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1、材料擴(kuò)散與相變（論文）題目：作者：學(xué)號：S學(xué)院：北京有色金屬研究總院專業(yè)：材料科學(xué)與工程成績：2015年12月TLP焊接過程數(shù)學(xué)模型的建立首先對TLP過程焊接過程的四個階段進(jìn)行描述，然后建立TLP焊接過程的數(shù)學(xué)模型，最后進(jìn)行模擬計算，分析TLP焊接過程。TLP過程分階段詳細(xì)描述將TLP焊接過程分成四個階段：1)加熱階段，2)中間層溶化至液相均勻化，3)液相區(qū)等溫凝固；4)接頭固相區(qū)成分均勻化。假設(shè)TLP焊時的接頭裝配形式如圖1所示。在被連接的母材中間加一個中間層，這里記母材為純金屬A，中間層為純金屬B，疊放順序為A/B/A。元素A和B可以形成如圖2所示的二元共晶。
2、中間層的初始厚度為，中間層中溶質(zhì)元素B的初始濃度為CM。圖1接頭疊放形式示意圖圖2A-B二元共晶平衡相1加熱階段(就是加熱至共晶溫度，即出現(xiàn)液相前的升溫階段)如圖3所示，當(dāng)溫度從室溫O點升溫到共晶溫度1點為加熱階段。在加熱過程中，接頭中母材與中間層緊密接觸，試樣放置在真空爐中整體加熱，中間層的降熔元素(簡稱MPD)通過固相擴(kuò)散向母材中擴(kuò)散，通常由于在低溫下，金屬的固相擴(kuò)散較為緩慢，所以在此過程耗損的MPD元素很少(見圖3c)。接頭滿足以下兩個條件時，便可在A/B結(jié)合面上形成液相：①溫度達(dá)到共晶溫度；②B在A中的濃度達(dá)到在共晶溫度時相圖中的最大固溶度。當(dāng)然，在加熱階
3、段MPD元素總的耗損量與加熱速率和元素的擴(kuò)散系數(shù)以及A-B的共晶溫度有關(guān)。加熱速率越慢，MPD元素擴(kuò)散入母材的量就越大；如果加熱時間太長，母材中的中間層MPD元素的最大濃度低于在共晶溫度時在母材中的最大固溶度，那么即使再升溫，也不會得到液相。當(dāng)中間層太薄或MPD元素含量過低時，上述情況出現(xiàn)的幾率就會增大，Li等文中就提到當(dāng)用Cu中間層焊接鋁基復(fù)合材料時，將加熱溫度從5K/s降到1K/s時，中間層的最佳厚度從0.6um升到了2um。圖3TLP焊接中加熱階段a)溫度.時間曲線b)相圖示意c)接頭截面的MPD元素濃度分布d)接頭裝配示意圖2.中間層熔化和液相區(qū)加寬及均勻
4、化階段當(dāng)試件加熱到圖4中1點時，首先會在A/B結(jié)合面上出現(xiàn)液相。此時界面處液相為共晶液相。液相的出現(xiàn)大大加快了降熔元素(MPD)B向液/固界面兩側(cè)擴(kuò)散的速度(因為液相中元素的擴(kuò)散速度大大快于在固相中的擴(kuò)散)，這樣液相中MPD元素濃度快速增加；而在1點溫度下，固/液界面處固相側(cè)MPD溶質(zhì)B的濃度卻達(dá)到了最大固溶度(圖4b)。這時，溫度再從1點升到2點，界面兩側(cè)的液相區(qū)和固相區(qū)的濃度就會沿著液相線和固相線向上移動，如圖4b所示。為了保持固/液界面的平衡，就會使固/液界面向兩側(cè)移動，直至中間層全部熔化。這時，母材也熔化一部分，整個液相區(qū)加寬(圖4c)。熔化階段所依賴的因
5、素非常復(fù)雜，包括升溫速率和擴(kuò)散速率等，所以，液相可能在溫度升到Tb后一段時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖4TLP焊接中中間層熔化和液相區(qū)加寬階段a)溫度.時間曲線b)相圖示意c)接頭截面的MPD元素濃度分布d)接頭裝配示意圖3.等溫凝固當(dāng)液相區(qū)達(dá)到最大寬度時，此時固/液界面固相側(cè)的MPD元素濃度為圖5b所示的液相側(cè)的MPD元素濃度為。通過第2階段認(rèn)為MPD元素在液相中的濃度為，但是在固相區(qū)則不然，由于MPD元素在固相中擴(kuò)散慢，所以固相區(qū)僅僅在液/固界面附近的固相側(cè)MPD元素濃度為，固相區(qū)其他位置均低于此值。這樣在固相區(qū)就存在MPD元素濃度梯度，必然使得MPD元素向固相區(qū)擴(kuò)散，
6、固/液界面處MPD濃度平衡被打破，液相必然要向固相中提供MPD原子。此時，若液相寬度不變，就會導(dǎo)致液相區(qū)濃度下降，由圖5b可知，溫度就得隨之下降。而溫度保持不變的話，液相區(qū)就必須收縮，即固/液界面向里收縮(圖5c)，原來液相區(qū)變成新形成的低溶度的固相區(qū)。由此可見，等溫凝固階段是一個動態(tài)平衡，實際界面上固相層的濃度始終處于平衡到不平衡的變化之中。等溫凝固受控與溶質(zhì)原子在固相中的擴(kuò)散，溶質(zhì)原子在固相中存在濃度梯度。綜上所述，等溫凝固階段的焊接條件與濃度分布主要有以下特征：溫度不變，液相內(nèi)及固/液界面的平衡濃度不變；變化的只是液相區(qū)的寬度與固相區(qū)中的MPD元素濃度。圖5
7、TLP焊接中等溫凝固階段a)溫度-時間曲線b)相圖不惹c)接頭截面的MPD元素濃度分布d)接頭裝配示意圖4.接頭區(qū)溶質(zhì)成分的均勻化當(dāng)?shù)葴啬探Y(jié)束時，在接頭中心兩側(cè)固/液界面相遇凝固后，將會在中心線處形成一個MPD元素濃度峰值，其大小為相圖上固相線溶質(zhì)的濃度CaL(見圖6b)。如果這時將試件再保溫一段時間，可以使中心的峰值濃度下降，從而促進(jìn)固相中溶質(zhì)濃度的進(jìn)一步均勻化，直至固相中MPD元素濃度在可以接受的范圍內(nèi)。圖6TLP焊接中接頭固相成分均勻化階段a)溫度-時間曲線b)相圖示意圖c)接頭截面的MPD元素濃度分布d)接頭裝配示意圖綜上，在TLP過程的四個階段上，最為
8、重要的兩個
