材料扩散与相变

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1、UniversrtyofScienceandTechnologyBeijing材料扩散与相变（论文）题目：作者：学号：S201560学院：北京有色金属研究总院专业：材料科学与工程成绩：2015年12月TLP焊接过程数学模型的建立首先对TLP过程焊接过程的四个阶段进行描述，然后建立TLP焊接过程的数学模型，最后进行模拟计算，分析TLP焊接过程。TLP过程分阶段详细描述将TLP焊接过程分成四个阶段：1）加热阶段，2）中间层溶化至液相均匀化,3）液相区等温凝固；4）接头固相区成分均匀化。假设TLP焊时的接头装配形式如图1所示。在被连接的母材屮间加一个屮间

2、层，这里记母材为纯金属A,中间层为纯金属B,叠放顺序为A/B/Ao元素A和B可以形成如图2所示的二元共晶。中间层的初始厚度为叫），中间层中溶质元素B的初始浓度为CMoComposition图2A-B二元共晶平衡和1加热阶段（就是加热至共晶温度，即出现液相前的升温阶段）如图3所示，当温度从室温0点升温到共晶温度1点为加热阶段。在加热过程中，接头中母材与中间层紧密接触，试样放置在真空炉中整体加热，中间层的降熔元素（简称MPD）通过固相扩散向母材中扩散，通常由于在低温下，金属的固相扩散较为缓慢，所以在此过程耗损的MPD元素很少（见图3c）。接头满足以卜•

3、两个条件时，便可在A/B结合面上形成液相：①温度达到共晶温度；②B在A中的浓度达到在共晶温度时相图中的最大固溶度。当然，在加热阶段MPD元素总的耗损量与加热速率和元素的扩散系数以及A-B的共晶温度有关。加热速率越慢，MPD元素扩散入母材的量就越大；如杲加热时间太长，母材中的中间层MPD元素的最人浓度低于在共晶温度时在母材中的最大固溶度，那么即使再升温，也不会得到液相。当中间层太薄或MPD元素含量过低时，上述情况出现的几率就会增大，Li等文中就提到当用Cu中间层焊接铝基复合材料时，将加热温度从5K/s降到lK/s时，中间层的最佳厚度从0.6um升到了

4、2umoSoldFoilSoM<0图3TLP焊接中加热阶段a）温度.时间曲线b）相图示意c）接头截而的MPD元素浓度分布d）接头装配示意图2.中间层熔化和液相区加宽及均匀化阶段当试件加热到图4屮1点时，首先会在A/B结合而上出现液相。此时界而处液相为共品液相。液相的岀现大大加快了降熔元素（MPD）B向液個界而两侧扩散的速度（因为液相屮兀素的扩散速度大大快于在固相小的扩散），这样液相小MPD元素浓度快速增加；而在1点温度下，固/液界而处固相侧MPD溶质B的浓度却达到了最大固溶度（图4b）。这时，温度再从1点升到2点，界而两侧的液相区和固相区的浓度就会

5、沿着液相线和固相线向上移动，如图4b所示。为了保持固/液界面的平衡，就会使固/液界而向两侧移动，直至屮间层全部熔化。这时，母材也熔化一部分，整个液相区加宽（图4c）。熔化阶段所依赖的因素非常复朵，包括升温速率和扩散速率等，所以，液相可能在温度升到Tb后一段吋间才能达到稳态。图4TLP焊接中中间层熔化和液相区加宽阶段a）温度.时间曲线b）相图示意c）接头截而的MPD元素浓度分布d）接头装配示意图3.等温凝固当液相区达到最大宽度吋，此吋固/液界面固相侧的MPD元素浓度为图5b所示的C“液相侧的MPD元素浓度为C“通过第2阶段认为MPD元素在液和中的浓度

6、为但是在固相区则不然，由于MPD元素在固相中扩散慢，所以固相区仅仅在液/固界面附近的固相侧MPD元素浓度为CGl,固相区其他位置均低于此值。这样在固相区就存在MPD元索浓度梯度，必然使得MPD元索向

7、古1相区扩散，固/液界面处MPD浓度平衡被打破，液相必然要向固相中提供MPD原子。此时，若液相宽度不变，就会导致液相区浓度下降，由图5b可知，温度就得随之下降。而温度保持不变的话，液相区就必须收缩，即同/液界面向里收缩（图5c）,原来液相区变成新形成的低溶度的固相区。由此可见，等温凝固阶段是一个动态平衡，实际界面上固相层的浓度始终处于平衡到不平衡的变化

8、之中。等温凝同受控与溶质原子在同相屮的扩散，溶质原子在同相中存在浓度梯度。综上所述，等温凝固阶段的焊接条件与浓度分布主要有以下特征:温度不变,液相内及固/液界面的平衡浓度不变；变化的只是液相区的宽度与固相区中的MPD元素浓度。<0图5TLP焊接中等温凝固阶段a）温度•时间曲线b）和图不惹c）接头截面的MPD元素浓度分布d）接头装配示意图4•接头区溶质成分的均匀化当等温凝固结束时，在接头中心两侧固/液界面相遇凝固后，将会在中心线处形成一个MPD元索浓度峰值，其大小为相图上固相线溶质的浓度Cd见图6b）o如果这时将试件再保温一段时间，可以使中心的峰值浓

9、度下降，从而促进固相中溶质浓度的进-步均匀化，直至固相中MPD元索浓度在可以接受的范围内。图6TLP焊接中接头固相成分均匀