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.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料连接过程中的界面行为.docx（13页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、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异是影响这组材 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金属间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金属间化合物与钢化学性能差 异对其扩散

2、连接性的影响，TiAl金属间化合物与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、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

3、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间的跃迁而实现的 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拟难进行的。3物理接触答：扩散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

4、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 连接金属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：加热使金属外表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还 原反响。4）外表变

5、形去膜：如果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H2。、CO2等化学活性气体，会与被连接材料的表面上的接触角，e 1和0 2位液体在纯1和纯2外表上的接触角。对于多相组合的外表，表观接触角可以表示为:cos。=牙;cosq ,其中:fi为本征接触角为0 i时的外表积分数。9、外表粗糙度对面张力的影响及实质答：母材的外表粗糙度在许多情况下会影响到钎料对它的润湿。将一液滴置于一 粗糙外表，液体在固体外表上的真实接触角几乎是无法测量的，实验测得的只是 其表观接触角。而表观接触角与界面张力的关系是

6、不符合Young方程的。但应 用热力学可以导出与Young方程类似的关系式。根据界面自由能的定义:,在恒温、恒压的平衡状态下，由于界面的微小变化而引起体系自由能的变化是SGSGsg八d%=0式中，A为实际界面面积，a为表观界面面积（即几何面积），以dasg除上式两端得端得dG d%=0式中da = -dasl。由于 = cosee ,并令/ = =/，那么前式即成 da.a da(J fcos。或cos。= 5此即威舍尔（Wenzel）方程。 /将Wenzel方程与Young方程比拟可得卜= cos。其中：。一具有原子（分子）水平平整外表上的接触角；6e 在粗糙度为丫的表 面上的接触角（表观接

7、触角）；Y 21一粗糙因子，定义为真实平面的外表积与理想 平面的外表积之比。180由前式可以看出：当。90时，0e90时，ee0,即外表粗糙化后的金属外表上的表观接触角更大。右图 言 说明了满足Young方程的接触角0及满足 了 Wenzel方程的接触角0 c与粗糙因子丫8的关系。Wenzel公式仅考虑了真实外表与理想 外表面积的差异，而没有考虑真实外表具体。的特征。实际上,对于同心沟槽和放射形沟槽 来说，在外表粗糙度相同的情况下,其。e却可能不同。所以可对Wenzel公式做如下修正：8s4=854/-1）归其中：力外表结构因子；1.液滴半径。不同 状态外表上的这种差异,在微观局部并不违反热力

8、学定律。10、外表活性物质对面张力的影响及实质答：在钎焊过程中，当钎料为多元合金时，由于合金组分对界面张力的影响不同, 使某种成分被有选择性地吸附（或排斥）到相界面上（或离开相界面）。根据最小自由熔原理，如果某成分能降低界面张力，那么该成分一定会被吸附 到界面上来，从而使该成分的表相浓度大于体相浓度，即为“正吸附” O反之, 如果某成分是固液相界面张力增大，那么会被排斥离开相界面，从而使该成分的表 相浓度小于体相浓度，为“负吸附”。吉布斯（Gibbs）从热力学普遍关系出发，导出了溶液界面吸附的等温式。在等温、等压和吸附平衡时，dG = 0,即：“M + 2姻=0。但当状态一定时，体系的性质均一

9、定，G也具有定值。故可有：G = aA + Yni0当在平衡态附近发生微小变化时，由于平衡时dG = 0, SP dG = crdA+ Ada += 0比照前两式，可得：Ado + Ed笛n： = 0 ,此即为吉布斯杜亥姆（Duhem）公式在吸附现象中的一般表达式。可将其变化为：-式中i A为任意成分的吸附量，他代表单位面积的相界面上溶质比体相多出的摩尔数，其 单位为“摩尔/厘米2。上式为溶液界面吸附的一般式。对于二元体系，假定1=0,即假定溶剂不发生吸附，那么上式变为：=由于平衡使某相的化学位与其表相的化学位相等,即u 2s= u 2b,而由热力学关系可知：落=+ RTM a2，a活度综合上

10、述三式,综合上述三式,得 dbfRTdQn g） =2宠7也或写成2a2 daRT da2此即二组分实际溶液界面吸附时的吉布斯等温式。 对于稀溶液来说，可以使用浓度C来代替活此即二组分实际溶液界面吸附时的吉布斯等温式。 对于稀溶液来说，可以使用浓度C来代替活度a,即r-虫 - RT dC当do/dC0,发生正吸附，那么有 CsCb,即溶质的表相浓度大于体相浓度，溶 质被吸附到界面。而当do/dOO时，即图中 的第一类物质时的情形，此时0,发生负 吸附，那么有Cs =上=空2，上式给出了弯液面上任一点P的位置与。和0的关系。pgR pgx当x = a/2时,0为接触角，此时y = /2 =包色，

11、将Young氏方程代入上式可得 Pga力（%）。由上二式可见，当。sg大于。si时（此时。0,即液 Pga态钎料可以填缝，并且随着接触角。减小，爬升高度h值增大。此外，由于h-1/a, 即间隙越小,毛细作用越强，钎料填缝能力也就越强;而当。Sg小于。S1时（此时。 90 ），有hVO,即液态钎料不能填缝。5、润湿铺展基本原理解释钎缝缺欠形成原因答：基本原理：对于同一物系，有WaWiWs,假设Ws0,那么Wi和Wa必大于0。 故能铺展润湿就必能附着润湿和浸渍润湿，所以常以润湿系数的大小来衡量润湿 性。用铺展功比用润湿角可以判断更为广义的润湿过程。当把钎料放在钎缝间隙 附近，钎料熔化后有自动填充间

12、隙的能力,即所谓的钎料填缝。这是由于液态钎料 对母材润湿而产生弯曲液面所致。如果将金属细管插入液态钎料中，管子的半径 足够小，那么在管壁处的液面就呈现连续的弯曲液面，因而产生附加压力，使钎料沿 细管上升。这就是通常所说的毛细现象。毛细现象对于钎焊过程具有实际的意义。钎缝不致密性缺陷：指钎缝中的夹气、夹渣、夹气夹渣、气孔和未钎透等。 这些缺陷一般处于钎缝的内部，但经机加工后会暴露于许缝外表，并因而对工件 的密封性、导电性和抗腐蚀性等带来不利的影响。钎缝中不致密性缺陷产生的原因：在通常的平行间隙的情况下，液态钎料和 钎剂并不是均匀一致，整齐划一地流入间隙的，而是以不同的速度和不规那么的路 线流入间

13、隙的，这是产生不致密性缺陷的根本原因。大包围现象：当钎料（或钎剂）熔化后从平行间隙的一侧向间隙中填充时，在流动前沿和间隙的侧面边缘处都将出现弯曲液面，因而造成在钎缝边缘处的附 加压力比内部大，这使得钎料（或钎剂）沿钎缝外围的流动速度比内部的填缝速 度大，因而可能造成钎料对间隙内部的气体或钎剂的大包围现象。一旦形成大包 围后，所夹住的气体或钎剂残渣就很难从很窄的平行间隙中排除，使钎缝中形成大 块的夹气和夹渣缺陷。小包围现象：从理论上来说，如果接头间隙均匀，且间隙内部金属的外表状态 一致，那么液态钎剂或钎料在间隙内部的流动速度应是基本相同的。然而实际上由 于间隙内部金属的外表不可能绝对平齐，清洁度

14、也有差异，加上液态钎剂和钎料与 母材的物理化学作用等因素的影响，常常造成钎料在间隙内紊乱地流动，流动前沿 形似乱云，结果造成小包围现象。如果大小包围所围住的是气体，那么形成夹气缺 陷，如果围住的是钎剂，那么形成夹渣缺陷。如果因钎料量缺乏而未能填满间隙， 那么形成未钎透缺陷。钎料加入试件 方向开始填缝继续填缝填缝完成除以大小包围形式形成缺陷以外，如果钎剂在加热过程中分解出气体，或是 母材或钎料中的某些高蒸气压元素的蒸发及溶解在液态钎料中的气体在钎料凝 固时析出，当这些气体在钎料凝固前来不及全部排除钎缝时，就会形成气孔缺陷。由以上不致密性缺陷产生的原因分析可知，在一般钎焊过程中，要完全消灭 这些缺

15、陷是很困难的。但应采取相应的措施来尽可能减少缺陷的产生。例如适当 增大钎缝间隙就有助于减少由于小包围现象而形成的缺陷。6、不平行间隙爬升高度答：1）液态钎料在竖直放置不平行间隙内的爬升高度如果处于竖直位置的两平板构成不平行间隙并插入液态钎料中，两平板与y 轴的夹角均为。，在钎料槽液面处（y=0）的间隙为a,对于上小下大的间隙（右图）,其间隙随高度的变化为。2ytga当钎料爬升到达最大高度(y = h)时，有将 = /z = b/g2cose/pg(a 2tg。)o 整理后得：h(a-2htga) = 2bg cos0/pg 同理,对于上大下小的间隙(右图(b),其间隙随高度的变化为/=a +

16、2ytg。，当钎料爬升到达最大高度时(y = h),可得：h(a + 2htga) = 2a cos0/pg。可以看出,对于上大下小的间隙，钎料爬升的高度将减小,相反, 对于上小下大的间隙，钎料爬升的高度将增大。2)水平位置不平行间隙中液态钎料的填缝过程：(a)-X(b)当被钎材料构成一端大，另一端小的不平行间隙时，由于毛细 作用力是与间隙的大小成反比的，间隙越小，毛细作用就越强，因此 液态钎料(或钎剂)就具有优先填充小间隙的趋势。有关液态钎料填缝过程的X 一射线摄影的研究结果说明，当液态钎料在不平 行间隙中填缝时,不管是在大端、小端或侧端间隙处加入钎料，液态钎料总是优 先填满小端间隙，然后逐

17、渐向大端间隙方向推进。不平行间隙填缝时，流动前沿比拟整齐，流动线路紊乱的情况有明显的改善。 这样就大大削弱了小包围的倾向，因而有利于提高钎缝的致密性。液态钎料填缝时之所以优先填充间隙小端，是因为当液体体积不变时，由于钎 料可以润湿母材，即体系的固液相界面张力小于固气相的外表张力。液体向小端 运动是扩大固液相面积，减小固气相面积，从而使体系的界面能降低，因此是自发 进行的过程。另外，由前述原理可知，毛细间隙内弯液面的附加压力P与间隙的大 小a成反比。在靠近小端间隙处弯曲液面的曲率较大，产生的附加压力也较大，对 于一片液态钎料来说，其各方向的附加压力的总和将指向小端间隙处，因此液体会 自动向小端方

18、向运动。缺陷自动排除提供了可能性：如果在不平行间隙 内由于大小包围现象而形成了夹气，当气泡的尺寸大于 间隙值时，由于受到上下母材的限制，间隙内的气泡会 形成象鸡蛋一样一端大,一端小的形状，这样，在气泡大 端的曲率小，附加压力也小，而小端的曲率大，附加压力 也大，因此，作用在气泡上的附加压力的合力将指向大 间隙端，这就为气泡从大间隙端排除创造了条件。实验结果说明，随着钎焊时间的延长，不等间隙钎 缝内部的缺陷比例有降低的趋势。7、温度对外表张力的影响答：温度对外表自由焰的影响可由外表化学热力学普遍关系式，利用状态函数的 全微分性质得到：dG = -SdT + VdP + crdA +o在恒压条件下

19、，且不考虑成份变化有dG = -为面积)。对上式进行全微分，得e=至江+以公。dT dA所以所以dG dG. 1 3m 4/占小八dSd2G82G da .川皿口工=S, = c o对上式再求偏微分:=,将上式两立而乘ST dAdA dTdA dAdT dT以T,那么有：T2=T香，TdS/dA代表扩大单位面积时体系所吸收的热量，其为正值，所以 有的/3TO,bO）。由上式可知，在温度变化范围不大时，外表张力随温度的升高而呈性下降。这 是一个普遍的关系，各种金属外表张力随温度变化的关系大体上可以归结为这种 关系。但是外表张力随温度升高而下降的这种趋势也不是无限的，对液体来说，到” 临界点”（即

20、液一气相界面消失，气态与液态无法区分的温度时）外表张力降低为 零。8、母材外表能不均匀性对润湿的影响答：母材外表能的不均匀性。母材外表污染，导致化学成分不均匀；原子或离子 排列紧密程度的不同；导致不同晶面具有不同的外表自由能；同一晶面，也会因 外表的扭曲和缺陷造成外表自由能的差异；实际工程材料多为多元多相合金材 料，成份和相组成的差异造成外表各局部的自由能的不同。1-低外表能区域；2-高外表能区域理想化的不均匀外表，在局部区域上，接 触角取决于该局部的外表能，而本征接触角 为。1。2,因此,接触角可以从。1向 0 2变化，产生接触角滞后现象。设两种不同 成份的外表以极小块的形式均匀分布在表 面上，且当液滴在外表上展开时两种外表所 占分数（fl、f2）不变。在平衡条件下，液 滴在固体外表展开以无限小量dAsl,固-气 和固-液两界面自由能的变化为：-%）dA广9吗/） + f2 g2g - b*/ ）dAsl用dAsl除以上式即得w -% =-%/）+力（唳且一嗅,），根据Young方程, 上式可转化为cos =于、cosq + /2cos62 ,此即Cassie方程。e为液体在组合表