固相连接界面行为讲议

1、5.2.5扩散连接界面的力学行为由于异种材料间热胀系数差异的存在，当接头从连接温度冷却到室温或在不同温度区间使用时，都会在接头中产生残余应力。残余应力的形成，直接影响接头的性能，甚至导致接头在冷却过程中发生破坏。对于残余应力进行分析和测量，并在此基础上采取缓解措施是提高异种材料扩散连接接头性能的一个有效途径。常采用方法和有限元方法进行分析计算，并以计算结果作为缓解措施的依据。1、热应力的产生热应力的产生主要与材料物理特性、接合体的形状和温度分布有关。图中Me和C分别表示金属和陶瓷，A原子是界面的任意一点，A点加热时产生膨胀，冷却时，如果能够收缩，A点对应于陶瓷和金属材料将分别转移到AC和AMe

2、，但由于扩散连接后 A点同时属于陶瓷和金属共有，如果接合强度大于热应力，此时将产生变形，陶瓷和金属的体积变化及由体积变化引起的变形、应力分别为：VC=3aCT VMe=3aMeTe=VMe-VC=3（aMe- aC）T式中：T-加热和冷却的温度差；aC-陶瓷的线膨胀系数；aMe-金属的线膨胀系数；e-由体积变化引起陶瓷的变形；sMe-变形产生的应力；EC-陶瓷的弹性系数。对于线膨胀系数为a1和a2、弹性系数为E1和E2的两种材料，如果温度上升分别为T1和T2，当第二种材料的厚度远远大于第一种材料时，界面热应力可根据公式求出。sMe= 3EC（aMe- aC）Ts1=（a2T2- a1T1）E1

3、2、影响热应力的1）材料材料主要包括线膨胀系数、弹性系数、泊松比、界面特性、被连接材料的孔隙率、材料的屈服强度以及加工硬化系数等。其中，异种材料间热形变差（a1T1-a2T2）、弹性系数比（E1/E2）、泊松比的比值（n1/ n2）是影响热应力的主要。2）接头形状接头形状主要包括板厚、板宽、长度、连接材料的层数、层排列顺序、接合面形状和接合面的粗糙度。其中，两种材料的厚度比、接合体的长度与厚度之比是影响热应力的主要。3)温度分布的影响不同的加热方式，加热温度，速度及冷却速度等工艺参数，也会对影响热应力的分布。5.2.5.1法接头几何模型有两类，即柱体模型和板状模型。柱体模型规定陶瓷与金属(包括

4、中间层)的界面尺寸小于其垂直方向的尺寸，而板状模型规定陶瓷与金属(包括中间层)的界面尺寸大于其垂直方向的尺寸。在柱体模型中，界面边缘附近的残余应力，柱体表面上垂直于界面方向的残余应力，可用下式计算。采用这两个公式计算均表明，在陶瓷/金属接头中，最大拉应力出现在界面附近的陶瓷表面上，这与试验结果和有限元分析是一致的。柱体模型5.2.5.1法在板状模型中，计算陶瓷/金属接头中陶瓷内的热应力可用下式；而对于金属内的残余应力，弹性区和塑性区可分别用后面两式表示。利用板状模型公式对陶瓷/金属接头中的残余应力计算表明，所得结果与试验结果基本一致。薄板模型由于计算中所用的中间参量尚需经过复杂的运算才能得到，

5、有时甚至无法求解，因此这种局限。方法的实用性具有很大的5.2.5.2有限元法1）线弹性分析线弹性分析的前提是假设陶瓷和金属在整个连接过程期间均为弹性体，亦即在热应力的作用下只发生弹性变形。当然，在陶瓷/金属接头中的金属未发生塑性变形的情况下，采用线弹性分析方法还是很精确的，而且计算工作量小，耗费时间也短。氮化硅陶瓷与S45C接头残余应力的X射线直接测定结果与ANSYS5.0有限元弹性分析结果。从图中可以看出由于热膨胀系数不同，致使连接界面的氮化硅处产生拉应力，金属侧产生压应力，而Si3N4处的最大拉应力是发生在离界面约0.5mm的位置，这个残余应力是导致连接体强度下降的重要原因。采用Al中间层

6、对Al2O3与低碳钢进行连接时，通过线弹性分析所得到的接头轴向残余应力在Al2O3侧最高达到1000MPa，而在Al中间层中最高达到700MPa。5.2.5.2有限元法2）弹塑性分析方法弹塑性分析方法考虑金属塑性变形对于残余应力的影响，尤其是考虑温度对材料性能变化影响的。Al2O3/Cu扩散连接接头残余应力分析的有限元模型和具体分析结果，其中r、z和rz分别为径向应力、轴向应力和剪切应力。异种材料接头的热应力控制1、热应力的控制方法必须从降低温度差、减小线膨胀系数差以及改善接头结构方面进行应力缓和。在保证接头质量的前提下应尽可能采用较低的连接温度。2、中间层材质及厚度对热应力的影响单一金属中间

7、层通常采用软金属，如Al 、Cu、Ni及Al-Si合金等，也可以采用高弹性金属Mo、W等。多层金属中间层与单一金属中间层相比，降低接头残余应力的效果更好，尤其适用于热胀系数相差较大的陶瓷与金属接头。梯度金属中间层可按弹性模量或线膨胀系数逐渐变化设计。整个中间层表现为在陶瓷一侧的线膨胀系数低、弹性模量高，而在金属一侧的线膨胀系数高、塑性好。异种材料接头的热应力控制3、中间层材料常数对热应力的影响中间层的线膨胀系数小于母材时，增加中间层的厚度可以起到缓和热应力的作用，而当线膨胀系数大于母材，薄中间层的应力缓和效果比厚中间层好。中间层弹性系数对热应力的影响与线膨胀系数相反，当材料的弹性系数较小，应采

8、用较薄的中间层，而当材料的弹性系数较大时，厚中间层的热应力缓和效果显著。4、接头形状及尺寸对热应力的影响5.2.5.2有限元法选择弹塑性本构方程模式来描述扩散连接热循环中的应力-应变关系，其多轴应力应变关系为：&ijel ijpl&ij其性应变速率遵循Duhamel-ann法则： d 1 & elkkij dtijij EE在塑性状态的描述中，采用经典的Mises屈服准则及Prandtl-Reuss方程：3d2pl eqdplSijijeTiAl/Ti/V/Cu/40Cr接头模拟试件二维有限元网格Table5-3 Material parameters used in FEM calculat

9、ion材料温度(K)弹性模量(GPa)泊松比热膨胀系数(10-6/K)屈服应力(MPa)硬化系数(GPa)TiAl2931760.3011.64503.440Cr2934735736737738732112021951861771650.280.280.290.290.280.2513.013.213.413.914.214.47897066816133904313.33.02.72.01.51.2Ti2934735736737738739495837772630.408.48.69.19.39.49.8450200.9Cu2934735736737738731080.3517.117.217

10、.818.118.320.3691.51.41.31.21.10.9V2931320.308.34522.8W2934100.304.54503.2Mo2933270.305.24503.5Nb2931040.307.24102.4Relationship of residual stress factor, thickness factor and tensile residual stressmax, shear residual stressmax中间层残余应力因子Rf=E0.2wE 0.2 w12中间层厚度因子Tf=活性层WMoVNbTiCu(10-6/K)4.55.28.37.28.

11、417.1E (GPa)4103270.2 (MPa)45045045241045069w(GPa)3.23.52.82.41.91.2Tf (1022Pa3/K)484.2386.471.456.433.83.7|Rf| (1022Pa3/K)419.2329.655.145.025.64.9max (MPa)43634927522118886max (MPa)33328827125720857350100030080025020060015040010020050000.0050.010.0150.020.0050.010.0150.02XXEffect of relative thick

12、ness oferlayer on residual stress distributionhe TiAl/40Cr jomax,MPamax,MPaWMoVNbTiCu中间层材料的接触强化 s=isK b=ibK式中：s为在接头间层剪切强度；is为中间层材料的剪切强度；间层拉伸强度；b为在接头ib为中间层材料的拉伸强度；K为强化系数。K=/4+1/(33/2X) 式中：X=h/d；X为相对厚度；h为中间层厚度值；d为试件的直径。中间层力学选择原则：考虑到中间层的接触强化影响及被焊金属表面物理接触的形成要求，当选择中间层时，为降低接头的残余应力，应尽量选择|Rf|、Tf较小的，同时中间层厚度应

13、在能保障形成充分物理接触的前提下取较小的厚度。残余应力控制工艺规范的优化加入中间层接头的结构设计接头形式设计氧化铝陶瓷与不锈钢的物理性质残余应力控制工艺优化/minin/min35/m不同冷却速度下接头的残余应力。10600 xx zzyy0ceramicsteel直接对接接头 -60088.599.51010.5 11 11.512 12.5distance / mmStressMPa采用有限元数值模拟的方法计算接头残余应力分布。400 xxyyzz0-40088.599.51010.5 11 11.5distance / mm12 12.5与直接对接相比，采用接头接头最大残余应力降低近20

14、0MPa。StressMPa以可伐合金为中间层连接氧化铝陶瓷与不锈钢接头 与直接对接相比，接头最大残余应力降低近400MPa。采用该形式接头进行实际结构连接。A12O3陶瓷和Al扩散连接由于A12O3陶瓷和Al的相差太大，因此采用烧结Cu工艺将Al2O3陶瓷表面预先金属化，然后采用扩散连接工艺进行Al2O3陶瓷与Al的扩散连接。采用四节点等参平面应力单元对模拟件进行网格划分。在模型中所施加的边界条件有两个：（1）位移边界条件，施加于Al2O3陶瓷片底部上的所有节点（x=0，y=0）；（2）力载荷边界条件，施加于纯Al板上表面所有节点，并采用弹-塑性方案进行分析，冷却过程为模拟件所承受的唯一外加

15、温度载荷。热应力首先出现于界面处，然后逐渐瓷下表面的端部推 移，最后在端点处形成应力集中。应力集中过程是一个循环积累的过程：以 Al2O3/Cu/Al间的界面为应力源，不断向陶瓷内、推移，最后集中在陶瓷下表面的端部。当陶瓷下表面端部的应力集中达到一定的数值时，陶瓷将产生微小的变形而使应力集中得到一定地缓解，产生应力松弛现象。应力松弛过程与应力集中过程相反：以端部应力集中区为应力源，不断瓷和界面处推移。在应力松弛过程中压应力的值逐渐增大、压应力区域也不断扩大，这表明陶瓷逐渐向上发生翘曲变形，随着变形量的增大，端部拉应力逐渐降低，拉应力分布区域减小，而压应力的值逐渐增大、压应力区域不断扩大。Si3N4/Cu/S45C钢接头的残余应力接合界面附近的拉应力和剪应力分布，应力大小及分布随界面的距离而变化，离界面0.1mm时，接头中心的应力最大，而当离界面距离增加到0.5mm以上时，拉应力的最大值都出现在试件边缘，达到200MPa，剪应力的分布和拉应