Fe3Al和 Cr18-Ni8 钢扩散连接界面地应力分布.doc

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1、和Cr18-Ni8钢扩散连接界面的应力分布王娟,亚江,夏春智摘要：和Cr18-Ni钢在真空中扩散连接，在和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。0简介：金属间化合物具有许多优

2、点，如作为优良的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性和低成本，在国和国外得到了相当的关注[1-3]。因此，解决焊接不锈钢的问题，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，严重限制了金属间化合物作为结构材料的应用。目前，焊接和Cr18-Ni8不锈钢[5-6]的研究已经取得了关键的进步，但是对/Cr18-Ni8扩散键和界面的应力分布的研究很少。由于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

3、是不可能精确测量的。本文在/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。这将为焊接性的进一步研究提供依据。1试验程序实验材料是金属间化合物和Cr18-Ni8奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）。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。焊接采用在真空容器扩散焊。试样的大小为12mm×8mm×8mm，8mm×8mm×6mm。连接示意图如图1a所示。在/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

4、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。有限元法对热物理性能如表1所示。Fig.1SchematicdiagramofthejointandmeshdivisionofFEMBaseTemperatureCoefficientofheatexpansionYoungs'modulusThermalconductivitySpecificheatmetalsT/?Þ/10-6K-1E/GPa*/W!m-1!?-1C/J!kg-1!?-11001514012.559920017-13.361030018-14.2680Fe3Al40023-15.2750500

5、25-16.085060026-17.280070027-18.080020-18416.350210016.6---20017.0-17.6-30017.2-18.8-Cr18-Ni840050017.517.9159-20.521.8--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.2F

6、lowoffiniteelementanalysisonthestressdistribution2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48.3Mpa，为Fe3Al合金抗拉强度（455

7、MPa）的10.6%。在Cr18-Ni8侧应力表现为拉应力，最大值为58.9MPa，为Cr18-Ni8抗拉强度（520MPa）的11.3%。接头容易出现裂纹然后在拉伸应力下断裂。Fig.3X-axisstressdistributionattheinterface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