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、材料连接性确实定〔论述，针对具体例子〕答：定义：材料的集中连接性就是指被连接材料在肯定的集中连接工艺参数条件下直接连接而得到完整的，具备肯定使用性能的集中连接接头的力量影响因素：1〕被连接材料之间的物理性能和化学性能的差异是影响这组材料集中连接性的最主要的影响因素2〕材料连接性与晶体构造、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 金属间化合物与钢物理性能差异对其集中连接性的影响，密度、线膨胀系数、弹性模量、导热系数2、TiAl 金属间化合物与钢化学性能差异对其集中连接性的影响，TiAl 金属间化合物与 40Cr 钢集中连接时，钢中存在的 Fe、Cr、Ni、Cr、C 等元素与 TiAl 金属间化合物中 Ti、Al 元素极易形成多种金属间化合物脆性相，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、集中机理答：在集中过程中，假设晶格的每个节点都被原子占据着，没有供其集中的适当位置，原子的集中也就很难进展由此可见，集中不仅由原子的热运动所把握， 而且还要受具体的晶体构造所制约。

1〕空位集中机制：原子借逐步向其邻近的空位跳动而集中，或者说，原子借空位的运动而集中由于在每一温度下都存在肯定浓度的空位，且随着温度的上升， 空位的浓度增大，因此空位集中机制是材料连接中原子集中时可能性最大的一种集中机制2〕间隙集中机制：集中原子通过在晶格间隙位置间的跃迁而实现的集中称为间隙集中在间隙集中机制中，共有三种集中类型：a) 间隙机制b) 自间隙机制c) 挤列机制3〕交换集中机制：通过两个相邻的原子直接交换位置而进展的原子集中，过程将使交换原子四周产生严峻的晶格畸变而消耗很大的能量，因此这种集中机制是比较难进展的3 物理接触答：集中连接时外表的物理接触〔使外表接近到原子间力的作用范围之内〕是形成连接接头的必要条件外表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、产生各种化学反响的必要条件化学反响的结果，使被连接外表的原子之间形成较为稳定的外层电子集中连接物理接触是依靠一种或两种被连接金属在接触处的塑性变形来实现的在一般的集中连接过程中，实际接触面积的增加，可以分为变形、流淌和实际接触面积连续增加几个阶段。

4、集中连接的去膜机理答：1〕解吸：加热使金属外表的氧化物构造发生变化，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：集中连接时，由于界面间的相互作用，金属外表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复原反响4〕外表变形去膜：假设金属与其氧化物的塑性、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〕 化学反响：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-复原反响5、集中连接的工艺参数答：外表状态、中间层的选择、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、陶瓷与金属焊接时中间层的选择原则答：在陶瓷与金属的集中连接中，一个重要的工艺措施就是承受各种金属中间层， 以便把握界面反响〔抑制或转变界面反响产物〕及缓减因陶瓷与金属的热胀系数不同而引起的剩余应力，从而提高接头的力学性能1） 从把握界面反响来看，可以选择活性金属中间层，也可以承受粘附性金属中间层将粘附性金属和活性金属组合运用，所取得的效果更好。

2） 为缓解接头的剩余应力，中间层的选择可分为三种类型，即单一的金属中间层、多层金属中间层和梯度金属中间层梯度金属中间层是按弹性模量或热胀系数渐渐变化设计的整个中间层表现为在陶瓷一侧的局部热胀系数低、弹性模量高，而在金属一侧的局部热胀系数高、塑性好7、陶瓷连接的主要问题答：1〕陶瓷和金属很难润湿利用钎焊或集中连接的方法连接陶瓷材料，由于熔化的金属在陶瓷外表不能润湿，故很难选择适宜的钎料2〕界面存在很大的热应力由于陶瓷和金属的线膨胀系数差异很大造成的3〕简洁生成脆性化合物陶瓷和金属简洁发生化学反响，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缘由4〕界面化合物很难进展定量分析5〕缺少数值模拟的根本数据6〕接头强度的影响因素、质量把握方法及其牢靠性评价缺乏系统争辩8、陶瓷连接的影响因素答：1〕连接温度的影响温度是集中连接的最重要参数，在热激活过程中，温度对过程的动力学影响显著，连接金属与陶瓷时温度一般到达金属熔点的 80%连接温度与接头强度存在最正确值2〕连接时间的影响连接时间对接头性能的影响也存在最正确值，反响相的强度随连接时间的增加渐渐降低，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属界面到达严密接触增加压力有利于增加外表接触，为原子、分子的集中供给条件但压力的数值高到肯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、液相集中连接机理答：过渡液相集中连接方法在弥散强化高温合金、纤维增加复合材料、异种金属材料以及型材料的连接中得到了大量应用该种方法也称瞬时液相集中连接，通常承受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集中，液膜厚度随之减小直至消逝，再经肯定时间的保温而使成分均匀化与一般的固相集中连接相比，液相集中连接有以下优点：液体金属原子的运动较为自由，易于在母材外表形成稳定的原子排列而凝固；使界面的严密接触变得简洁；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〕把握界面反响，抑制或转变界面反响产物2〕缓减因陶瓷与金属的热胀系数不同而引起的剩余应力，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〕适当地溶解母材外表，破坏氧化膜，不生成有害相，以免韧性降低11、自集中高温连接原理答：概念：自集中高温合成(简称 SHS)，又称燃烧合成(简称 CS)。

自集中高温连接是指利用 SHS 反响的放热及其产物来焊承受焊母材的技术即以反响放出的热为高温热源,以 SHS 产物为焊料,在焊接件间形成结实连接的过程特点：1〕连接时可利用反响原料直接合成梯度材料来连接异种材料，其成分组织渐渐过渡，以抑制母材间化学、力学和物理性能的不匹配，从而可能缓解接头处的剩余应力2〕对于某些受焊母材的连接，可承受与制备母材工艺相像的连接工艺，从而可使母材与焊料有很好的物理、化学相容性3〕依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属、耐热材料、耐蚀氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金属间化合物5〕接头完整、焊缝区产物密度高且物相要分布均匀，都猛烈的依靠于SHS 反响的温度反响产物的致密度与是否消灭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〕最正确的连接温度应高于低熔点组元的熔点，以便在反响过程中消灭液相，获得致密的接头7〕SHS 连接一般在真空条件下进展12、自集中高温连接中间层组元的选择答：发生 SHS 反响需要有高放热反响的体系组元，同时还应含有某种能够降低反响引燃温度的组元。

依据阅历，活泼金属与非金属的反响一般放热量较大，这就要求反响体系中含有活泼金属和小原子非金属而为了体系比较简洁引燃，往往在反响体系中参加一些低熔点金属以降低体系的引燃温度，为了 SHS 连接能够比较简洁实现，选择的组元应当比反响体系的其他组元熔点稍低 1〕常用的活泼金属主要有 Ti，Zn，Ni 等2） 常用的小原子非金属主要有 C，N，B 三种元素3） 在选用低熔点组元之后，在选择中间层各元素相对含量时必需留意不要使反响体系到达的最高温度超过该元素的沸点对于被连接母材TiAl 而言，选用Al 元素作为中间反响层组元比较适宜13、生成固溶体类型的合金元素的集中14、生成金属间化合物类型的合金元素的集中钎焊局部1、Young 氏方程推导及意义dGsurf= d (sA) = sdA + Ads答：根本假设：过程发生在抱负外表上；系统到达平衡状态；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于外表自由能的变化即:= -sllgsg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 dA cos(q - dq) 所以: dGsurfs dA +sdA +sdA cos(q - dq ) + Ads由于 dq << q , 可以无视, 而 ds = 0 ， 则有:dGsurf= -dA(ss s--sl lgcosq )sg, dG当系统平衡时-surf= 0 , 而 dA ≠ 0, 所以有:-s ssg sls cosq = 0sglg由此即得 Young 氏方程: cosq = (ss s-)/sl lg。

cosθ 又称为“润湿系数”明显，θ 和 cosθ 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恒温、恒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,固然没有到达平衡状态,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 ,但在用来进展一般的定性推断时,则可借助于 Young 氏方程2、钎剂掩盖条件下相关问题答：由 Young 方程可知，要促进润湿则需要使σ sg 增加，或使σ lg 和σ sl 下降．而在实际钎焊过程中，最常承受的方法是用其次种液体(钎剂)掩盖在钎料与母材的外表上，从而使界面的状况发生变-=化．此时有：s ssf sls cosq lf假设在使用钎剂后可以使σ sf＞σ sg 或使σ lf＜σ lg，就可以促进润湿争辩觉察，界面有传质作用发生时，界面张力会下降在初始阶段，界面传质速度过低，由于外表电荷的影响，界面张力微有上升， 随后就直线下降亦即界面张力的下降与界面传质速度的上升成反比据此类推，钎剂与固体母材的界面张力应有类似的关系亦即在钎料－钎剂和母材－钎剂的界面上同时发生传质反响，因而使润湿效果显著增加。

界面张力的下降与传质速度有关， 但只有在肯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肯定时效的缘由之一在实际运用中，传质速度是依据母材的主要金属成分与钎剂中析出〔传质〕的物质之间的电极电位差而确定的要留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假设传质速度过快，传质物质来不及与母材或钎料合金化，则会使析出的金属呈微粒状态悬浮于钎剂中，宏观表现为钎剂发黑3、Young-Laplace 方程答：对于一般状况，描述一个曲面需要两个曲率半径，对于球面，两个曲率半径相等。