固相連接界面行為講議

1、5.2擴(kuò)散連接原理擴(kuò)散連接原理5.2.1擴(kuò)散連接過(guò)程可以大致分為物理接觸、接觸表面的激活、擴(kuò)散及形成接頭三個(gè)過(guò)程。(a)(b)(c)a) 凹凸不平的初始接觸(d)b) 第一階段：變形和部分界面的形成c) 第二階段：晶界遷移和微孔的消除d) 第三階段：體積擴(kuò)散，微孔消除5.2.2擴(kuò)散連接時(shí)的物理接觸過(guò)程1、物理接觸及氧化膜去除擴(kuò)散連接過(guò)程中，氧化膜的消除有以下幾種途徑。1）解吸2）升華3）溶解4）表面變形去膜5）化學(xué)反應(yīng)(1)(2)(3)鈦鎳型鋼鐵型鋁合金型氧化膜的去除主要是靠在母材中產(chǎn)生溶解。表面氧化膜。通過(guò)微觀區(qū)域的塑性變形使氧化膜破碎，或在擴(kuò)散連接時(shí)真空室中含有很強(qiáng)的還原元素。5.2.2

2、擴(kuò)散連接時(shí)的物理接觸過(guò)程2、物理接觸的形成表面凹凸變形的接觸面積，一般稱(chēng)為物理接觸面積。物理接觸面積取決于材料的性質(zhì)和施加的壓力。物理接觸是界面元間產(chǎn)生電子相互交換的過(guò)程、產(chǎn)生各種化學(xué)反應(yīng)的必要條件。實(shí)際接觸面積的增加，可以分為變形、繼續(xù)增加幾個(gè)階段。和實(shí)際接觸面積5.2.2擴(kuò)散連接時(shí)的物理接觸過(guò)程3、物理接觸模型3、1擴(kuò)散連接界面接觸應(yīng)力根據(jù)鐓粗理論，接頭附近區(qū)域變形為鼓形，沿變形體整個(gè)截面切取基元體，假設(shè)基元體變形后的棱為直的，且切面上的正應(yīng)力為主應(yīng)力，則變形為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，切向與法向不存在剪應(yīng)力。根據(jù)變形能量守恒的原則，得到軸對(duì)稱(chēng)條件下的近似平衡微分方程為d hxdx d d 2 sihn

3、dxxddd2x0hxrrr2假設(shè)接觸面上全部為摩擦，代入邊界條件2hdx2 21 e3式中：1為接觸界面的正應(yīng)力；為接觸界面間的摩擦系數(shù)；d為焊件直徑；h為變形區(qū)域高度；為軟性母材當(dāng)前狀態(tài)下的屈服應(yīng)力， (其中A、a、b、c為取決于材料和變形條件的常數(shù)，T為變形溫度，為變形程度，為應(yīng)變速度)。在滑動(dòng)區(qū)內(nèi)，符合摩擦條件=；在不滑動(dòng)區(qū)內(nèi)，兩接觸面間無(wú)滑動(dòng)，只是軟金屬依附硬金屬發(fā)生剪切變形。根據(jù)米屈服準(zhǔn)則，到不滑動(dòng)區(qū)域半徑xb為：ln 3xb=d/2-h2(1)當(dāng) d 2 時(shí)h12 2 d 22 x1 h434x kd h3d(2)當(dāng) 2h0， 0. 時(shí)502 d x d22 h：滑動(dòng)區(qū) x2h

4、e131c 1 h 2 x2粘著區(qū)h x 0 ： 1h 2xh c2 d h 22 hec3(3)當(dāng) 2 d， 0 .時(shí)5h0 .b 5制動(dòng)區(qū) d x22x擴(kuò)散連接壓力P與界面接觸應(yīng)力的關(guān)系 h：113h3h 2 x2d2x 0 ：14粘著區(qū)h c2 1xdxP 3h 2d2 xh0 c2 d h 23h 2ec變形程度可在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)獲得，對(duì)圓柱形焊件：(4)當(dāng) dh0 時(shí)h2 d x d23h 2 xb ： 1 x2eD t dl l t h r t% 100%2 d 2 3 x 1 dh eh 2l168d2xbh 23 1 x： x1bht時(shí)刻的變形速率3h 2 x2t t x x

5、0 100llt t c1c1h 23( s)& 23 1xlhcbh x 3h3、2擴(kuò)散連接接合界面幾何模型兩固體接觸的各種接觸面積的示意圖LtL00 1002Lhhh000000 x2 n1L97000sns為空洞搭接數(shù)目表面輪廓微觀不平度高度的算術(shù)平均值n1n ih h0i1x 3 L0ix i000n100s x2h0000 初始空洞搭接面積S：S(L0)sn3、3物理接觸及接合面積模型在擴(kuò)散連接過(guò)程中有2大，對(duì)接合表面緊密接觸有貢獻(xiàn)的作用機(jī)制主要機(jī)構(gòu)即： (1)變形機(jī)構(gòu)：包括初始塑性變形(塑變流)和蠕變變形(蠕變流)；(2)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)：包括界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散。L 00b/ 1Y 1、微觀

6、塑變流的作用:x010L00為起始接觸區(qū)的有效表面粗糙度；b為接觸應(yīng)力；Y為屈服應(yīng)力；tg 1L/ h0=0000；h00為微觀不平度有效高度。L xnn 2n122、蠕變流的作用:x( Lx & A32xx /1n)b連接面積S50%連接面積S50%nGn2 n n 2 bn1nx & A31 ( L)2W nG/W為空隙寬度；n為應(yīng)力因子；A為蠕變常數(shù)；G為剪切模量；b為施加應(yīng)力。其中：A=A0(DVbG/kT)，A0為蠕變標(biāo)量常數(shù)，DV為體自擴(kuò)散系數(shù)，b為Burgers矢量常數(shù)，k為Boltzmann常數(shù)bbD1 b3、擴(kuò)散流所引起的總的空洞收縮率為V :& L2Dv&V為原子體積；為邊

7、界厚度； Db 為界面擴(kuò)散系數(shù)DbDb1b2D； s為1 b2表面能(取表面能低的一端材料)；r 為表面波狀半徑；k為Boltzmann常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。3、3物理接觸及接合面積模型微觀塑變流的作用：對(duì)于滑動(dòng)區(qū)2 d x 112dd 1 p2 1dx 2 exph 2dxd2dxbxb3 xxbb2 12 d x hb 21ehd23 1 pxbp 2 d x 11 3 h2b 2e1 3 2 hs1 p3 d x b 2 12 d x b 2eh3 d x2b x 010Y 1Y 21 32 hL00對(duì)于第二區(qū)：xb 211 x x 1 pdxxc 3 bx b xch 1x b xc3

8、hp 0 . 521 1x b xc3 22 3 s1 pp43 hx0 對(duì)于第三區(qū)域0 xc ：x Y 1Y 20 1h 2xxc xc 0dx c2dx1 p1xxh 20cc h xcc x dx hxcxpch3x32c 22 1x h 22bxc xc h1 sh32 2h 333x0 0 1Y 1Y 2L002 2 1h x b h1x 2 x 2 c c 333h32 2h L0031 1 x x 2 bc43 h蠕變流的作用對(duì)于滑動(dòng)區(qū)n 212 d1 32 h xbeh 23 d x 1 2b Lx2A32n1 nx 2x(x& A1/)nLxnG 1 2G n2 d1 3 h

9、2 x 2bh 2e1 3 d x 1 b A3 Wn 2/n12n(x& A2)nL12nGG12n2x x 21 13bc A33 n1 L x4hn2x(x& A2x/1)nL12xnGG12對(duì)于第二區(qū)n x 21 1 23x/bc1 43 2A32hnn12n(W x& A1 n)LnG12G蠕變流的作用對(duì)于第三區(qū)n2 2hxh 122b xc 1 x c 2h 333h32 A3 x xL n1x& A2122xxG (nG11n) L2n22h1xh 22b x 1x c c333h32 2h 2A32 W n1x& A1 1G (nn) 2nGL12擴(kuò)散流的作用幾種物質(zhì)傳輸(即擴(kuò)

10、散)形式：1)從表面源向空洞頸部的表面擴(kuò)散；2)從表面源向空洞頸部的體擴(kuò)散；3)空洞表面源向頸部的蒸發(fā)凝結(jié)機(jī)制；4)沿晶界從界面源向空洞頸部的表面擴(kuò)散；5)從界面源向空洞頸部的體擴(kuò)散。 2 d x L 1 32 h /kTx2 & LD2bLD1 D eh 21V6bs滑動(dòng)區(qū)：rvbbb3x d x 2b L x 231 1/kTx x& LD2第二區(qū)：L D xbc VD1b62bsrvbb43 h式中：2 2hxh 1 /kTx L& LD22x 2第三區(qū)：Lb x 1 VD1b6D2 brss c cxvbbs3h32 2h 33焊件的整體接合面積Sx2bxc2 d2bx2 xcS S

11、2S1S3ddd其中：S1、S2、S3 域各自的接合面面積計(jì)算值。為三區(qū), MPaPercent bonded area, %Tensile strength, MPa700650600550500-15 -11 -7-315913x, mm100908070605040-15 -11 -7-315913x, mm403020100-10-15 -11 -7-315913-20-30-40 x, mm5.2.3擴(kuò)散連接時(shí)的界面反應(yīng)界面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)主要有兩種形式，即化合反應(yīng)和置換反應(yīng)?；戏磻?yīng)的特性是形成單物質(zhì)，其主要應(yīng)用是金屬經(jīng)過(guò)氧化層與陶瓷或玻璃進(jìn)行連接，界面形成各種尖晶石、硅酸鹽及鋁酸鹽等

12、氧化物。置換反應(yīng)式是以活潑元素置換非活潑元素，在界面形成新的反應(yīng)產(chǎn)物。（1）無(wú)限固溶體（2）有限固溶體固溶區(qū)的寬度與連接溫度和時(shí)間有關(guān)。通常隨著溫度的上升，溶解度也相應(yīng)變大，擴(kuò)散連接時(shí)界面將產(chǎn)生濃度不同的固溶體區(qū)域。（3）金屬間化合物擴(kuò)散連接時(shí)，為了提高接頭的力學(xué)性能，必須對(duì)金屬間化合物的種類(lèi)、存在形態(tài)及厚度進(jìn)行控制。5.2.4擴(kuò)散連接材料間的擴(kuò)散反應(yīng)理論基礎(chǔ)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)體系內(nèi)存在有某種物質(zhì)的濃度差 時(shí)，該物質(zhì)將從體系的高濃度區(qū)向低濃度區(qū)自發(fā)的遷移，并最終趨于均勻化，此種由濃度差而產(chǎn)生的物質(zhì)移動(dòng)現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散。擴(kuò)散在異種材料的焊接過(guò)程中起著重要的作用。接頭的成分、組織和機(jī)械性能都與擴(kuò)散

13、密切相關(guān)。尤其對(duì)擴(kuò)散連接接頭， 擴(kuò)散過(guò)程對(duì)界面上的再結(jié)晶，生成金屬間化合物和形成過(guò)渡區(qū)有非常重要的影響，進(jìn)而影響接頭的力學(xué)性能。擴(kuò)散機(jī)理在擴(kuò)散過(guò)程中，如果晶格的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被原子占據(jù)著，沒(méi)有供其擴(kuò)散的適當(dāng)位置，原子的擴(kuò)散也就很難進(jìn)行。(1)空位擴(kuò)散機(jī)制原子借逐步向其鄰近的空位跳動(dòng)而擴(kuò)散，或者說(shuō)，原子借空位的運(yùn)動(dòng)而擴(kuò)散。由于在每一溫度下都存在一定濃度的空 位，且隨著溫度的升高，空位的濃度增大，因此空位擴(kuò)散機(jī)制是材料連接中原子擴(kuò)散時(shí)可能性最大的一種擴(kuò)散機(jī)制。(2)間隙擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散原子通過(guò)在晶格間隙位置間的躍遷而實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)散稱(chēng)為間隙擴(kuò)散，。在間隙擴(kuò)散機(jī)制有三種擴(kuò)散類(lèi)型。a)b)c)間隙機(jī)制。自間隙機(jī)制。

14、擠列機(jī)制。擴(kuò)散機(jī)理(3)交換擴(kuò)散機(jī)制通過(guò)兩個(gè)相鄰的原子直接交換位置而進(jìn)行的原子擴(kuò)散，稱(chēng)為交換擴(kuò)散。擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散方程式將兩根不同溶質(zhì)濃度的固溶體合金棒對(duì)焊起來(lái)，加熱到高溫，則溶質(zhì)原子將從濃度較高的一端向濃度較低的一端擴(kuò)散，并沿長(zhǎng)度方向形成一定的濃度梯度。如果在擴(kuò)散過(guò)程中各處的濃度C只隨距離x變化，不隨時(shí)間t變化，那么，時(shí)間通過(guò)垂直截面的擴(kuò)散物質(zhì)量（擴(kuò)散流量）J對(duì)于各處都相等，將這種擴(kuò)散稱(chēng)為穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。擴(kuò)散機(jī)理在擴(kuò)散過(guò)程中，時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的截面積的擴(kuò)散流量J與濃度梯度成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：DdCJ dx根據(jù)能量守恒定律有：C J 0txdC將 J D求導(dǎo)后代入：dxC D 2Ct 2

15、x5.2.4.1生成固溶體類(lèi)型的合金元素的擴(kuò)散A、B和C皆為等截面S的材料，其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2和L3。某一元素在A、 B和C中的初始濃度分別為C1、C2和C3。假定擴(kuò)散系數(shù)D1、D2和D3不隨濃 度及擴(kuò)散方向的變化而改變。在擴(kuò)散連接過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)等溫連接，溫度為T(mén)，連接時(shí)間為t，焊前均未發(fā)生擴(kuò)散，由費(fèi)克第二定律可知：當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間為tL32/100D時(shí)，這一數(shù)量級(jí)的擴(kuò)散過(guò)程可以近似于一個(gè)擴(kuò)散偶的擴(kuò)散過(guò)程。以A、B(或B、C)的接合y x2dCdC D2dtdxdc 0dy面為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。設(shè)C=f(y)2 Dtxt , Aye y 2dy此B 時(shí)A的臨界條件為：C0 C1C 3 C1CCx

16、,t 0 Cx , tCx0,t C C C311122CC3CCC x, y得到在A的濃度分布曲線為：y 21311t edy1A1205.2.4.1生成固溶體類(lèi)型的合金元素的擴(kuò)散當(dāng)組元在各母材中的擴(kuò)散系數(shù)相差很大時(shí)，利用上式的計(jì)算結(jié)果將，為此對(duì)這種情況下的計(jì)算進(jìn)行修正。設(shè)初始條件不變，增加界面條件如下：CA x,0 tCB x,0 tCC KCA KCBKCA，KCB為常數(shù) x,0 tCA x,0 tCB擴(kuò)散物質(zhì)在異材界面交界處擴(kuò)散物質(zhì)流量相等，沒(méi)有堆積。D CA x,0CA tCx,0t D31xxCB x,0CB ttCx,0 D3D2xx在實(shí)際的固相擴(kuò)散連接中，擴(kuò)散通常只是發(fā)生在接合

17、面附近很小的一個(gè)區(qū)，一般情況下L3為10102m數(shù)量級(jí)，D為1 0-10cm2/s數(shù)量級(jí)，t為103104s數(shù)量級(jí)，故在大多數(shù)情況 下，擴(kuò)散連接滿(mǎn)足tL32/100D條件，可以用擴(kuò)散偶模型近似模擬實(shí)際擴(kuò)散情況。CCDD3 D2KC x,yy 2CAt K 1C ed1ACA DD0DDKCAKCCDCDD2Cy x, t2K22333CB 23y2e2CdyB2D DDKD0CB32CB32CKCCACD32DKCAC ty23y3Cx, edyCA3CA D3 0DKDDKDCACCB 23CD33 KCB3CKD22D D2y3 Cx, t22y3CedyCB3D 0KDDKDDCB32C

18、B3231001008080NiFeFeNi606040402020AlAl00-60-40-200Distance, m204060-60-40-200Distance, m204060耐熱合金K5與耐熱鋼2Cr12NiMoV進(jìn)行擴(kuò)散連接偏析、晶體缺陷、晶界、母材中的合金元素等較多其它對(duì)元素的擴(kuò)散也有很大影響。Pecent, %Percent, %5.2.4.2生成金屬間化合物類(lèi)型的合金元素的擴(kuò)散反應(yīng)2N AN AC NNCN BNbNCN BCDDD2C x, tCyNA ey 2N AABBBCdyNANAC D0bN DNCNN AbN DN BCNN ADBBABACCbNND NN

19、CNCCDNNbNNND 2DCyNBBAABB x, 2BABBA0yNBN BCtedyNB bN BN BNN ACDCAD CDbNN BC NND NDBABACCbMMD MMCMCCDMMbMMMD 2DCyMAABAABABBAA x, 0yMA2M ACtedyMA bM AM AMM BDbMM AC MMD MCDCBDCDABBAC2M BM BC MMCM AMbMCM ADDD2CC x, tyMB ey 2MABAAdyMBBMBC D0bM DMCMM BbM DMCMM BCDAABAAB在擴(kuò)散偶A/B界面處，N的原子擴(kuò)散通量為：C CDN DNbNNdCNdCNABBB DN A DNB dxJ N BABdx t CbNDNCNDNBAA組元M在界面處的原子擴(kuò)散通量為：C CMDM DMbMdCMdCMABAAJ M DM DMB dxA dxB ABA t CCMbMDMDMAB組元M、N在界面處的原子擴(kuò)散通量比：M C MbM ACMCbNN BDN ANDDDCDJ MABABAJ