扩散连接原理-焊接成型原理精品课-课件.ppt

1、LOGO焊接成型原理焊接成型原理长春工业大学材料科学与工程学院长春工业大学材料科学与工程学院课件制作：徐世伟课件制作：徐世伟指导教师：刘耀东指导教师：刘耀东7.17.27.37.4 7.5 7.1.2 扩散连接方法的分类扩散连接方法的分类 7.1.3 扩散连接的研究与应用扩散连接的研究与应用Contents 7.2 固相扩散连接固相扩散连接图图7一一3 原子之间作用力与原子原子之间作用力与原子间距离的关系间距离的关系图图7一一4 固体金属的表面结构固体金属的表面结构 7.2.2 固相扩散连接过程固相扩散连接过程 目前，人们认为扩散连接包括以下三个过程目前，人们认为扩散连接包括以下三个过程：（：

2、（1）塑性塑性变形使连接表面接触变形使连接表面接触;（2）晶界迁移和孔洞消失）晶界迁移和孔洞消失;(3)界界面和孔洞消失过程。下面分别叙述各阶段的过程和机理。面和孔洞消失过程。下面分别叙述各阶段的过程和机理。(1)塑性变形使连接表面接触塑性变形使连接表面接触 固相扩散连接时，材料表面通常是进行机械加工后固相扩散连接时，材料表面通常是进行机械加工后再进行研磨、抛光再进行研磨、抛光(包括化学抛光包括化学抛光)和清洗，加工后材料表和清洗，加工后材料表面在微观上仍然是粗糙的、存在许多面在微观上仍然是粗糙的、存在许多0.1一一5m的微观的微观凹凸，且表面还常常有氧化膜覆盖。将这样的固体表面相凹凸，且表面

3、还常常有氧化膜覆盖。将这样的固体表面相互接触，在不施加任何压力的情况下，只会在凸出的顶峰互接触，在不施加任何压力的情况下，只会在凸出的顶峰处出现接触，如图处出现接触，如图7-5(a。初始接触区面积的大小与材料。初始接触区面积的大小与材料性质、表面加工状态以及其它许多因素有关。性质、表面加工状态以及其它许多因素有关。根据根据Hill和和Wa11ah的分析，塑性屈服引起的接合长度的分析，塑性屈服引起的接合长度为为图图710 单元胞的定义单元胞的定义 在第二阶段，机理在第二阶段，机理(2)一一(4)对接合长度的贡献为对接合长度的贡献为 由上式可知由上式可知:温度愈高，扩散系数愈大。同时，温度温度愈高

4、，扩散系数愈大。同时，温度愈高，金属的塑性变形能力愈好，连接表面达到紧密接触愈高，金属的塑性变形能力愈好，连接表面达到紧密接触所需的压力愈小。所需的压力愈小。从这两方面考虑，似乎连接温度愈高愈好。但是，加从这两方面考虑，似乎连接温度愈高愈好。但是，加热温度的提高受到被连接材料的冶金物理特性方面的限制，热温度的提高受到被连接材料的冶金物理特性方面的限制，如再结晶、低熔共晶和中间金属化合物的生成等。此外，如再结晶、低熔共晶和中间金属化合物的生成等。此外，提高加热温度还会造成母材软化，因此要特别注意。提高加热温度还会造成母材软化，因此要特别注意。因此，不同材料组合的连接接头，应根据具体情况，因此，不

5、同材料组合的连接接头，应根据具体情况，通过实验来选定连接温度。通过实验来选定连接温度。压力压力P为为20MPa时，时，1273K的接头强度比的接头强度比1073K的的只增加了约只增加了约0.4倍。此外，温度只能在一定范围内提高接头的倍。此外，温度只能在一定范围内提高接头的强度，过高反而使接头强度下降强度，过高反而使接头强度下降(图图7一一21中曲线中曲线3、4)，这，这是由于随着温度的增高，是由于随着温度的增高，母材连接表面的微观塑性变形在扩散连接中具有重要母材连接表面的微观塑性变形在扩散连接中具有重要的作用。因此，母材的硬度、晶体结构、加工硬化层性质、的作用。因此，母材的硬度、晶体结构、加工

6、硬化层性质、晶粒度、相变和析出等金属物理性质对扩散连接十分晶粒度、相变和析出等金属物理性质对扩散连接十分图图7-26 连接机理、连接缺陷和连接参数选择连接机理、连接缺陷和连接参数选择 然而，对于几乎所有的陶瓷然而，对于几乎所有的陶瓷/金属系统，由于参与扩散的金属系统，由于参与扩散的组元通常多于二个，因而其扩散组元通常多于二个，因而其扩散 Contents Contents 7.4 瞬问液相扩散连接瞬问液相扩散连接连接连接时间，生产效率较低时间，生产效率较低;研究表明研究表明TLP连接过程可分为四个阶段连接过程可分为四个阶段:(l)中间层溶解或熔化中间层溶解或熔化;(2)液相区增宽和成分均匀化液

7、相区增宽和成分均匀化;(3)等温凝固等温凝固;(4)固相成分均匀化。固相成分均匀化。模型的建立基于以下几点假设模型的建立基于以下几点假设:(1)固液界面呈局部平衡固液界面呈局部平衡;(2)由于中间层的厚度很薄由于中间层的厚度很薄,忽忽略液体的对流略液体的对流,从而把从而把TLP连接作为一个纯扩散问题处连接作为一个纯扩散问题处理理;(3)液相和固相中原子的相互扩散系数液相和固相中原子的相互扩散系数DS和和DL与成分与成分无关，并且无关，并且，和液相和液相(L)各个相的偏摩尔体积相等。各个相的偏摩尔体积相等。图图7一一33示意地表示了在示意地表示了在TLP连接的不同阶段连接区域中连接的不同阶段连接

8、区域中成分的变化。成分的变化。7.4.3 瞬间液相扩散连接过程与模型瞬间液相扩散连接过程与模型 图图7-34 PTLP连接过程示意图连接过程示意图(a)陶瓷陶瓷/中间层中间层/陶瓷陶瓷 (b)微观设计的中间层微观设计的中间层 (C连接后的均匀中间层连接后的均匀中间层 陶瓷陶瓷PTLP连接过程与金属材料连接过程与金属材料TLP连接基本类似，也包连接基本类似，也包括四个阶段。但它们的最大区别在于前者连接过程中会形括四个阶段。但它们的最大区别在于前者连接过程中会形成反应层。成反应层。图图7-35 示意地表示了示意地表示了PTLP连接的几个阶段，并把反应连接的几个阶段，并把反应层分为两部分：层分为两部分：一是在液相区成分均匀化过程中形成的一是在液相区成分均匀化过程中形成的,其厚度用其厚度用 Z2表示表示;另一是在等温凝固过程阶段形成的另一是在等温凝固过程阶段形成的,其厚度用其厚度用Z3表示。表示。Contents 7.5 扩散连接过程的数值模拟扩散连接过程的数值模拟 7.5.1 接头物理接触行为的模拟接头物理接触行为的模拟图图7一一37 扩散连接过程的二维模型扩散连接过程的二维模型 7.5.2元素扩散与反应层形成的模拟元素扩散与反应层形成的模拟图图7-39扩散连接元素浓度分布扩散连接元素浓度分布 本章小结本章小结