Fe3Al和 Cr18-Ni8 钢扩散连接界面的应力分布

1、Fe3Al和Cr18-Ni8钢扩散连接界面的应力分布王 娟, 李亚江, 夏春智摘要：Fe3Al和Cr18-Ni钢在真空中扩散连接，在Fe3Al和Cr18-Ni之间形成界面。采用有限元数值模拟和有限元方法（FEM）研究了扩散连接界面的应力分布。结果表明，应力峰值出现在Cr18-Ni钢侧界面，这是导致该位置裂纹的关键因素。随着加热温度的提高，扩散连接界面的峰值应力增大，当温度为1100时，峰值应力为65.9MPa，比1000时增大9.4%。此外，峰值应力变大，伴随基底金属的厚度从1毫米到8毫米增大。当厚度超过8毫米时，峰值应力随厚度的变化而变化。关键词：应力、界面、Fe3Al金属间化合物，扩散连接

2、。0简介：Fe3Al金属间化合物具有许多优点，如作为优良的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性和低成本，在国内和国外得到了相当的关注 1 - 3 。因此，解决焊接Fe3Al与Cr18-Ni8不锈钢的问题，可以从性能和经济发展他们各自的优势，这是增加Fe3Al金属间化合物在石化、电力等行业领域高温结构材料应用的关键技术。然而，在外观上，可焊性较差的焊接材料产生的氢脆 4 和热应力引起焊接裂纹，严重限制了Fe3Al金属间化合物作为结构材料的应用。目前，焊接Fe3Al和Cr18-Ni8不锈钢 5 - 6 的研究已经取得了关键的进步，但是对Fe3Al / Cr18-Ni8扩散键和界面的应力分布的研究很少。由于F

3、e3Al金属间化合物与钢在结构上和热膨胀系数的不同，在界面处应力分布复杂，这是导致焊接裂纹的关键因素。目前，扩散接合界面的应力值几乎是不可能精确测量的。本文在Fe3Al / Cr18-Ni8扩散界面研究中，对分布的应力、加热温度、基体金属厚度对应力和热弹塑性的影响进行有限元数值模拟，主要考虑材料的热物理性能与工艺参数的变化。这将为Fe3Al与Cr18-Ni8焊接性的进一步研究提供依据。1试验程序实验材料是Fe3Al金属间化合物和Cr18-Ni8奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）。Fe3Al在真空感应炉中融化后制作成板，Cr18-Ni8在1000进行均匀退火处理。Fe3Al与焊接采用在真空容器

4、扩散焊。Fe3Al试样的大小为12mm8 mm8 mm，Cr18-Ni8式样为8mm8mm6mm。连接示意图如图1a所示。在Fe3Al / Cr18-Ni8扩散连接处经分析属于高温热弹塑性应力，根据工件的尺寸设置有限元模型。为了得到准确的结果，该模型在靠近应力复杂的界面区域是经过改良的。有限元计算网格的划分如图1b所示。Fe3Al与Cr18-Ni8钢有限元法对热物理性能如表1所示。 Fig. 1 Schematic diagram of the joint and mesh division of FEMBaseT em pera tureCoefficien t of heat expans

5、ionY oung s m odu lusTherm a l conductiv itySpecific heatm eta lsT /? / 10- 6K - 1E /GP a* /W ! m- 1! ? - 1C / J! kg- 1! ? - 11001514012. 559920017-13. 361030018-14. 2680Fe3 A l40023-15. 275050025-16. 085060026-17. 280070027-18. 080020-18416. 350210016. 6-20017. 0-17. 6-30017. 2-18. 8-Cr18-Ni8400500

6、17. 517. 9159-20. 521. 8-60018. 213723. 5-70018. 612024. 7-800-8826. 4-900-28. 5-有限元分析的应力分布曲线显示在图2中，模型初始温度设定为扩散连接的加热温度，最终温度设定为冷却至室温，然后计算出加热温度到室内温度产生的应力分布。根据不同的加热温度设定不同的初始温度，计算出不同加热温度下的应力分布。计算流程在图2中用虚线显示。Fig. 2 Flow of finite element analysis on the stress distribution2结果与讨论2.1应力分布轴向（X方向）在界面上的应力分布如图3

7、所示。图中的所有曲线都是应力值不变的值线，且该线的字母代表应力值。从图3a中，我们可以看到，接口不严的工件，到中心的距离越大，应力越大 并且最大应力出现在表面。工件外表面轴向（X方向）应力分布如图3b所示。应力峰值出现在一个狭窄的区域的界面两侧（接口两侧约0.8mm）。这个结果是符合实际中扩散连接接头断裂位置的最大应力出现在两侧接口的边缘。对于Fe3Al的一面，应力表现为压应力，最大值是48.3 Mpa，为Fe3Al合金抗拉强度（455 MPa）的10.6%。在Cr18-Ni8侧应力表现为拉应力，最大值为58.9 MPa，为Cr18-Ni8抗拉强度（520 MPa）的11.3%。接头容易出现裂

8、纹然后在拉伸应力下断裂。F ig. 3 X -axis stress distribution at the interface从图3a中，我们还可以明显看到在界面上不同位置的应力变化和应力等值线波动。应力集中在工件的边缘。从图3b，我们可以看出，应力等值线密集分布在界面附近，这表明界面附近的应力分布梯度大，并且应力状态的变化明显。Fe3Al / Cr18-Ni8接头结构如图4所示。由图4可知，Fe3Al和接口之间的界面组织较为紧密，而接头靠近Cr18-Ni8钢一侧出现微裂纹。这是因为Cr18-Ni8与Fe3Al的热膨胀系数的不同，冷却后在Cr18-Ni8侧扩散界面附近出现较大应力。这对应应力

9、分布的计算结果。Fig.4 Microstructure in Fe3Al / Cr18-Ni8 joint2.2加热温度对应力的影响 Fe3Al与Cr18-Ni8钢连接时的加热温度需要严格控制。加热温度对接头的应力有很大的影响。不同加热温度下的扩散连接接头的性能有很大的不同。从1000到1100不同温度下的界面处的应力分布从如图5所示。 结果表明，当温度变化从1000到1100，在同一位置上的应力增大。加热温度越高，接头的应力越大。当加热温度从1000到1100，垂直于界面的键合面上的压应力的振幅差为2.8 MPa（见图5a），这是在1100最大压应力（31.0Mpa）的9.0%。与界面垂直

10、于界面的拉应力的振幅差为3.5 Mpa,是最大拉应力（38.9MPa）的9.0%。 从图5b，当加热温度从1000到1100，在垂直于界面的边缘的压应力的振幅差是4.76 M Pa，这是最大压缩应力（52.9MPa）的9.0%。在垂直于界面的拉伸应力的振幅差是6.19MPa，这是最大的拉伸应力（65.9MPa）的9.4%。因此，接头的应力随加热温度的变化而变化。Fig.5 Stress distribution of Fe3Al / Cr18-Ni8 joint2.3 厚度对应力的影响金属基底的形状对应力分布有较大影响。为了分析扩散连接接头处母材厚度对应力分布的影响，设定Cr18-Ni8厚度从

11、2mm增加到16mm而Fe3Al为恒定的12 mm厚度，对界面附近的应力分布进行计算。Cr18-Ni8钢厚度在表面垂直于界面的应力分布的影响效果如图6所示。Fig.6 Effect of thickness of Cr18-Ni8 on stress at surface perpendicular to interface随着Cr18-Ni8钢板厚度的增加，对Fe3Al侧应力增加，但幅度很小。当厚度从2mm到8mm增加时，Cr18-Ni8钢侧拉应力明显增大（从23.2MPa到37.1MPa）。当厚度从8mm到16mm增加时，应力变化不大（从37.1MPa至41.1MPa）。随着Cr18-Ni

12、8基体金属厚度的增加，界面附近的Cr18-Ni8钢一侧应力增加，但应力增加到一个恒定值时不会改变了，而厚度变化到某一临界值（8mm）后还会继续增加。3.结论在Fe3Al / C r18-ni8扩散粘结界面接口中轴线的距离应力分布表明，距离界面越远，应力越大。最大应力为58.9Mpa,出现在Cr18-Ni8钢一侧距离接口界面8mm处。随着加热温度的升高，应力逐渐增大。当加热温度从1000变到1100时，最大的应力值为65.9Mpa,比1000时的最大应力值高9.4%。厚度对接头的应力由较大影响。在一定范围内的厚度（小于8mm），应力会随着Cr18-Ni8基底厚度的增加而增大。但应力增加到一个恒定

13、值后变化缓慢甚至不会改变了，当厚度变化到某一临界值（8mm）后会继续增加。致谢：该项目由山东省博士基金（2006bs04004）、中国国家自然科学基金（50375088）资助。参考文献： 1 Li Y J, Wang J, Yin Y S, etal. Analysis of microstructure in the interface of diffusion welding for Fe3Al/Q235 dissimilar materials. Transactions of the China Welding Institution,2002,23 ( 2) : 25- 28. (

14、in Chinese) 2Yin Y S, Fan R H,Xie Y S.The effect of chromium on the valence electron structure of Fe3Al intermetallic compound. Materials Chemistry and Physics,1996, 44( 2) : 190- 193. 3Kim D H.Structure and decom position behaviour of rapidly so lidified Fe-A l alloys. Journal of Materials Science,

15、1994, 29: 1890- 1895. 4 Castagna A, Stoloff N S. Hydrogen embrittlement o f Fe3Al a l-loys. Materials Science and Engineering A, 1995,192 /193(2):399- 406. 5 Wang J,Li Y J, L iu P.Diffusion bonding of Fe3Al with Cr18-Ni8 stainless steel，International Journal for the Joining of Materials, 2003,15(2):25- 29. 6 Wang J, Li Y J,Yin Y S.Microstructure and formation mechanism of diffusion-bond