材料连接过程中的界面行为.docx

材料连接过程中的界面行为1、材料连接性的确定（论述，针对具体例子）答：定义：材料的扩散连接性就是指被连接材料在一定的扩散连接工艺参数条件下直接连接而得到完整的，具备一定使用性能的扩散连接接头的能力影响因素：1）被连接材料之间的物理性能和化学性能的差别是影响这组材料扩散连接性的最主要的影响因素2）材料连接性与晶体结构、类型与性质的关系3）材料连接性与原子半径的关系4）材料连接性与元素负电性的关系5）材料连接性与相图的关系例子：1、TiAl金届问化合物与钢物理性能差异对其扩散连接性的影响，密度、线膨胀系数、弹性模量、导热系数2、TiAl金届问化合物与钢化学性能差异对其扩散连接性的影响，TiAl金届问化合物与40Cr钢扩散连接时，钢中存在的Fe、Cr、Ni、Cr、C等元素与TiAl金届问化合物中Ti、Al元素极易形成多种金届问化合物脆性相，尤其是TiC的生成，接头力学性能进一步下降，连接质量较差2、扩散机理答：在扩散过程中，如果晶格的每个节点都被原子占据着，没有供其扩散的适当位置，原子的扩散也就很难进行由此可见，扩散不仅由原子的热运动所控制，而且还要受具体的晶体结构所制约1）空位扩散机制：原子借逐步向其邻近的空位跳动而扩散，或者说，原子借空位的运动而扩散。

由于在每一温度下都存在一定浓度的空位，且随着温度的升高，空位的浓度增大，因此空位扩散机制是材料连接中原子扩散时可能性最大的一种扩散机制2）间隙扩散机制：扩散原子通过在晶格间隙位置问的跃迁而实现的扩散称为间隙扩散在间隙扩散机制中，共有三种扩散类型：a）间隙机制b）自间隙机制c）挤列机制3）交换扩散机制：通过两个相邻的原子直接交换位置而进行的原子扩散，过程将使交换原子附近产生严重的晶格畸变而消耗很大的能量，因此这种扩散机制是比较难进行的3物理接触答：扩散连接时表面的物理接触（使表面接近到原子问力的作用范围之内）是形成连接接头的必要条件表面凹凸变形的接触面积，一般称为物理接触面积物理接触面积取决于材料的性质和施加的压力，物理接触是界面元素之间产生电子相互交换的过称、产生各种化学反应的必要条件化学反应的结果，使被连接表面的原子之间形成较为稳定的外层电子扩散连接物理接触是依靠一种或两种被连接金届在接触处的塑性变形来实现的在一般的扩散连接过程中，实际接触面积的增加，可以分为变形、流动和实际接触面积继续增加几个阶段4、扩散连接的去膜机理答：1）解吸：加热使金届表面的氧化物结构发生变化，提高真空度可使氧化物解吸的温度下降。

2）升华：当氧化物的饱和蒸气压高于该氧化物在气相中的蒸气分压时，在真空中的氧化膜可升华3）溶解：扩散连接时，由于界面间的相互作用，金届表面的氧化膜向基体中溶解，或利用母材中所含的合金元素发生还原反应4）表面变形去膜：如果金届与其氧化物的塑性、硬度、热膨胀系数相差很大，即使极其微小的变形也会破坏氧化膜的整体性而龟裂成碎片被除去5）化学反应：真空系统中残留的H2O、CO2等化学活性气体，会与被连接材料的表面发生氧化-还原反应5、扩散连接的工艺参数答：表面状态、中问层的选择、温度、压力、时间和气体介质等最主要的有4个参数，即温度、压力、时间和真空度6、陶瓷与金届焊接时中问层的选择原则答:在陶瓷与金届的扩散连接中，一个重要的工艺措施就是采用各种金届中间层，以便控制界面反应（抑制或改变界面反应产物）及缓减因陶瓷与金届的热胀系数不同而引起的残余应力，从而提高接头的力学性能1）从控制界面反应来看，可以选择活性金届中间层，也可以采用粘附性金届中间层将粘附性金届和活性金届组合运用，所取得的效果更好2）为缓解接头的残余应力，中间层的选择可分为三种类型，即单一的金届中间层、多层金届中间层和梯度金届中间层梯度金届中间层是按弹性模量或热胀系数逐渐变化设计的。

整个中间层表现为在陶瓷一侧的部分热胀系数低、弹性模量高，而在金届一侧的部分热胀系数高、塑性好7、陶瓷连接的主要问题答：1）陶瓷和金届很难润湿利用钎焊或扩散连接的方法连接陶瓷材料，由于熔化的金届在陶瓷表面不能润湿，故很难选择合适的钎料2）界面存在很大的热应力由于陶瓷和金届的线膨胀系数差别很大造成的3）容易生成脆性化合物陶瓷和金届容易发生化学反应，在界面生成各种碳化物、氮化物、硅化物以及多元化合物，这些化合物硬度高、脆性大，是造成接头脆性断裂的主要原因4）界面化合物很难进行定量分析5）缺少数值模拟的基本数据6）接头强度的影响因素、质量控制方法及其可靠性评价缺乏系统研究8、陶瓷连接的影响因素答：1）连接温度的影响温度是扩散连接的最重要参数，在热激活过程中，温度对过程的动力学影响显著，连接金届与陶瓷时温度一般达到金届熔点的80%0连接温度与接头强度存在最佳值2）连接时间的影响连接时间对接头性能的影响也存在最佳值，反应相的强度随连接时间的增加逐渐降低，而界面强度随时间的增加在最初时刻呈现上升趋势，当超过某一连接时间后强度不再增加，接头呈现出的宏观强度是二者的组合3）连接压力的影响连接压力的作用主要是使陶瓷与金届界面达到紧密接触。

增加压力有利于增加表面接触，为原子、分子的扩散提供条件但压力的数值高到一定程度时会在陶瓷中引起显微裂纹，从而降低接头的强度9、液相扩散连接机理答：过渡液相扩散连接方法在弥散强化高温合金、纤维增强复合材料、异种金届材料以及新型材料的连接中得到了大量应用该种方法也称瞬时液相扩散连接，通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化与一般的固相扩散连接相比，液相扩散连接有以下优点：液体金届原子的运动较为自由，易于在母材表面形成稳定的原子排列而凝固；使界面的紧密接触变得容易；可大幅度降低连接压力10、液相连接中间层的选择方法答：1）控制界面反应，抑制或改变界面反应产物2）缓减因陶瓷与金届的热胀系数不同而引起的残余应力，从而提高接头的力学性能3）要求液相的凝固时间和接头的均质化时间尽量短4）适当地溶解母材表面，破坏氧化膜，不生成有害相，以免韧性降低11、自蔓延高温连接原理答：概念：自蔓延高温合成（简称SHS）,乂称燃烧合成（简称CS）自蔓延高温连接是指利用SHS反应的放热及其产物来焊接受焊母材的技术。

即以反应放出的热为高温热源，以SHS产物为焊料，在焊接件问形成牢固连接的过程特点：1）连接时可利用反应原料直接合成梯度材料来连接异种材料，其成分组织逐渐过渡，以克服母材问化学、力学和物理性能的不匹配，从而可能缓解接头处的残余应力2）对丁某些受焊母材的连接，可采用与制备母材工艺相似的连接工艺，从而可使母材与焊料有很好的物理、化学相容性3）根据被连接母材来源不同，SHS连接可分为一次连接和二次连接4）SHS连接可用来连接同种和异型的难熔金届、耐热材料、耐蚀氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金届问化合物5）接头完整、焊缝区产物密度高且物相要分布均匀，都强烈的依赖丁SHS反应的温度反应产物的致密度与是否出现液相和连接过程中施加的压力大小有关在不影响接头其它性能的前提下，要求连接温度和连接压力越高越好6）最佳的连接温度应高丁低熔点组元的熔点，以便在反应过程中出现液相，获得致密的接头7）SHS连接一般在真空条件下进行12、自蔓延高温连接中间层组元的选择答：发生SHS反应需要有高放热反应的体系组元，同时还应含有某种能够降低反应引燃温度的组元根据经验，活泼金届与非金届的反应一般放热量较大，这就要求反应体系中含有活泼金届和小原子非金届。

而为了体系比较容易引燃，往往在反应体系中加入一些低熔点金届以降低体系的引燃温度，为了SHS连接能够比较容易实现，选择的组元应该比反应体系的其他组元熔点稍低1）常用的活泼金届主要有Ti,Zn,Ni等2）常用的小原子非金届主要有C,N,B三种元素3）在选用低熔点组元之后，在选择中问层各元素相对含量时必须注意不要使反应体系达到的最高温度超过该元素的沸点对丁被连接母材TiAl而言，选用Al元素作为中间反应层组元比较合适13、生成固溶体类型的合金元素的扩散14、生成金届问化合物类型的合金元素的扩散钎焊部分1、Young氏方程推导及意义答：基本假设：过程发生在理想表面上；系统达到平衡状态；体系的温度、压力和组成均不发生变化则体系的总自由能变化仅取决丁表面自由能的变化即：dGsurf=d（oA）=；：dAAd：公式推导：在钎料铺展过程中，设体系在平衡条件下固液相界面面积增加dA,则液气相界面面积增加量dAcos（0-四）所以：dGsurf--：sgdA〜sidAi，igdAcos（m-d^Ad二由丁d日《0,可以忽略，而d0,则有:dGsurf=—dA(；「sg-;「sl-;「lgCOS当系统平■衡时，dGsurf=0,而dA丰0,所以有:■:「sg_■:R_■:「lgcos[由此即得Young氏方程:cos8=(osg—质yoig。

cos9乂称为“润湿系数”显然，0和cos均可用来衡量润湿程度的大小意义：Young氏方程的推导是假定在包温、包压和组成不变的平衡条件下得到的，但在实际钎焊过程中，温度和组成都可能发生变化，并且在钎料铺展的过程中，铺展面积不断扩大，当然没有达到平衡状态，因此，严格地说，Young氏方程是不适合用来描述钎料铺展过程的，但在用来进行一般的定性判断时，则可借助丁Young氏方程2、钎剂覆盖条件下相关问题答：由Young方程可知，要促进润湿则需要使o-sg增加，或使o-lg和o-sl下降.而在实际钎焊过程中，最常采用的方法是用第二种液体（钎剂）覆盖在钎料与母材的表面上，从而使界面的情况发生变化.此时有：bsf—bsl=Gifcos8如果在使用钎剂后可以使bsf>bsg或使blf

界面张力的下降与传质速度有关,但只有在一定的时间内保持线性下降的关系随着传质速度的减缓，界面张力将上升这也是钎剂的活性有一定时效的原因之一在实际运用中，传质速度是根据母的物质之间的电极电位差而确定的要注意传质速度应与传质物质与钎料或母材的合金化速度相匹配如果传质速度过快，传质物质来不及与母材或钎料合金化，则会使析出的金届呈微粒状态悬浮丁钎剂中，宏观表现为钎剂发黑3、Young-Laplace方程相等现在一任意弯曲液面上取一小块长方形的曲面答：对丁一般情况，描述一个曲面需要两个曲率半径，对丁球面，两个曲率半径在曲面上任意选取两个互相垂直的正截面，它们的交线OZ即为O点的法线设曲面边缘AB和BC弧段的曲率半径分另U为R1和R2,如令曲面ABCD沿法线方向移动微小距离dz,使曲面移到A'B'C'D'位置，其面积扩大为(x+dx)(y+dy),则移动后曲面面积增量为：:A=(xdx)(ydy)-xy=xdyydx形成此额外表面所需要做的功为:W，=b(xdy+ydx)由丁弯曲表面上有附加压力PA,所以表面扩展需要克服这种附加压力而做功，即W=PAdV,dV是由曲面移动时扫过的体积因为dV=xydz,W=PAxydz,ABCD,其面积近似为xy,所以b(xdy+ydx)=PAxydz。

由相似三角形的dx/dz=x/Ri,dx=xdz/Ridy/dz=y/R2,dy=ydzR2所以P。