1、5.2.5擴(kuò)散連接界面的力學(xué)行為由于異種材料間熱脹系數(shù)差異的存在，當(dāng)接頭從連接溫度冷卻到室溫或在不同溫度區(qū)間使用時(shí)，都會(huì)在接頭中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的形成，直接影響接頭的性能，甚至導(dǎo)致接頭在冷卻過(guò)程中發(fā)生破壞。對(duì)于殘余應(yīng)力進(jìn)行分析和測(cè)量，并在此基礎(chǔ)上采取緩解措施是提高異種材料擴(kuò)散連接接頭性能的一個(gè)有效途徑。常采用方法和有限元方法進(jìn)行分析計(jì)算，并以計(jì)算結(jié)果作為緩解措施的依據(jù)。1、熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要與材料物理特性、接合體的形狀和溫度分布有關(guān)。圖中Me和C分別表示金屬和陶瓷，A原子是界面的任意一點(diǎn)，A點(diǎn)加熱時(shí)產(chǎn)生膨脹，冷卻時(shí)，如果能夠收縮，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)于陶瓷和金屬材料將分別轉(zhuǎn)移到AC和AMe

2、，但由于擴(kuò)散連接后 A點(diǎn)同時(shí)屬于陶瓷和金屬共有，如果接合強(qiáng)度大于熱應(yīng)力，此時(shí)將產(chǎn)生變形，陶瓷和金屬的體積變化及由體積變化引起的變形、應(yīng)力分別為：VC=3aCT VMe=3aMeTe=VMe-VC=3（aMe- aC）T式中：T-加熱和冷卻的溫度差；aC-陶瓷的線膨脹系數(shù)；aMe-金屬的線膨脹系數(shù)；e-由體積變化引起陶瓷的變形；sMe-變形產(chǎn)生的應(yīng)力；EC-陶瓷的彈性系數(shù)。對(duì)于線膨脹系數(shù)為a1和a2、彈性系數(shù)為E1和E2的兩種材料，如果溫度上升分別為T1和T2，當(dāng)?shù)诙N材料的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一種材料時(shí)，界面熱應(yīng)力可根據(jù)公式求出。sMe= 3EC（aMe- aC）Ts1=（a2T2- a1T1）E1

3、2、影響熱應(yīng)力的1）材料材料主要包括線膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)、泊松比、界面特性、被連接材料的孔隙率、材料的屈服強(qiáng)度以及加工硬化系數(shù)等。其中，異種材料間熱形變差（a1T1-a2T2）、彈性系數(shù)比（E1/E2）、泊松比的比值（n1/ n2）是影響熱應(yīng)力的主要。2）接頭形狀接頭形狀主要包括板厚、板寬、長(zhǎng)度、連接材料的層數(shù)、層排列順序、接合面形狀和接合面的粗糙度。其中，兩種材料的厚度比、接合體的長(zhǎng)度與厚度之比是影響熱應(yīng)力的主要。3)溫度分布的影響不同的加熱方式，加熱溫度，速度及冷卻速度等工藝參數(shù)，也會(huì)對(duì)影響熱應(yīng)力的分布。5.2.5.1法接頭幾何模型有兩類，即柱體模型和板狀模型。柱體模型規(guī)定陶瓷與金屬(包括

4、中間層)的界面尺寸小于其垂直方向的尺寸，而板狀模型規(guī)定陶瓷與金屬(包括中間層)的界面尺寸大于其垂直方向的尺寸。在柱體模型中，界面邊緣附近的殘余應(yīng)力，柱體表面上垂直于界面方向的殘余應(yīng)力，可用下式計(jì)算。采用這兩個(gè)公式計(jì)算均表明，在陶瓷/金屬接頭中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在界面附近的陶瓷表面上，這與試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析是一致的。柱體模型5.2.5.1法在板狀模型中，計(jì)算陶瓷/金屬接頭中陶瓷內(nèi)的熱應(yīng)力可用下式；而對(duì)于金屬內(nèi)的殘余應(yīng)力，彈性區(qū)和塑性區(qū)可分別用后面兩式表示。利用板狀模型公式對(duì)陶瓷/金屬接頭中的殘余應(yīng)力計(jì)算表明，所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。薄板模型由于計(jì)算中所用的中間參量尚需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算才能得到，

5、有時(shí)甚至無(wú)法求解，因此這種局限。方法的實(shí)用性具有很大的5.2.5.2有限元法1）線彈性分析線彈性分析的前提是假設(shè)陶瓷和金屬在整個(gè)連接過(guò)程期間均為彈性體，亦即在熱應(yīng)力的作用下只發(fā)生彈性變形。當(dāng)然，在陶瓷/金屬接頭中的金屬未發(fā)生塑性變形的情況下，采用線彈性分析方法還是很精確的，而且計(jì)算工作量小，耗費(fèi)時(shí)間也短。氮化硅陶瓷與S45C接頭殘余應(yīng)力的X射線直接測(cè)定結(jié)果與ANSYS5.0有限元彈性分析結(jié)果。從圖中可以看出由于熱膨脹系數(shù)不同，致使連接界面的氮化硅處產(chǎn)生拉應(yīng)力，金屬側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，而Si3N4處的最大拉應(yīng)力是發(fā)生在離界面約0.5mm的位置，這個(gè)殘余應(yīng)力是導(dǎo)致連接體強(qiáng)度下降的重要原因。采用Al中間層

6、對(duì)Al2O3與低碳鋼進(jìn)行連接時(shí)，通過(guò)線彈性分析所得到的接頭軸向殘余應(yīng)力在Al2O3側(cè)最高達(dá)到1000MPa，而在Al中間層中最高達(dá)到700MPa。5.2.5.2有限元法2）彈塑性分析方法彈塑性分析方法考慮金屬塑性變形對(duì)于殘余應(yīng)力的影響，尤其是考慮溫度對(duì)材料性能變化影響的。Al2O3/Cu擴(kuò)散連接接頭殘余應(yīng)力分析的有限元模型和具體分析結(jié)果，其中r、z和rz分別為徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。異種材料接頭的熱應(yīng)力控制1、熱應(yīng)力的控制方法必須從降低溫度差、減小線膨脹系數(shù)差以及改善接頭結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行應(yīng)力緩和。在保證接頭質(zhì)量的前提下應(yīng)盡可能采用較低的連接溫度。2、中間層材質(zhì)及厚度對(duì)熱應(yīng)力的影響單一金屬中間

7、層通常采用軟金屬，如Al 、Cu、Ni及Al-Si合金等，也可以采用高彈性金屬M(fèi)o、W等。多層金屬中間層與單一金屬中間層相比，降低接頭殘余應(yīng)力的效果更好，尤其適用于熱脹系數(shù)相差較大的陶瓷與金屬接頭。梯度金屬中間層可按彈性模量或線膨脹系數(shù)逐漸變化設(shè)計(jì)。整個(gè)中間層表現(xiàn)為在陶瓷一側(cè)的線膨脹系數(shù)低、彈性模量高，而在金屬一側(cè)的線膨脹系數(shù)高、塑性好。異種材料接頭的熱應(yīng)力控制3、中間層材料常數(shù)對(duì)熱應(yīng)力的影響中間層的線膨脹系數(shù)小于母材時(shí)，增加中間層的厚度可以起到緩和熱應(yīng)力的作用，而當(dāng)線膨脹系數(shù)大于母材，薄中間層的應(yīng)力緩和效果比厚中間層好。中間層彈性系數(shù)對(duì)熱應(yīng)力的影響與線膨脹系數(shù)相反，當(dāng)材料的彈性系數(shù)較小，應(yīng)采

8、用較薄的中間層，而當(dāng)材料的彈性系數(shù)較大時(shí)，厚中間層的熱應(yīng)力緩和效果顯著。4、接頭形狀及尺寸對(duì)熱應(yīng)力的影響5.2.5.2有限元法選擇彈塑性本構(gòu)方程模式來(lái)描述擴(kuò)散連接熱循環(huán)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其多軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：&ijel ijpl&ij其性應(yīng)變速率遵循Duhamel-ann法則： d 1 & elkkij dtijij EE在塑性狀態(tài)的描述中，采用經(jīng)典的Mises屈服準(zhǔn)則及Prandtl-Reuss方程：3d2pl eqdplSijijeTiAl/Ti/V/Cu/40Cr接頭模擬試件二維有限元網(wǎng)格Table5-3 Material parameters used in FEM calculat

9、ion材料溫度(K)彈性模量(GPa)泊松比熱膨脹系數(shù)(10-6/K)屈服應(yīng)力(MPa)硬化系數(shù)(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中間層殘余應(yīng)力因子Rf=E0.2wE 0.2 w12中間層厚度因子Tf=活性層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中間層材料的接觸強(qiáng)化 s=isK b=ibK式中：s為在接頭間層剪切強(qiáng)度；is為中間層材料的剪切強(qiáng)度；間層拉伸強(qiáng)度；b為在接頭ib為中間層材料的拉伸強(qiáng)度；K為強(qiáng)化系數(shù)。K=/4+1/(33/2X) 式中：X=h/d；X為相對(duì)厚度；h為中間層厚度值；d為試件的直徑。中間層力學(xué)選擇原則：考慮到中間層的接觸強(qiáng)化影響及被焊金屬表面物理接觸的形成要求，當(dāng)選擇中間層時(shí)，為降低接頭的殘余應(yīng)力，應(yīng)盡量選擇|Rf|、Tf較小的，同時(shí)中間層厚度應(yīng)

13、在能保障形成充分物理接觸的前提下取較小的厚度。殘余應(yīng)力控制工藝規(guī)范的優(yōu)化加入中間層接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接頭形式設(shè)計(jì)氧化鋁陶瓷與不銹鋼的物理性質(zhì)殘余應(yīng)力控制工藝優(yōu)化/minin/min35/m不同冷卻速度下接頭的殘余應(yīng)力。10600 xx zzyy0ceramicsteel直接對(duì)接接頭 -60088.599.51010.5 11 11.512 12.5distance / mmStressMPa采用有限元數(shù)值模擬的方法計(jì)算接頭殘余應(yīng)力分布。400 xxyyzz0-40088.599.51010.5 11 11.5distance / mm12 12.5與直接對(duì)接相比，采用接頭接頭最大殘余應(yīng)力降低近20

14、0MPa。StressMPa以可伐合金為中間層連接氧化鋁陶瓷與不銹鋼接頭 與直接對(duì)接相比，接頭最大殘余應(yīng)力降低近400MPa。采用該形式接頭進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)連接。A12O3陶瓷和Al擴(kuò)散連接由于A12O3陶瓷和Al的相差太大，因此采用燒結(jié)Cu工藝將Al2O3陶瓷表面預(yù)先金屬化，然后采用擴(kuò)散連接工藝進(jìn)行Al2O3陶瓷與Al的擴(kuò)散連接。采用四節(jié)點(diǎn)等參平面應(yīng)力單元對(duì)模擬件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在模型中所施加的邊界條件有兩個(gè)：（1）位移邊界條件，施加于Al2O3陶瓷片底部上的所有節(jié)點(diǎn)（x=0，y=0）；（2）力載荷邊界條件，施加于純Al板上表面所有節(jié)點(diǎn)，并采用彈-塑性方案進(jìn)行分析，冷卻過(guò)程為模擬件所承受的唯一外加

15、溫度載荷。熱應(yīng)力首先出現(xiàn)于界面處，然后逐漸瓷下表面的端部推 移，最后在端點(diǎn)處形成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中過(guò)程是一個(gè)循環(huán)積累的過(guò)程：以 Al2O3/Cu/Al間的界面為應(yīng)力源，不斷向陶瓷內(nèi)、推移，最后集中在陶瓷下表面的端部。當(dāng)陶瓷下表面端部的應(yīng)力集中達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，陶瓷將產(chǎn)生微小的變形而使應(yīng)力集中得到一定地緩解，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。應(yīng)力松弛過(guò)程與應(yīng)力集中過(guò)程相反：以端部應(yīng)力集中區(qū)為應(yīng)力源，不斷瓷和界面處推移。在應(yīng)力松弛過(guò)程中壓應(yīng)力的值逐漸增大、壓應(yīng)力區(qū)域也不斷擴(kuò)大，這表明陶瓷逐漸向上發(fā)生翹曲變形，隨著變形量的增大，端部拉應(yīng)力逐漸降低，拉應(yīng)力分布區(qū)域減小，而壓應(yīng)力的值逐漸增大、壓應(yīng)力區(qū)域不斷擴(kuò)大。Si3N4/Cu/S45C鋼接頭的殘余應(yīng)力接合界面附近的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分布，應(yīng)力大小及分布隨界面的距離而變化，離界面0.1mm時(shí)，接頭中心的應(yīng)力最大，而當(dāng)離界面距離增加到0.5mm以上時(shí)，拉應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在試件邊緣，達(dá)到200MPa，剪應(yīng)力的分布和拉應(yīng)