第二講 釬焊成縫過程的溶解與擴(kuò)散.ppt

1、釬焊成縫過程的溶解與擴(kuò)散,錢乙余 教授 博士生導(dǎo)師 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室,釬焊成縫過程的溶解與擴(kuò)散,擴(kuò)散,溶解,釬焊成縫過程中溶解與擴(kuò)散示意圖,釬焊成縫過程的溶解與擴(kuò)散,液態(tài)釬料在毛細(xì)填縫的過程中伴隨著與母材發(fā)生相互作用。這種相互作用的推動力是由釬料與母材間的濃度梯度所造成的擴(kuò)散。我們在釬焊中特別將這種作用分為兩類，一是母材向液態(tài)釬料中的溶解，二是釬料組分向固態(tài)母材中的擴(kuò)散。這些相互作用的結(jié)果會對釬焊接頭的性能產(chǎn)生很大的影響，因此有必要研究其規(guī)律性。,母材向液態(tài)釬料中的溶解,母材的溶解過程 溶解現(xiàn)象與狀態(tài)圖的關(guān)系 母材溶解過程對釬縫化學(xué)成分的影響,母

2、材的溶解過程,金屬學(xué)概念: 相:合金中結(jié)構(gòu)相同,成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分. 相界面:具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面.則固液相界面即固相與液相之間的分界面.,杠桿定律,以Cu-Ni合金為例進(jìn)行說明.假 設(shè)合金在溫度t1時,處于兩相 平衡狀態(tài).要確定液相L和固相 的成分,可通過溫度t1作一水 平線段arb,分別與液,固相線交 于a和b,a,b兩點之間在成分坐 標(biāo)上的投影CL和C,即分別表 示液,固兩相的成分.,杠桿定律,下面計算液相和固相在溫度t1時的相對含量.設(shè)合金的總質(zhì)量為1,液相的質(zhì)量為WL,固相的質(zhì)量為W,則有 此外,合金中 的含鎳量等于液相和固相中鎳的含量之和,即 由

3、以上兩式可以得出,杠桿定律,如果將合金成分C的r點看作支點,將WL, W看作作用于a和b的力,則按力學(xué)杠桿原理可得出上式.因此將上式稱為杠桿定律,這只是一種比喻.,母材的溶解過程,固態(tài)母材在液態(tài)釬料中的溶解過程是一個多相反應(yīng)過程，它經(jīng)歷兩個階段。 第一階段是母材與釬料接觸的表面層的溶解，這個反應(yīng)發(fā)生在固-液兩相界面上，其實質(zhì)是液體金屬對固體金屬的潤濕和原子在相界面處的交換，破壞固體金屬晶格內(nèi)的原子結(jié)合，使得液體金屬原子與固體金屬表面處的原子之間形成新的鍵，從而完成溶解過程的第一階段。,母材的溶解過程,溶解的第二階段是界面處被溶解的金屬原子透過相界面進(jìn)入液相遠(yuǎn)處的過程，即被溶解的母材原子從邊界擴(kuò)

4、散層向液態(tài)釬料中遷移。 伴隨著溶解，母材有一個均勻化的過程，這主要依賴于對流來實現(xiàn)的。對流是指被溶解的原子受液體運動過程影響而遷移的現(xiàn)象。,母材的溶解過程,根據(jù)對流擴(kuò)散理論，對流遷移促使液體成份很快均勻化。除了緊靠界面的很薄一層外，在整個體積內(nèi)部都發(fā)生均勻化。,均勻化過程（假設(shè)只有母材的溶解過程）,溶解的數(shù)學(xué)表達(dá)式,母材在液態(tài)釬料中的溶解量用下式表示：,G單位面積母材的溶解量 y液態(tài)釬料的密度 cy母材在液態(tài)釬料中的極限溶解度 Vy液態(tài)釬料的體積 S液、固相的接觸面積 a母材的原子在液態(tài)釬料中的溶解系數(shù) t接觸時間,溶解的影響因數(shù),溶解現(xiàn)象與狀態(tài)圖的關(guān)系 溫度的影響 加熱保溫時間的影響,溶解現(xiàn)

5、象與狀態(tài)圖的關(guān)系,在母材釬料所構(gòu)成的體系中，最大溶解量是與其所構(gòu)成的狀態(tài)圖密切相關(guān)的。如果二者所構(gòu)成的狀態(tài)圖在固液狀態(tài)下均無互溶的話，就不會發(fā)生溶解(例如Fe-Ag系,Pb-Cu系)，反之則有溶解現(xiàn)象發(fā)生。,溶解現(xiàn)象與狀態(tài)圖的關(guān)系,母材和釬料在固態(tài)局部互溶，液態(tài)下完全互溶 在T下，當(dāng)用A作為母材， B作為釬料時，在母材A溶 解之前，先需要釬料B向母 材A中擴(kuò)散，使界面處的母材 成份達(dá)到a點時，才發(fā)生溶解。并且母材A進(jìn)入釬料B,使 釬料的成份達(dá)到b點時便停止溶解。,溶解過程與溫度的關(guān)系,圖a是母材與釬料形成固溶體或簡單共晶的情況。溫度升高，溶解速度增大。 圖b是釬焊時母材與釬料在交界面處形成金屬

6、間化合物層。化合物層的出現(xiàn)，阻礙了母材向釬料的擴(kuò)散，使溶解速度降低。,圖a 圖b,溶解過程與溫度的關(guān)系,在右圖中，發(fā)現(xiàn)Cu在Sn中溶解時，開始溶解得快；而在某一溫度區(qū)間內(nèi)的溶解速度變慢。為什么？ 在這一溫度區(qū)間內(nèi)，在界面上開始形成金屬間化合物 金屬間化合物的溶點高，金屬化合物層的出現(xiàn)阻礙了母材原子向液態(tài)釬料中的擴(kuò)散，使得溶解速度降低 在超過其溶點后，金屬間化合物又開始溶解，溶解速度又升高(見右圖)。,加熱保溫時間的影響,在液態(tài)釬料量很多的情況下， 釬焊時間增長，母材的溶解 量增多（如銅在液態(tài)鋅中的 溶解情況）。在溶化釬料中 浸沾釬焊時，容易發(fā)生溶蝕 現(xiàn)象。在毛細(xì)釬焊時，釬縫 內(nèi)的釬料量很少，母

7、材的溶 解很快就達(dá)到飽和狀態(tài)。,溶蝕與溶析,釬焊時釬縫不光滑，有時在釬料的流入端留下一個剩余的釬料瘤，有時又會留下一個凹坑，前者稱為溶析后者稱為溶蝕。 共同原因：釬料的組成和釬焊溫度搭配不當(dāng)。,600釬焊鋁時鋁硅釬料的組成對釬縫的影響，釬縫產(chǎn)生從溶析到溶蝕的不同結(jié)果,溶析,主要發(fā)生在應(yīng)用亞共晶釬料時。 原因：主成分B和母材具有相同 的組元。如果鉛料的成分為a， 工作溫度為T1，釬焊存在的是組 成為s的固相和組成為c的液相。 釬焊進(jìn)行時，液相順著鉛縫流走 ，剩下的是組成為s的固相，而s 只有相當(dāng)于s的溫度時才有可能 溶化，它已接近于母材B的溶點BT ，因此注定它將成為一個贅瘤留 下，形成溶析。,

8、溶析的解釋,溶析的圖解,液態(tài)釬料的低熔點組分在溶解后，產(chǎn)生毛細(xì)填縫現(xiàn)象，形成了釬焊接頭；而高熔點組分則留在了焊縫外，形成焊瘤。,圖左表示液態(tài)釬料還未與母材發(fā)生作用前，釬料放置在母材上 圖右表示釬焊后，發(fā)生了溶蝕現(xiàn)象，留下了焊瘤,溶蝕的原因,釬料合金中的第二相（即與母材不同種的另一組元）與母材的互溶度太大 釬焊溫度過高 釬焊停留的時間過長,溶蝕,如圖所示，亞共晶釬料c與過共晶 釬料e,b將產(chǎn)生溶蝕。這是由于釬 料主成分B與母材相同，所以釬焊 時母材不斷溶入液態(tài)釬料，液態(tài) 釬料組成將沿線T2a向富B方向 移動，組成達(dá)到a后，溶蝕即停止。 其中組成為b的過共晶釬料溶入的 母材最多，因此溶蝕也最劇烈。

9、,溶蝕的解釋,溶蝕,穿孔溶蝕,溶蝕蝕坑,穿孔溶蝕,溶蝕,幾點說明： 實際上釬焊溫度高出釬料液相線許多，嚴(yán)格意義上的溶蝕是不可避免的；只有比較嚴(yán)重的溶蝕才會給工件帶來傷害。 已發(fā)生較嚴(yán)重溶蝕的液態(tài)釬料順著釬縫流走，則會在放置釬料處留下麻面和凹坑。如果不流走，長時間停留原處，則會在此處與母材互溶，改變焊點母材的成分，使母材變形，甚至溶穿。,釬料與母材之間的擴(kuò)散,在釬焊過程中，在釬料潤濕母材的同時就伴有擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。并且在此后的過程中擴(kuò)散過程將繼續(xù)進(jìn)行。 擴(kuò)散本身是一種物質(zhì)傳輸過程，在金屬與合金的晶體中，原子由于熱運動而導(dǎo)致其位置的轉(zhuǎn)移。 在存在濃度梯度和化學(xué)位梯度的情況下，原子的熱運動可以造成物

10、質(zhì)的宏觀流動，這種現(xiàn)象稱之為擴(kuò)散。,晶間擴(kuò)散,釬料向母材中的擴(kuò)散一般為晶間擴(kuò)散。溶融釬料的原子沿母材結(jié)晶界面擴(kuò)散的現(xiàn)象是為晶界擴(kuò)散。 一般來說，晶界擴(kuò)散的能量是比較小的。在相對較低的溫度下，它比體擴(kuò)散更易于進(jìn)行，并且其擴(kuò)散速度也比較快。,擴(kuò)散的基本概念和基本原理,Fick第一定律 在擴(kuò)散過程中，各處的濃度C只隨距離X變化，而不隨時間t變化，即C/t0，此時的擴(kuò)散稱之為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，通過某一截面的擴(kuò)散流量J與垂直與此界面方向上的濃度梯度C/X成正比，其方向與濃度降低的方向一致，寫成公式為: 此式即為一維條件下Fick第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中: 而D為擴(kuò)散系數(shù)，為原子跳動頻率，為原

11、子跳動平均距離。,擴(kuò)散的基本概念和基本原理,Fick第二定律 如果在擴(kuò)散過程中，各處的濃度度隨時間變化，即C/t0，此時通過各處的擴(kuò)散流量不再相等，且隨距離變化，這樣的擴(kuò)散稱之為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，F(xiàn)ick定律具有如下形式: 此式為Fick第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在三維情況下，由于擴(kuò)散系數(shù)D在x、y、z方向上可能不同，故分別用Dx、Dy、Dz來表示。,影響擴(kuò)散的因素,擴(kuò)散溫度 擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大，有公式可以計算出任意溫度下的擴(kuò)散系數(shù)D。即溫度升得越高，擴(kuò)散得越快。 基體金屬的性質(zhì) 同一元素在不同基體金屬中擴(kuò)散時，其擴(kuò)散參數(shù)各不相同。一般規(guī)律是，基體金屬的結(jié)合越強(qiáng)，熔點就越高

12、，其擴(kuò)散激活能就越大，擴(kuò)散也就越困難。 基體金屬的性質(zhì) 同一元素在不同基體金屬中擴(kuò)散時，其擴(kuò)散參數(shù)各不相同。一般規(guī)律是，基體金屬的結(jié)合越強(qiáng)，熔點就越高，其擴(kuò)散激活能就越大，擴(kuò)散也就越困難。,影響擴(kuò)散的因素,擴(kuò)散元素的性質(zhì) 不同元素在同一基體金屬中擴(kuò)散時，其擴(kuò)散參數(shù)也各不相同。一般規(guī)律是，擴(kuò)散元素在基體金屬中所造成的晶格畸變越大，則擴(kuò)散就越容易，激活能也越小。所以，擴(kuò)散元素與基體金屬的原子半徑相差越大，固溶度越小，擴(kuò)散就越快。 擴(kuò)散元素的濃度 擴(kuò)散系數(shù)D與擴(kuò)散元素的濃度有關(guān)，濃度越高，則D值越大，擴(kuò)散就越快。,影響擴(kuò)散的因素,合金元素 在基體金屬中含有其它合金元素時，會對擴(kuò)散產(chǎn)生很大影響。例如:

13、 對于碳在-Fe中的擴(kuò)散，Cr、Mo、W強(qiáng)烈阻礙碳的擴(kuò)散，而Si、Mn、Al的影響則不大。 晶格類型 同一元素在不同晶格的基體金屬中擴(kuò)散時，擴(kuò)散系數(shù)大不相同，并且擴(kuò)散具有各向異性。這在六方晶格金屬中比在立方晶格金屬中表現(xiàn)的更為明顯。在密排六方金屬中平行于Z軸的擴(kuò)散要比垂直于Z軸的擴(kuò)散快一些。,影響擴(kuò)散的因素,固溶體類型 在不同類型的固溶體中，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度不同，這與擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)。一般說來，間隙固溶體中的擴(kuò)散快于置換固溶體中的擴(kuò)散，而缺位固溶體中的擴(kuò)散也快于置換固溶體中的擴(kuò)散。 晶體缺陷 金屬晶體中的空位、位錯、晶界和表面等晶體缺陷在擴(kuò)散過程中起著重要的作用。增加缺陷密度會加速金屬原子和置換

14、原子的擴(kuò)散，而對于間隙原子來說，一方面會加速其擴(kuò)散，另一方面會促使其偏聚，反而阻礙其擴(kuò)散，所以變化比較復(fù)雜。,影響擴(kuò)散的因素,磁性轉(zhuǎn)變 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金在居里點以下表現(xiàn)為鐵磁狀態(tài)時，擴(kuò)散激活能較大，因而擴(kuò)散要慢一些，而當(dāng)其在居里點以上表現(xiàn)為順磁狀態(tài)時，擴(kuò)散激活能較小，因而其擴(kuò)散要快一些。 其它因素 在固態(tài)金屬中如果存在應(yīng)力差，溫度差和電勢差等，也會影響到擴(kuò)散過程。預(yù)先熱處理和冷加工會改變晶體缺陷的密度和分布，也會對擴(kuò)散產(chǎn)生影響。在多相組織中，第二相的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布也將對擴(kuò)散產(chǎn)生影響。 總之， 影響擴(kuò)散的因素是多方面的， 對于具體情況要做具體分析。,釬焊過程中釬料組分與母材之間的擴(kuò)散,根

15、據(jù)擴(kuò)散定律，釬焊時釬料向母材中的擴(kuò)散可確定如下: 其中：dm釬料組分的擴(kuò)散量；D 擴(kuò)散系數(shù)； S 擴(kuò)散面積； dt 擴(kuò)散時間； dC/dx在擴(kuò)散方向上擴(kuò)散組分的濃度梯度。 由上式可見，釬料組分的擴(kuò)散量與濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散時間和擴(kuò)散面積有關(guān)。擴(kuò)散自高濃度向低濃度方向進(jìn)行，當(dāng)釬料中某組元的含量比母材中高時，由于存在濃度梯度，就會發(fā)生該組元向母材金屬中的擴(kuò)散。濃度梯度越大，擴(kuò)散量就越多。,釬焊過程中釬料組分與母材之間的擴(kuò)散,表2-7列出了幾種元素在285下在鉛中的擴(kuò)散系數(shù)，數(shù)據(jù)表明，原子半徑越小，擴(kuò)散系數(shù)就越大。而當(dāng)合金元素存在且其與擴(kuò)散元素的親和力比與基體金屬的親和力更大時，就可能使擴(kuò)散系數(shù)

16、減小，反之，則可能使擴(kuò)散系數(shù)增大。 表2-7 285下幾種元素在鉛中的擴(kuò)散系數(shù),釬焊過程中釬料組分與母材之間的擴(kuò)散,表2-8 一些元素的擴(kuò)散系數(shù),釬焊過程中釬料組分與母材之間的擴(kuò)散,用Cu釬焊Fe時，會發(fā)生液 態(tài)Cu向Fe中的擴(kuò)散。右圖 給出了在1100下Cu在Fe 中的分布。隨著保溫時間 的延長，不但Cu的擴(kuò)散深 度增大，而且擴(kuò)散層中的 Cu含量也增多。,銅釬焊鐵時，銅在擴(kuò)散區(qū)中的分布 1.保溫1分鐘，2.保溫1小時,釬焊過程中釬料組分與母材之間的擴(kuò)散,用Al-28Cu-6Si釬料釬焊Al 時，也可發(fā)現(xiàn)釬料組分向 母材鋁合金中擴(kuò)散的現(xiàn)象 (見右圖）。在釬縫中靠近 界面處的母材上可以看到 一條與釬縫平行的明亮條 帶，它是釬焊時液態(tài)釬料 中的Si和Cu向母材Al中擴(kuò) 散而形成的固溶體。,Al-28Cu-6Si釬料釬焊鋁合金時的金相組織,晶間滲入,晶間滲入的產(chǎn)生是因為在液態(tài)釬料