材料成型实验指导

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1、不同材料成形的工艺与组织观察实验指导书1真空热压法制备钢铝复合材料1、实验目的1)了解材料的扩散连接机理；2)掌握制备钢/铝复合材料的工艺步骤；3)掌握关于钢/铝复合材料结合的分析。2、实验原理概述1)扩散连接机理扩散连接机理极为复杂，一些学者从不同角度阐述了焊接接头的形成过程，因此出现了再结晶理论、位错理论、卡扎何夫扩散理论、西苗诺夫能量学说、薄膜学说等，近来在总结以上各种理论和学说的基础上提出了比较公认的焊接过程三阶段的理论，其原理如下：(1)物理接触的形成阶段这个阶段主要是通过一定的工艺手段去除氧化膜，在一定的扩散压力下形成物理接触（实际

2、接触）。即指作用物质之间产生电子相互交换的过程，使被焊材料表面原子之间形成比较稳定的外层电子。(2)接触表面的激活阶段在形成实际的接触面后，在扩散压力和扩散温度的作用下，激活焊接表面的原子，使界面之间形成金属键等化学键结合。(3)扩散阶段扩散阶段是在扩散温度和压力下，扩散物质相互扩散的阶段，在这个阶段会使缺陷（空洞、氧化物夹层等）消失，在接触处形成共同的晶粒，并导致内应力松弛，其结果是使接头的使用性能达到与基体金属一致的效果。2)界面几何模型固态扩散连接界面紧密接触过程模型，自1973年由Hamilton进行塑性紧密接触过程解析以后，相继有不少

3、模型被提出。近年来国内外很多学者提出了扩散连接界面实际情况的几何模型，这些几何模型的提出使对扩散连接机理的认识更进了一步。扩散连接界面的几何形状貌似长而近似平行的山脊，国内外用不同的手段描述这种形貌的近似，Derby、Wallach-Ridley和Takahashi提出了用近似直边的模型来描述这种几何形貌；Ridley和Guo提出一种semilenticular界面形状，然而实际中在配合界面的相接触处会出现相反的形状；Klaphaak最早提出一种正弦波形形貌模型，同时Takahashi认为正弦波形扩散模型在扩散初期空洞的连接处会出现相反的扩散，

4、而在N.Orhan，M.Aksoy，M.Eroglu在中详细的论述了扩散界面形貌为正弦波形的情况，并详细的给出了这种界面几何模型的扩散机理，具体内容如下：图1.1为正弦界面空洞模型，这种模型的前提条件：(1)两个界面的接触方式如图1所示中那样的，在接触处将立即得到焊接接头；(2)在扩散连接时，界面形貌是正弦波，在接触处形成如图1所示的接触形状；(3)空洞的边界是受到拉应力，而沿着空洞边界方向的力为零；(4)空洞沿界面方向以一定间隔均匀分布，而在z方向上是单元长度；(5)在扩散过程中，正弦波的间距是常数；(6)在扩散时，在空洞上没有外加压力；(7

5、)是空洞高度，x是X方向的距离，b为空洞的宽度。图1.1正弦界面空洞模型资料中还给出了塑性变形方程、空洞表面的扩散方程、空洞连接处的扩散方程、晶粒的生长方程，并研究了晶粒度对扩散的影响，并通过试验验证了作者的几何模型的合理性。模型几何方程如下：(1)近年来，在固态扩散焊界面空洞收缩机理的研究方面，以高桥康复、井上腾敬、与西口公之为代表的日本学者提出了用菱形柱面空洞及双凸透镜柱面界面模型，如图1.2所示。采用该二维模型具有运算简便又能很好的说明问题的优点。为简化计算，模型消除了与空洞形状有关的复杂边界条件的影响，其中，菱形模型用于粘塑性变形机理的

6、计算，透镜模型用于扩散机理的计算。(a)母材原始表面模型（三角形）(b)界面空洞二维排列模型（菱形）接合线空洞(c)界面空洞二维排列模型（透镜形）图1.2菱形柱面空洞及双凸透镜柱面界面模型3、实验内容1)观摩真空热挤压法制备钢/铝复合材料的录像，熟悉真空热挤压法制备钢/铝复合材料的工艺过程；(1)铝表面防氧化处理，铝表面化学镀锡：工艺流程：有机溶剂除油水洗出光水洗浸锡(2)钢/铝过渡层成分设计，冷喷涂纯铜粉、热压铜箔、热压镍箔：(a)冷喷涂纯铜过渡层喷涂过程是利用高压气体通过缩放管产生超音速流动，将粉末粒子从轴向送入高速气流中，经加速后，在完全

7、固态下撞击基体，通过较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上形成涂层。试验所选择粉末预热温度T＝450～500℃，粉末粒子速度Vc＝500～700m/s。(b)热压铜箔过渡层在真空热压炉中采用如下工艺参数：850℃、压强15MPa、真空度≤1.0×10-2Pa、保温时间60min实现纯铜箔和不锈钢之间的扩散结合。(a)热压镍箔过渡层在真空热压炉中采用如下工艺参数：800℃、压强15MPa、真空度≤1.0×10-2Pa、保温时间60min实现纯镍箔和不锈钢之间的扩散结合。(b)钢/铝双金属热压扩散结合：钢/铝双金属材料的热压试验在热压扩散炉中进行，试

8、验选用的工艺参数为：加热温度480℃～500℃、压强15MPa、真空度≤1.0×10-2Pa、保温时间30min。1)在光学显微镜下观察所制备的钢/铝