材料扩散与相变.doc

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1、材料扩散与相变（论文）题目：作者：学号：S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。在被连接的母材中间加一个中间层，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/A。元素A和B可以形成如图2所示的二元共晶。

2、中间层的初始厚度为，中间层中溶质元素B的初始浓度为CM。图1接头叠放形式示意图图2A-B二元共晶平衡相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O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)。接头满足以下两个条件时，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

3、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；如果加热时间太长，母材中的中间层MPD元素的最大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1K/s时，中间层的最佳厚度从0.6um升到了2um。图3TLP焊接中加热阶段a)温度.时间曲线b)相图示意c)接头截面的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

4、化阶段当试件加热到图4中1点时，首先会在A/B结合面上出现液相。此时界面处液相为共晶液相。液相的出现大大加快了降熔元素(MPD)B向液/固界面两侧扩散的速度(因为液相中元素的扩散速度大大快于在固相中的扩散)，这样液相中MPD元素浓度快速增加；而在1点温度下，固/液界面处固相侧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，界面两侧的液相区和固相区的浓度就会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/液界面向两侧移动，直至中间层全部熔化。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

5、素非常复杂，包括升温速率和扩散速率等，所以，液相可能在温度升到Tb后一段时间才能达到稳态。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)接头截面的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时，此时固/液界面固相侧的MPD元素浓度为图5b所示的液相侧的MPD元素浓度为。通过第2阶段认为MPD元素在液相中的浓度为，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，固相区其他位置均低于此值。这样在固相区就存在MPD元素浓度梯度，必然使得MPD元素向固相区扩散，

6、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，即固/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之中。等温凝固受控与溶质原子在固相中的扩散，溶质原子在固相中存在浓度梯度。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。图5

7、TLP焊接中等温凝固阶段a)温度-时间曲线b)相图不惹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元素浓度峰值，其大小为相图上固相线溶质的浓度CaL(见图6b)。如果这时将试件再保温一段时间，可以使中心的峰值浓度下降，从而促进固相中溶质浓度的进一步均匀化，直至固相中MPD元素浓度在可以接受的范围内。图6TLP焊接中接头固相成分均匀化阶段a)温度-时间曲线b)相图示意图c)接头截面的MPD元素浓度分布d)接头装配示意图综上，在TLP过程的四个阶段上，最为

8、重要的两个