（材料加工工程专业论文）q235b多层复合特厚板组织和性能研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d yo n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fq 2 3 5 bm u l t i - - l a y e r c o m p o s i t eh e a v y p l a t e b yk o uy a n j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl uc h a o y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他入己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 6 ： 恩。 学位论文作者签名： 廖桫导 日期：1 一弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 喻- q 毒惑争p 导师签名： 喻。萼恩争p 签字日期：c 、 、； 东北大学硕士学位论文摘要 0 2 3 5 b 多层复合特厚板组织和性能研究 摘要 近年来，特厚板广泛应用于大型模具、造船、工程机械、能源等领域，高性能( 沿 厚度方向性能一致) 的碳钢特厚板的研制和应用越来越受到人们的关注。由于受连铸板 坯内部质量、尺寸等因素影响，至今为止，国内几大主要钢厂均无法批量生产高性能碳 钢特厚板。 本文采用扩散焊接复合的方法研究了四层q 2 3 5 b 特厚板扩散焊接复合工艺，成功 制取了5 0 0 x 5 0 0 1 6 0 m m 的特厚板，并对该特厚板组织和性能进行了研究。 研究表明：在真空度为1 3 3 x 1 0 。2 p a 的环境下，通过对扩散焊接工艺参数的优化： 温度1 0 0 0 * c ，压力2 0 m p a ，时间l m i n ，成功的制取了高性能的q 2 3 5 b 特厚板。 通过对复合界面金相显微观察结果表明：经过优化扩散焊接工艺参数，最终可以保 证各层钢板之间的复合界面完全消失，界面处组织与其它部位均匀一致。 通过o 、s i 、a 1 、t i 等元素成分的s e m 电子扫描测试结果表明：特厚板扩散比较 均匀，复合界面处与两侧基材成分均匀一致。 力学性能测试结果表明：采用本实验扩散焊接工艺，可以保证特厚板沿厚度方向各 力学性能一致，达到高性能特厚板的要求。同时，特厚板抗拉强度达到了4 4 0 m p a ，冲 击韧性达到了6 3 j ，抗弯曲力达到了2 6 7 k n 。 关键词：特厚板：扩散焊接：组织：成分：力学性能 - i i - 东北大学硕士学位论文abs昀ct s t u d yo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fq 2 3 5 b m u l t i l a y e rc o m p o s i t eh e a v y p l a t e a bs tra c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o m p o s i t es t e e lp l a t ei sw i d e l yu s e di nd i e ，s h i p b u i l d i n g ，c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，e n e r g ys o u r c e sa n do t h e rf i e l d s ，t h ep e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h es t u d yo ft h e h i g h p e r f o r m a n c e ( t h es a m ep e r f o r m a n c ea l o n gt h ed i r e c t i o no ft h et h i c k n e s s ) o ft h es t e e l h e a v yp l a t e s d u et oc o n t i n u i n gc a s ts l a bq u a l i t y ，s i z ea n do t h e rf a c t o r s ，s of a r ，s e v e r a lm a j o r d o m e s t i cs t e e lm i l l sc a nn o tb em a s sp r o d u c t i o no ft h e h i 曲一p e r f o r m a n c ec a r b o ns t e e lp l a t e i nt h i sp a p e r , w et a k et h em e t h o do ft h ed i f f u s i o nw e l d i n gt os t u d yt h ef o u rl a y e r so f q 2 3 5 bh e a v yp l a t e ，a n ds u c c e s s f u l l yg e tt h eh e a v yp l a t e ( 5 0 0 x 5 0 0 xl6 0 m m ) m e a n w h i l ew e h a v es t u d i e dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh e a v y p l a t e t h es t u d ys h o w nt h a t ：u n d e rt h ed e g r e eo ft h ev a c u u mi s1 3 3 10 p a ，a n dt h ed e f i n i t e w e l d i n gp a r a m e t e r s ：t h et e m p e r a t u r ei s 10 0 0 ( 2 ；t h ep r e s s u r ei s2 0m p a ；t h et i m ei s1m i n u t e w es u c c e s s f u l l yg o tt h eh i g h p e r f o r m a n c em u l t i - l a y e rc o m p o s i t eh e a v yp l a t e t h em e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p er e s u l t sa b o u tt h ei n t e r f a c es h o w n ：t h o u g hc h a n g i n gt h e w e l d i n gp a r a m e t e r s ，w ec a nm a k et h ec o m p o s i t ei n t e r f a c ed i s a p p e a r e db e t w e e nt h ee v e r yt w o f l o o r s ，a n dt h ei n t e r f a c ec o n s i s t e n tw i t ht h eo t h e rp a r t so ft h eb o d y t h ee l e c t r o n i cs c a n n i n go ft h es e mr e s u l t sa b o u tt h ee l e m e n t so f o ，s i ，a 1 ，t is h o w n t h a t ： t h ec o m p o n e n t so ft h ei n t e r f a c ed i f f u s ev e r yw e l la n du n i f o r mw i t ho t h e rp a r t so ft h e d i f f e r e n tp a r t s t h er e s u l t so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t ss h o w n t h a t ：t h o u g ht h ed i f f u s i o nw e l d i n g ， t h ec o m p o s i t eh e a v y p l a t eh a st h es a m ep e r f o r m a n c ea l o n gt h ed i r e c t i o no ft h et h i c k n e s s m e a n w h i l e ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ei n t e r f a c ei sr e a c ht o4 4 5 m p a ；t h ea b s o r b i n gi m p a c t e n e r g yi sr e a c ht o6 3 j ；a n t i - b e n d i n gs t r e n g t hi sr e a c ht o2 6 7 k n k e y w o r d s ：h e a v yp l a t e ；d i f f u s i o nw e l d i n g ；m i e r o s t r u c t u r e ；c o m p o n e n t ；m e c h a n i c a l - i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 复合生产方法概述1 1 2 扩散焊接复合特厚板概述4 1 2 1 扩散焊接形成机理4 1 2 2 扩散焊接的分类及特点8 1 2 3 扩散焊接过程中界面处的物质传输方式9 1 3 研究本课题的目地及主要内容1 l 1 3 1 研究目的1 l 1 3 2 主要研究内容1 2 第2 章扩散焊接工艺参数的选择依据1 3 2 1 焊接温度1 3 2 2 焊接保温时间1 4 2 3 焊接压力1 5 2 4 材料的表面处理一；1 6 2 5 真空度1 8 2 6 本章小结1 8 第3 章试样的制备与实验方法1 9 3 1 实验材料1 9 3 2 焊前准备1 9 3 3 焊接工艺流程2 0 3 4 试样获取与制备2 0 3 4 1 样品获取2 1 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 2 金相样品制备2 1 3 4 3 力学性能测试2 1 3 4 4 断口分析和成分分析2 2 3 5 实验设备与使用仪器2 2 第4 章复合特厚板组织研究2 5 4 1q 2 3 5 b 特厚板的制取2 5 4 2 工艺参数对复合界面组织的影响2 6 4 2 1 温度对复合界面组织的影响2 6 4 2 2 压力对复合界面组织的影响2 7 4 2 3 时问对复合界面组织的影响2 8 4 3 特厚板复合处成分分析3 0 4 3 1 线扫描分析3 0 4 3 2 面扫描分析3 2 4 3 3 超声检测3 2 4 4 本章小结3 3 第5 章复合特厚板力学性能研究3 5 5 1 力学性能试验取样方法3 5 5 2 拉伸试验3 6 5 2 1 拉伸试样的尺寸3 6 5 2 2 实验结果与数据分析3 7 5 2 3 拉伸断口微观形貌扫描分析4 0 5 3 弯曲试验4 1 5 3 1 试样尺寸4 1 5 3 2 试验结果与数据分析4 2 5 4 冲击试验4 3 5 4 1 试样尺寸4 3 5 4 2 实验结果与分析4 4 5 5 特厚板的显微硬度分析4 4 5 6 本章小结4 6 东北大学硕士学位论文 目录 第6 章结论4 9 参考文献：5 1 致谢5 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着大型塑料模具、造船、能源等行业的发展，特厚板的市场需求日益增加。因大 型特厚板要有一定的宽度和厚度，受设备条件或钢种的限制采用连铸坯难以生产，尤其 是压缩比不够时，内部质量也难以保证n 。2 1 。因此，国内外一些大型钢铁联合企业和特 殊钢厂在发展连铸的同时仍保留一部分模铸生产能力，以满足特殊规格钢种的需求。 目前，国内很多生产特厚板的厂家，为了进行特厚板的生产，改进连铸坯质量和宽度， 采用宽厚电渣重熔板做s l n 坯料，但厚电渣重熔板和厚连铸坯有共同缺点：心部晶粒组 织粗大，轧制后板材心部性能差，影响板材整体性能，而其它一些厂家生产大型模具钢， 只能走锻压的道路，不仅能耗高，成材率低，而且生产率要i ：i ：$ l n 低1 0 - - 2 0 倍】。 为了生产高性能的特厚板，本文采用焊接复合的方法，不仅可以保证板材内部的组 织j 性能，及生产不同厚度的板材，而且也大大的提高了特厚板的生产灵活性、降低了 成本。 1 1 复合生产方法概述 目前，复合生产方法可以分为三大类：固固相复合法、液一固相复合法和液一液相复 合法。我们可以根据材料的不同特点和复合方法的不同应用范围来进行选择，本文中由 于是板材之间的复合，所以，主要采用固一固相复合法。 固一固相复合法是将两层或多层已经成形的金属板料，在接触面经过清理后，焊接 成一体，或将板料叠加直接进行s l n ，形成复合板的工艺方法。其中包括爆炸焊接复合 法、s l s u 复合法、爆炸焊接+ 轧制复合法、挤压复合、法、钎焊复合法、扩散焊接复合法 等。 4 】 爆炸焊接法是当前研究较多的复合技术，其基本原理是利用炸药爆炸产生的巨大 能量驱动两块金属板高速倾斜碰撞，依靠冲击及摩擦材料表面氧化膜破碎并清除，同时 依靠冲击及摩擦产生的热量，在接触面上实现原子之间的冶金结合。它特别适合于一种 金属与另一种金属的大面积复合以及用其它方法难于生产或不可能生产的( 如熔点相差 悬殊、热膨胀系数以及硬度差别大) 的金属焊合，如钛钢复合板等。它可以使清洁表 面紧密结合，结合强度较低，产品质量稳定性差，同时存在炸药存放与爆破地点的选择、 噪音处理、安全保障及污染严重等一系列问题。 - 1 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 爆炸焊接法目前已广泛应用于宇航、石油、化工、机械、原子能等工业工程新技术 领域。 ? 一 ”二 图1 2 爆炸焊接法 瑰1 2 岫蛐倒蝴 卜复合板2 - 炸药 3 _ 母板 轧制复合法3 是让两种表面洁净的金属相互接触，在轧机的压力作用下，通过加 热和塑性变形时原子间的高度扩散作用实现冶金结合的复合方法。其结合强度通常比原 组合金属高。车l a j 复合法又分为热轧复合法和冷轧复合法。热轧复合法是将覆盖材料和 基体迭放，周边进行焊合，然后热轧使之复合。冷轧复合是通过轧机的压力使金属复合， 对轧机的要求高，适合于a i c u 这样强度较低的情况。 目前，轧制复合法主要是热轧复合法或者热轧与冷轧相结合的工艺。轧制复合法的 缺点是制造过程工序多，因此不宜生产小规格的复合板。 图1 2 轧制复合法 f 醣1 2r 0 丑堍西a 田i d 堍翻1 1 0 j 0 黟 卜材料2 - 材料3 - 轧辊 爆炸焊接+ 轧制复合法陋1 的复合板作为原料来进行热轧，最终获得大幅面的复合板， 带的方法该方法兼有爆炸焊接法和热轧法的优点。增加了生产的灵活性，便于推广， 缺点是产量，生产率及成材率都比较低，产品质量差，尺寸精度低。爆炸焊接和传统压 - 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 力加工技术轧制、冲压、锻压拉拔等的联合式爆炸焊接技术的延伸和发展，它使复合板 的性能有了很大改善，特别是以前很难达到的技术要求的界间剪切强度得到明显的提 古 同0 目前，在复合板的开发研制中，许多单位不仅研究了生产工艺，对复合界面成分、 组织结构的变化及对性能的影响也进行了研究。这种技术也广泛的应用在钢厂的生产 中。 挤压复合法囹主要用于生产双金属的氰槔线材及简单断面的型椽其方法是 将要复合的异种金属表面清理后组装成挤压坯然后在适当温度、挤压比下进行挤 压，在压力作用下使金属紧密接触并达到复合。该法特别适肝生产连续的管、 棒、线与矩形断面的复合型材。但挤压复合的材料范围受到限制，不适于连续化生 产，并要求大功率的挤压机。 图1 3 挤压复合法 f 醣1 3 噙o f 叫印峨匈咖 卜模子2 - 导块3 - 挤压缸4 - 包覆层 1 0 】 钎焊法是在两层材料问加入钎料，利用液态钎料湿润母材，填充间隙并与母材发 生相互扩散而实现连接。钎焊复合法的缺点是焊接接头强度比较低，而且，不耐高温。 f i l l 扩散焊接是指在相互接触的表面，在高温压力的作用下，被连接表面相互靠近，局 部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接的过程。 优点在于焊接结合处的显微组织与母材非常相近，不存在过热组织的热影响区，焊接质 量均匀。缺点是生产率低，而且对生产设备与厂房条件有较高要求。 以上分别介绍了金属复合板的一些生产方法，其中轧制复合法、爆炸焊接复合法等 已经被广泛的应用于实际生产中。但由于这些方法本身的一些缺陷导致其在复合板的实 蠹 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 际生产中受到了一定的限制。例如轧制复合过程由于没有充分的扩散和化学反应，因此 复合界面的过渡结构未能完全实现，因此结合界面的强度等性能仍存在缺陷；爆炸结合 法机械化程度低，工作条件差，且有一定的危险性以及制备的金属板变形大、不平整等； 钎焊复合时由于钎料的存在导致接头强度比较低，耐热能力比较差，同时，某些钎料价 格也比较昂贵等。 经过综合比较各种复合材料生产方法发现，采用扩散焊接法进行q 2 3 5 b 多层特厚板 的复合是比较切实可行的。 1 2 扩散焊接复合特厚板概述 工程上对传统的焊接认识是将被焊的两工件在熔化的状态下通过焊料使被焊工件 连接的一种工艺方法，然而焊接接头却存在着不稳定的因素，如接头有夹渣、难于大面 积焊接、焊件易于变形等缺陷。而扩散焊接这种新技术正是解决以上熔化焊接存在问题 的有效方法之一。扩散焊接( d i f f u s i o nb o n d i n g ，d i f f u s i o nw e l d i n g ) 是在一定的温度和压 力下将两种待焊金属的焊接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液 相而扩大待焊表面的物理接触，使之距离在原子作用力范围以内( 这样原子间的引力起 作用，才可能形成金属键) ，再经较长时间的原子相互间的不断扩散，相互渗透，来实 现冶金结合的一种焊接方法。 扩散焊采用加压、加热和加中间层都是为了保证焊接界面区原子相互的充分扩散， 从而保证接头的焊接质量。它是在热压焊的基础上吸收了钎焊的某些优点而发展起来 的，它不仅适合于熔化焊难于焊接，或者易于受到严重损害的材料；而且，根据需要可 使接头的成分、组织和母材均匀化，接头的性能与母材相同。 通过对扩散焊复合特厚板技术的研究和试验，将大大改进特厚板的生产工艺，从焊 接的角度来为特厚板的生产提供有力的理论指导n 2 叫副。 扩散连接业已广泛应用于航空、航天、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、 化工及汽车制造等领域。 1 2 1 扩散焊接形成机理 关于扩散焊接接头的形成机理，存在着各种学说，这些学说所论证的接头形成过程 及其机理都具有不同程度的可信性。 1 薄膜学说 j o 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 薄膜学说者主张：对所有的金属与合金，只要两个洁净的表面相互接近到原子间力 的作用半径以内，就具有粘合能力：不同金属具有不同的可焊性问题，这是由于其表面 上出现的薄膜妨碍金属和合金的焊接。金属和合金的表面薄膜，可能是硬的、脆性的， 也可能是韧性的、塑性的。当需要焊接的金属进行冷塑性变形时，硬的和脆的表面薄膜 就会破碎，使洁净的金属表面裸露出来。当两个洁净的金属表面相互接近到原子问力的 作用距离以内时，就会牢牢焊接在一起。但是，当表面薄膜是韧性和塑性的，在变形的 时候，塑性表面薄膜随同金属一起漫流开来，就可能妨碍焊接接头的形成。如果使金属 的变形按给定的方式进行，则可以使表面薄膜所起的作用降低到次要的因素n 。 2 再结晶学说 再结晶学说者认为：再结晶是在固态下形成焊接接头的主要因素。由于金属与合金 塑性变形而生成界面层，同时在高温的作用下，变形和伴随变形而产生的金属冷作硬化 使焊接件中的原子在晶格中重新排列，从而在焊接件的界面上形成同属于两个焊接件的 共有晶粒。这样就可以使两个接触着的焊接件焊接在一起n 争驯。 3 能量学说 能量学说者认为：对于某种金属或合金来说，必须使焊接件接触处的原子或离子具 有一定的能量级。这种能量级的数值就是金属粘合的能量界限。当达到了能量界限时， 减弱了原子键的方向性，在两个表面的原子之间，就会形成金属键。这样，两个相互接 触的物体之间的分界面就消失了。使金属间产生粘合所需要的能量与两种被焊金属塑性 变形时的协调程度有关，协调程度越低，需要的能量就越高。加热和弹性变形可以提高 原子的能量，能够促使金属接近于结合的状态乜。 4 位错学说 位错学说者认为：当两种被焊金属产生协调一致的塑性变形时，位错都向着金属的 接触表面迁移，从而使氧化膜破除并形成高度只有一个原子间距的小台阶。一方面来说， 可以把金属接触表面上出现的位错看作是塑性变形阻力的减小，而有利于金属的焊接。 从另一方面来说，金属接触表面出现位错，会增加表面的起伏不平，那接触表面的塑性 变形要比金属内部的塑性变形大得多。由此可知，粘合过程是由于接触区金属的塑性流 动的结果捌。 5 扩散学说 扩散学说者认为：焊接件接触面之间形成优质的接头，是原子向焊接件内部相互渗 透( 转移) 的结果。在金属表面上的原子中，有一些是自由原子，它们的金属键并不饱和 - 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 还有空的配位) ，因此任何原子或分子，一旦进入了原子间力的作用范围内，就会被这 种键抓住。与平衡系统中的原子相比较，自由原子具有过多的能量，自由原子结合的时 候，就会释放出能量来。在均质的液体内部，可以看见这种自行的结合。而固体的焊接， 却要困难得多。在固体焊接时，为了使焊接件的原子相互接近，就需要消耗大量的能量 和采取复杂的工艺措施。在一定的条件下，两个被焊接金属的表面之间，也能产生这样 的力。当焊接件接近到能使原子间的力产生强烈作用的程度时，金属之间就开始相互交 换原子，在距离近的原子之间，就会产生作用力，使原子间形成结合，其牢固程度同金 属内部一样。理想的光滑、洁净和相互平行的表面接近时，不需要消耗能量，也能够自 行产生足以形成焊接的金属键，而且这种接头的强度并不低于完好的金属的强度乜3 嗡1 。 实际上，从上述讨论看出，要提出一个适用于所有扩散连接的简单通用模型是十 分困难的，由于连接方法、材料和实验条件的不同，扩散连接机理可能是一种，也可能 是冶金和机械等几种机理的综合，只能确定何种机理起主导作用。为了便于分析与研究， 通常把扩散连接分为三个阶段进行讨论：第一阶段为塑性变形使连接表面接触；第二阶 段为扩散、晶界迁移和孔洞消失；第三阶段为界面和孔洞消失。 图1 4 扩散焊接过程三阶段机理示意图 f i 9 1 4t h et h r e ep h a s e so ft h ed i f f u s i o nw e l d i n g ( a ) 室温装配状态( b ) 第一阶段( c ) 第二阶段( d ) 第三阶段 第一阶段变形接触阶段 不管如何精心加工的表面，微观上总是凸凹不平的，只不过程度不同而已。将这样的 表面装配在一起，如不施加任何压力，紧密接触部分极少，不超过总面积的1 。因此，只 有通过焊接开始的第一阶段的加压加热，微观凸起处产生塑性变形，紧密接触的表面积 才不断增大，原子相互扩散并交换电子，形成金属键连接。由于开始时承受扩散焊压力 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 只局限于占总面积极少部分凸起的点或线上，压力不大即可使这些凸起处的压应力达到 很高的数值，超过材料的屈服限而发生塑性变形。但随着塑性变形的发展，接触面积迅 速增大一般可达焊接表面的4 0 - - - 7 5 ，使其所受的压应力迅速减小，塑性变形因而停止。 以后主要靠蠕变，使紧密接触面积继续增加，最后达到9 0 - - 9 5 。剩下的5 左右未能达 到紧密接触面积逐渐演变成界面孔洞，其中大部分在第二、第三阶段依靠原子扩散而逐 渐消除。个别较大的孔洞，特别是包围在晶粒内部的孔洞，有时经过很长时间，由几小 时至几十小时的保温扩散也不能完全消除而残留在焊缝内，成为焊接缺陷。因此，焊接 表面应尽可能光洁平整，以减少界面孔洞。 扩散焊第一阶段是一个重要的阶段，是为以后的扩散，形成冶金连接创造条件的。 在这个阶段中达到紧密接触的面积愈多愈好，但不能完全靠增大焊接压力，提高焊接温 度，产生宏观塑性变形来达到。 第二阶段 扩散一界面推移阶段 焊接表面达到紧密接触后，由于变形引起的晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量 堆集，界面区的能量大增，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，很快就形成以 金属为主要形式的接头。但此时接头强度不高，必须继续保温扩散一定时间，使扩散层 达到一定深度。再通过回复、再结晶及晶界推移，使第一阶段建成的金属键连接变成牢 固的冶金连接，这是扩散连接过程中的主要阶段，如图c 。这个阶段大约需要延续几分 钟到几十分钟。对与一些要求不特别严格的接头，可以不再进行第三阶段即可使用，从 而提高生产率。但此时的接头组织与成分跟母材差别较大，远未达到均匀化的状况。因 此，一般要继续保温扩散，完成第三阶段，以获得高质量的接头。 第三阶段界面和孔洞消失阶段 通过继续扩散，进一步加强已形成的连接，扩大牢固连接面，消除界面孔洞，使接 头组织与成分均匀化，如图d 。在这个阶段中主要是体积扩散，速度比较缓慢，通常需 要几十分钟到几十小时，最后才能达到晶粒穿过界面生长，原始界面消失。 由于需要时间很长，第三阶段一般难以进行到底，只有对那些要求组织和成分与母 材完全均匀化的接头，才不惜时间来完成第三阶段。如果在焊接温度下保温扩散引起母 材晶粒长大，接头强度下降，可以在较低的温度下进行扩散。但时间将需要更长。因此， 一定要全面考虑其得失来决定。 上述三个阶段是扩散焊接过程的主要特征，但实际上这三个阶段并不是截然分开 的，依次进行的。大量实验结果表明：这三个阶段彼此是交叉和局部重叠的，很难确定 7 攀 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 其开始与终止时间，之所以分为三个阶段，主要是为了便于分析和研究啪删。 1 2 2 扩散焊接的分类及特点 扩散焊接发展至今，已出现了多种扩散焊接方法，可根据不同的准则进行分类。 从连接的定义来看，一旦待连接材料之间达到了紧密接触，对连接起主要作用的就是扩 散过程。而紧密接触和扩散过程受温度以及扩散连接界面的性质( 固相界面还是固液界 面) 的影响最为显著。因此，我们可按连接时是否使用中间层分为直接扩散连接和添加 中间层的扩散连接；按是否产生液相角度又可分为固相扩散连接和液相扩散连接；从连 接环境上，还可分为真空扩散焊接和保护气氛环境下的扩散焊接，具体的几种分类见图 1 2 所示。 ? ：0 ! 羞。申。- j - 07 - 加中间扩散层的扩散焊 j 。j 。? ，：_ 1 一 i ， ：- ! 。一i _ 。： 。i 。 二_ 0 匮画圃一匿麴i ：- 岛，匦匾圃： j 超塑性成形一扩散焊li 瞬时液相扩散焊i l 固态扩散焊i i 烧结一扩散焊i 7 i广_ - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ 1 _ _ - _ _ _ _ ， t r _ _ - _ - _ ，1 一一：譬，。? j 。- 。 一一? ，p ： j ：i 寸瓤? ? ：一f 一一“： ： 图1 2 扩散焊分类 f i g 1 2t h ec l a s s i f yo ft h ed i f f u s i o nw e l d i n g 扩散焊接是一种适合于同种或异种金属、合金( 特别是难熔和可熔焊性差的金属材 料) 和无机非金属材料连接的技术。各种材料扩散连接接头组合可分为四种类型，如图 1 3 所示，其中，同种材料不加中间扩散层的接头只能是纯固态下的扩散焊，而其它三种 类型可采用各种扩散焊接方法来焊接。 东北大学硕士学位论文 。第1 章绪论 ( a ) ? ，_ _ 0 二，j + j ( c 1 ：r 0j ：i ，、o ：毫 图1 3 扩散焊接头四种组合类型 f i 9 1 3t h ef o u rt y p e so f t h ed i f f u s i o nw e l d i n g ( a ) 同类材料( b ) 异类材料 ( c ) 同类材料加中间扩散层( d ) 异类材料加中间扩撒层 与其他连接方法相比、特别是熔化焊相比，扩散连接具有下列优点和特点： 1 连接温度低，一般为母材熔化温度的0 4 0 8 倍左右，因而排除了由于母材熔化、 焊缝结晶可能带来的种种冶金缺陷( 如气孔、裂纹和脆化等) 对接头性能的影响； 2 由于是在固态下连接且连接压力并未引起塑性变形，因而连接构件的尺寸精度高； 3 与其它连接方法相比，由热循环引起的连接接头区域的参与应变和残余应力非常 小； 4 扩散连接可成功地连接用熔化焊和其它连接方法难以连接的材料，如弥散强化型合 金、活性金属、高熔点金属、耐热合金和复合材料等；也可实现熔化焊难以焊接的各种 不同类型、冶金上互不相容的异种金属材料以及金属与陶瓷的连接； 5 扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时进行； 6 借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进行扩散连接，因而经过加工的母 材的性能连接后也几乎没有损失。通过扩散连接，可使接头的成分、组织和接头性能达 到与母材相近甚至相同。即使采用中间层进行液相扩散连接时，接头结合区域中也不好 在钎焊时的低熔点金属； 7 可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高的各种工件，以及有封闭性连接要求 的工件，如蜂窝夹芯板等； 但由于扩散连接要求连接材料表面加工精度高、并能均匀加压，因而，生产率低， 加之所用设备较贵，使其应用范围受到一定限制b 卜3 3 j 。 1 2 3 扩散焊接过程中界面处的物质传输方式 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 扩散焊接原子的迁移包括三种方式，即体积扩散、表面扩散、晶界扩散。 1 体积扩散 当晶体内存在着超过该温度下平衡浓度的剩余空位时，该空位浓度的梯度就导致空 位的定向迁移和反向的扩散原子流。在界面上，由于塑性变形形成了大量的缺陷，空位 浓度由基体向界面处随应力梯度逐渐升高，应力越大，空位浓度越高。原子通过与空位 交换不断向界面处扩散，引起材料向孔洞颈部流动。另外，界面和晶界处可成为空位 “阱 ，颈部和孔洞表面的过剩空位容易通过邻接的界面和晶界进行扩散或被吸收。通 过晶界和界面扩散的激活能比体积扩散小1 2 ，扩散系数大1 0 0 0 倍，原子通过界面和 晶界扩散容易得多。在界面应力和高温作用下，还会引起位错的攀移，这也可以认为是 空位扩散至位错处的结果。晶界处的扩散一般不作为孤立的机构影响烧结过程，总是伴 随着体积扩散的出现。 2 表面扩散 在孔洞的内表面存在着张应力o = 一y p ( 其中y 为表面张力，p 为曲率半径， 负号表示该应力为张力) 。在此张应力的作用下，孔洞内表面上的空位浓度高于其它部 位，且位于不同曲率表面上原子的空位浓度或化学势不同。曲率大，则此处空位浓度大。 在化学势梯度的作用下，颈部的空位不断向孔洞内表面曲率较小处扩散，同时伴随原子 反向扩散填补孔洞凹陷处，使孔洞趋于圆形，与此同时，空位亦向基材中扩散，引起孔 洞收缩。 图1 4 扩散焊接过程中的界面孔洞 f i 9 1 4t h eh o l eo f t h ei n t e r f a c ed u r i n gt h ed i f f u s i o nw e l d i n g 3 晶界扩散 金属的高温蠕变是在恒定的低应力下发生的微变形过程。在焊接温度下，界面处应 力使材料不断发生蠕变。与此同时，孔洞内表面也在张应力作用下发生蠕变，只不过这 】0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 两种应力都是不断变化的，随焊接程度的加深逐渐减小。各种机制可能同时或交替地出 现在某一焊接过程中。化学势梯度促使孔洞趋于圆形，应力梯度驱使焊接界面和晶界材 料向孔洞流动。在扩散焊接的不同阶段，每种机制所起的作用是不同的。在焊接的早期 阶段，表面扩散和蒸发、凝聚发挥了较大的作用。而在焊接后期，孔洞非常细小，几何 形状逐渐呈圆形，此时主要以体积扩散为主泓侧。 总之，无论进行的是哪种材料之间的相互扩散，材料都是在进行着相互的物质传输， 它其中包括孔洞内部材料流动和孔洞外部向材料内部流动。 材料的物质流动主要由下表组成： 材 料 流 动 孔 洞 内 部 材 料 流 动 1 3 研究本课题的目地及主要内容 1 3 1 研究目的 目前，随着国民经济的快速发展，对特厚板的市场需求也日益增加。特别是高性能 的特厚板( 即厚度方向性能一致) 也越来越受到人们的广泛关注。然而，受连铸坯板坯质 移 影 谢 移 跹 移 敖 迂 嗽 聪 删 献 磺 起 丽 扩 发 引 表 体 蒸 变 度 度 度 蠕 梯 梯 梯 料 学 学 学 材 化 化 化 面 面 面 丽 表 表 表 表 洞 洞 洞 洞 孔 孔 孔 孔 、，l，、l 猫 磷， ， 界 界 掏 瀚 接 粒淠 噼 俐 侧麟 撇 侈，11 迁 移 敖 迁 移 移 扩 散 迁 迂 两 扩 错 积 表 体 位 体 度 度 度 起 梯 梯 梯 引 力 力 力 变 虚 舷 应 蝣 面 西 两 料 晶 晶 晶 材 与 与 与 面 隧 面 蔺 界 界 界 界 厂iiij一、llii 孔洞外部材料向孔洞流动 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 量、尺寸及轧机压缩比等因素的限制，尤其是轧机压缩比不够的限制，至今为止，国内几 大钢厂均无法批量生产高性能的特厚板。 为了改进连铸坯质量和宽度，国内很多生产特厚板的厂家，采用宽厚电渣重熔板做 轧制坯料，但厚电渣重熔板和厚连铸坯有共同缺点：随着板坯厚度的增加，心部晶粒组 织比较粗大。即使增大压下比，车l se j 后板材心部性能也比较差，影响板材整体性能；而 其它一些厂家生产大型模具钢，只能走锻压的道路，不仅能耗高，成材率低，而且生产 率要比轧制低1 0 - - - , 2 0 倍b 1 。 因此，如何获得制造成本相对较低的高性能特厚板，已成为目前亟需解决的问题。 本文通过扩散焊接的方法成功的制取了q 2 3 5 b 多层复合特厚板，它不仅大大的降低 了特厚板的生产制造成本，同时，也完全达到了特厚板厚度方向性能一致的要求。从而进 一步为工业生产提供了较为理想的生产工艺方法。 1 3 2 主要研究内容 本文对扩散焊接q 2 3 5 b 多层复合特厚板进行了如下研究： 1 研究扩散焊接工艺参数对特厚板组织、性能的影响； 2 研究特厚板内部组织，成分以及显微硬度； 3 测试特厚板力学性能，包括( 拉伸、剪切、弯曲、冲击以及维氏硬度试验) 。 - 1 2 - 东北大学硕士学位论文第2 章扩散焊接工艺参数的选择依据 第2 章扩散焊接工艺参数的选择依据- 一 扩散焊接的工艺参数主要有：焊接温度、焊接压力、保温时间、真空室的真空度、 试样焊接前的表面处理、加热方式以及加载方式等。这些参数之间相互影响、相互制约， 在选择焊接参数时应综合考虑口 。 本文依据原有的扩散焊接理论及工艺，确定了q 2 3 5 b 多层复合扩散焊接工艺参数选 择范围。 2 1 焊接温度 材料在连接加热过程中伴随着一系列物理的、化学的、力学的和冶金方面的变化， 而这些变化都要直接或间接地影响到扩散连接过程及接头质量。影响扩散焊接的主要因 素是原子的扩散，而影响原子扩散的主要因索是浓度梯度和温度。焊接温度的变化会对 连接初期表面凸出部位的塑性变形、扩散系数、表面氧化物向母材内的溶解以及界面孔 洞的消失过程等产生显著影响。 从扩散规律可知，扩散系数d 与温度为指数关系，即： 。= doex p ( 一番) ， 式中d o _ 扩散常数 r 气体常数 卜扩散激活能 t 温度 由式( 2 1 ) 可知：升高温度对提高原子扩散速度有极大作用。因为温度越高，扩散 系数越大。同时，温度越高。金属的塑性变形能力越好，达到紧密接触所需的压力越小。 从这两方面考虑，似乎焊接温度越高越好。但是，加热温度的提高受到被焊材料的冶金 物理特性方面的限制，温度过高容易产生再结晶，生成低熔共晶，中间金属化合物等， 容易使晶粒过度成长，降低焊接接头强度，从而影响后续的超塑性性能以及机械性能等。 此外，提高加热温度还会造成母材软化及硬化，要特别注意。 温度在扩散焊接中的另一个重要的作用是：在接触面个别微观区域互相接近的情况 - 13 - 东北大学硕士学位论文 第2 章扩散焊接工艺参数的选择依据 下，温度能够加速原子的重新排列，在回复和再结晶过程中，温度能够消除焊接区域内 的各种形式的晶格缺陷汹叫0 j 。 应该指出，选择焊接温度时必须同时考虑焊接时间和压力的大小，而不能单独确定。 温度一时间一压力之间具有连续的相互依赖关系，一般温度升高能使强度提高，增加压力 和延长时间也可提高接头的强度。连接温度的选择还要考虑母材成分、表面状态、中间 层材料以及相变等因素。从大量研究实验结果看，由于焊接引起的变形量很小，因而在 实用焊接时间范围内大多数金属和合金的扩散连接最合适的温度t 一般为( t m 为母材 金属的熔点) ： t o 7 t m( 2 2 ) 温度对接头质量的影响可用图2 1 所示，连接时间为5 m i n 。由图可见，随着温度的 升高，接头强度迅速增加，但随着压力的继续增大，温度的影响逐渐缩小。如压力p 为5 m pa 时，1 2 7 3 k 的接头强度比1 0 7 3 k 大一倍多，而压力p 为2 0 m p a 时，1 2 7 3 k 时的 接头强度比1 0 7 3k 的只增加了约o 4 倍此外，温度只能在一定范围内提高街头的强度， 过高反而使接头强度下降( 如图2 1 中曲线3 、4 ) ，这是由于随着温度的增高，母材晶 粒迅速长大及其他变化的结果。 毫0 0 6 至删 。弓 2 0 0 4 杉；1 一 1 i ， r 一，f 一一 矿。 7 一 。 。- 2 t ， r ， ， 。一孑，一 t 1 4 东北大学硕士学位论文第2 章扩散焊接工艺参数的选择依据 化要求密切相关，也受材料表面状态的影响。原子扩散走过的平均距离( 扩散层深度) 与扩散时间的平方根成正比h 引。即： z ：后以 ( 2 3 ) 式中：x 扩散层深度或反应层深度，c m ； t 一扩散连接时问，s ； k 常数，c i t i s 1 彪 因此，要求接头成分均匀化的程度越高，保温时间就将以平方的速度增长，扩散焊接 接头强度与保温时间的关系如图2 2 所示。与压力的影响相似，也有一个临界保温时间。 开始连接的最初几分钟内，接头强度随时间的增大