此外，前进侧与后退侧均形成钩状结构，即钢侧塑性材料向铝侧挤出嵌入，这种机械咬合结构可有效提升接头的抗剪切性能。
图2 铝/钢搅拌摩擦焊焊缝界面形貌
图3 焊缝界面微观组织图（图2中不同位置） 界面元素扩散与反应产物 EDS线扫描分析显示，界面两侧Al与Fe元素发生互扩散，但不同区域扩散程度差异显著。前进侧与后退侧界面界限清晰，扩散距离仅约2 μm，元素互扩散不充分，未形成明显的金属间化合物层。 界面中心区域扩散最为充分，扩散总距离可达16.4 μm。Al与Fe元素浓度梯度变化明显，形成了钢颗粒弥散分布的混合层。EDS点分析表明，界面处可能形成了FeAl3与Fe2Al5两种金属间化合物，其中Fe2Al5因负焓更大，具有更高的生成驱动力。面扫描结果进一步证实，Al元素扩散深度大于Mg、Zn、Cu等合金元素。
图4 界面处Al、Fe元素线扫描图
图5 焊缝界面中心铝钢混合层SEM形貌及元素面扫描图 界面显微硬度分布 铝合金侧距界面1 mm范围内，硬度呈“W”型分布：焊核区因动态再结晶晶粒细化，硬度约200.12 HV；热影响区因晶粒长大硬度最低，约134.39 HV。 铝钢界面处硬度呈“几”字形分布，越靠近界面中心硬度越高，最高值达416.69 HV，远高于两侧母材。界面高硬度源于两方面：一是细碎钢颗粒的弥散强化作用，二是界面处生成的脆性金属间化合物。高硬度的界面区域同时也是脆性带，易成为裂纹扩展的通道。 钢侧近界面0.3 mm范围内，硬度呈“尖顶”型分布，最高达364.36 HV，高于低碳钢母材的160 HV，主要源于搅拌剪切作用导致的晶粒细化与加工硬化效应。
图6 界面显微硬度图 接头断裂行为 拉伸试验表明，接头断裂主要发生在铝钢界面处，断裂起始于铝基体侧，断后钢表面粘附部分铝材料。断裂过程为：铝侧界面附近先萌生裂纹，随后沿铝钢界面扩展，最终导致接头失效。 断口形貌分析显示，钢侧断口以解理面为主，同时存在少量浅韧窝与撕裂棱，属于韧脆混合断裂模式；铝侧断口呈现典型的河流状花样，为脆性断裂特征。这与界面处脆性金属间化合物的存在以及铝侧基体的性能特性直接相关。
图7 拉伸试验抗拉强度-位移曲线图
图8 拉伸断口形貌
图9 拉伸断口SEM图 03 研究背景 1. 7075-T6铝合金与低碳钢搅拌摩擦焊接头界面呈碗形结构，钢颗粒破碎嵌入铝基体形成混合层，两侧形成钩状机械咬合结构；界面中心与前进侧为平流状塑性流动，后退侧为涡流状流动。 2. 界面中心Al、Fe元素互扩散最充分，扩散距离达16.4 μm，推测形成FeAl3与Fe2Al5金属间化合物；界面显微硬度最高达416.69 HV，形成脆性带。 3. 接头断裂起始于铝基体侧，沿界面扩展；钢侧断口为韧脆混合断裂，铝侧断口为脆性断裂。 04 引用格式 中文：黄耀光，陆文怡，阮尚载，等. 7075-T6铝合金和低碳钢搅拌摩擦焊界面微结构特征［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（6）：933-938. 本文转载自：《特种铸造及有色合金》 |
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