材料热力学在焊接中的应用.doc

_材料热力学在焊接中的应用1.材料热力学在吕铁异种材料连接中的应用铝及铝合金具有比强度大、重量轻等特性而钢具有高强度、抗腐蚀性等优点因此铝和钢的焊接结构具有越来越广泛的应用前景。但对铝/钢异种金属材料连接而言两者之间的固溶度很低物理化学性能差异明显极易反应生成一定厚度的Fe-Al金属间化合物，生成的金属间化合物主要以脆性相为主, 根据二元相图,铁和铝两者相互作用可以形成Fe3Al , FeAl2 , Fe2Al5 与FeAl3等一系列金属间化合物。为进一步探明铝/镀锌钢板界面反应区的组织结构与生成物和进一步说明在铝/钢异种金属焊接过程中各Fe-Al金属间化合物的生成机理，可以采用热力学计算的方法，预测铝/镀锌钢板焊接接头界面处各Fe-Al金属间化合物相生成的可能性。各种Fe-AL-金属间化合物相的吉布斯标准自由能可表示为纯液态铁的自由能为:左式中的一项是体心立方晶格的铁的标准吉布斯自由能，第二项是具有磁性的铁的吉布斯自由能，第三项是非磁性Bcc铁转化为液态铁时的吉布斯自由能的变化在二元组分体系中,某一组分的偏摩尔吉布斯自由能即为该组分的化学势,因此可得:同理,可得AI的化学势。金属间化合物的吉布斯自由能变化计算和绘图的结果如下图所示：通过计算可以得出Fe Al形成相的标准吉布斯自由能最大，当温度介于3001500 K时，形成Fe Al的吉布斯自由能大于零，所以在焊接铝和钢的过程中Fe Al不可能生成Fe Al而其他化合物在此温度区间内均可形成。另外，有关研究发现，FeAl2是一种亚稳相，因而在焊接过程中，这种化合物也不可能生成。而Fe3Al的生成吉布斯自由能在温度低于900 K时小于零，当温度超过900 K时大于零。且整个温度范围内几乎接近于零，说明在温度小于900 K时，该化合物在铝铁界面上可能生成，当温度超过900K时，该化合物在铝铁界面上不可能生成。由计算还可得Fe2Al5的吉布斯自由能变化比生成FeAl3的要小得多。根据吉布斯判据，吉布斯自由能的值越负，说明反应的自发性越强，故在铝/镀锌钢板焊接接头界面处开始形成的金属间化合物可以认是Fe2Al5此 外Fe2Al5相具有斜方型晶体结构，沿C轴具有较多原子空位，AL原子容易占据此处，因此Fe2Al5长大很快，在随后的冷却过程中Fe2Al5与多余的Al原子结合而生成层次不齐的Fe3Al相。通过上面的热力学分析可知，在铝/镀锌钢板焊接接头界面处可以生成Fe2Al5和FeAl3这两种化合物相。通过对Fe-Al金属间化合物的热力学计算，结果表明，在铝/钢异种金属焊接界面处可以生成Fe2Al5和FeAl3两种化合物相，与实验结果基本一致。并且由于生成的Fe2Al5的吉布斯自由能变化比生成FeAl3的要小得多，故在界面上Fe2Al5要比FeAl3优先生成，而FeAl3相是在熔体冷却过程中Fe2Al5与Al原子结合而生成的。2材料热力学在研究焊缝形成过程中的应用研究钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征，从热力学角度分析钛合金电子束焊接接头在不同的热处理条件下形成不同组织结构的机制，可以为通过改变热处理制度控制钛合金电子束焊接接头相变的方法提供理论基础。通过热力学研究钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征表明，钛合金电子束焊接接头的相变驱动力来源于新相马氏体和母相的化学自由能差，形成的马氏体贯穿整个晶粒，并且其取向呈一定的角度；低于Ms点的焊后热处理只能使马氏体长大，而高于Ms点的焊后热处理不仅使马氏体长大，还使部分相成为饱和固熔体，并残留在马氏体片层之间。总之，材料热力学在焊接中有着重要的应用，材料热力学是研究焊缝成型与熔渣的重要理论基础。焊缝成型过程中金属的凝固是非常快的，在较大温度梯度下组织转变必然与其他不同，但它也不可例外的符合热力学规律，因此利用热力学研究焊缝成型过程及产物是可靠的。热力学在焊接熔渣的活度研究方面也有着重要的应用，由于焊剂的复杂性研究各个成分的活性，从而确定各成分的作用