铝合金型材因具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、易于回收等特点,在轨道交通、航空航天、汽车工业、城市建设中具有极其广泛的应用。热挤压工艺是生产铝合金型材的主要方法:高温铝棒在挤压垫推动作用下通过模孔挤出特定截面形状、单一材料的型材产品。在不改变基体材料而通过热处理制度提高铝合金强度受限制的条件下,出现了一种新型的热挤压工艺-连续纤维增强铝基复合型材挤压。该工艺利用分流挤压的特点,通过在型材特定位置上嵌入增强纤维并使其与铝基体牢固粘结,从而获得高于铝基体自身力学性能的复合型材,该工艺对改善型材挤压方向的力学性能以及增加挤压型材功能的多样性具有重要的理论意义和工程应用价值,目前已引起国内外有关生产企业和研究学者的极大关注。连续纤维增强铝基复合型材挤压是一种特殊形式的分流挤压过程,由于分流桥的存在,分流后的多股金属流入焊合室,在高温高压条件下,伴随着材料的固态融合和微观结构重组,会在型材表面形成多条焊合线;另一方面,在高温挤压过程中铝合金基体与增强纤维(如钢丝绳)接触,两种材料的元素在接触界面会发生扩散,进而形成钢/铝扩散层。因此,铝/铝固相界面的焊合质量和钢/铝固相界面的扩散行为直接决定了纤维增强铝型材的力学性能。本文将连续纤维增强铝基复合型材挤压过程数值模拟与实验研究相结合,研究了复合型材挤压过程中基体材料的塑性变形行为和特殊模具结构对增强纤维应力状态的影响规律,揭示了复合型材挤压全过程中铝/铝固相界面的焊合行为、钢/铝固相界面的扩散行为及其界面微观结构的演变规律。主要研究工作及结论如下:(1)利用三维建模软件对连续纤维增强铝基复合型材挤压模具进行了设计,并基于Deform有限元分析软件对其挤压全过程开展了数值模拟,研究了复合型材挤压过程中材料的流动行为、焊合压力、温度、速度和应力应变分布规律以及增强纤维的应力集中行为,并进行了挤压实验,获得了复合型材。(2)研究发现,在初始的非稳态挤压阶段,大量的微孔洞形成了铝/铝焊合界面,两侧铝基体未形成牢固的原子键合,更多的呈现为机械作用的接触。随后,在高温高压作用下,微孔洞和两侧铝原子距离不断减小,使得焊合界面两侧晶粒形成界面晶界以及桥接现象,最终在焊合界面上形成紧密牢固的原子键合。(3)在铝/铝焊合过程中,焊合界面上连续的孔洞和缝隙,逐渐演变成非连续的微孔洞,同时界面晶界形成。当微孔洞较小且焊合界面处的驱动力足够驱动界面晶界挣脱微孔洞的钉扎作用时,界面晶界发生迁移,使得界面处的微孔洞残留在新晶粒的内部,即形成横跨焊合界面的新晶粒,最后,在高温高压的作用下,微孔洞在新晶粒的内部逐步减小至闭合,形成与焊合区域外的晶粒组织一致的新晶粒。(4)在钢/铝界面处,微孔洞的存在和微量元素的富集对界面扩散行为具有显著的影响。一方面,界面处微孔洞数量的增加会减少铝、铁元素的通量,阻碍扩散层的生长;另一方面,界面处Si和Zn元素的富集占据了大量的空位,同样会降低铁、铝元素的通量,导致扩散层生长缓慢。(5)纤维的嵌入对铝型材的力学性能存在一定影响。研究发现,扩散区内铁-铝固溶体的微观硬度明显高于铝基体和钢丝绳,而其弹性模量略低于远离扩散界面的钢丝绳区。且在断口表面,铝基体上表现为晶间断裂。与常规型材的力学性能相比,纤维的嵌入略微提高了复合型材的抗拉强度,但是也降低了其延伸率。造成此结果的原因主要有两个方面:一是起源于钢/铝界面的裂纹;二是铝基体与钢丝绳之间发生的脱粘现象以及钢丝绳内部未被铝基体填充的空隙。