博士論文答辯山東大學博士學位論文.ppt

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1、Fe3Al異種材料擴散焊界面微觀結(jié)構(gòu)及擴散機制研究,山東大學博士學位論文,作者姓名： 王 娟 專 業(yè)：材料加工工程 指導教師： 李亞江 教授,報 告 內(nèi) 容,1. 選題目的、意義及研究內(nèi)容 2. 試驗材料及研究方法 3. 界面過渡區(qū)的組織特征 4. 擴散焊界面強度 5. 界面附近的微觀組織結(jié)構(gòu) 6. 界面元素的擴散分布 7. 結(jié) 論,1. 選題目的、意義及研究內(nèi)容, Ni-Al、 Ti-Al、Fe-Al系三大金屬間化合物領(lǐng)域中，F(xiàn)e3Al金屬間化合物成本低，應用更廣泛, 選題目的、意義, 實現(xiàn)Fe3Al與碳鋼、不銹鋼的焊接，能夠推動Fe3Al在抗氧化、耐腐蝕等工程結(jié)構(gòu)中的應用,具有重大潛在的使

2、用價值，對經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)具有重要的科學意義和應用前景。, 解決的關(guān)鍵問題, Fe3Al脆性大，與Q235、18-8鋼之間成分及熱物理性能差別大，界面處易產(chǎn)生裂紋，焊接難度大, Fe3Al/Q235及 Fe3Al/18-8擴散焊界面較窄，形成的相結(jié)構(gòu)復雜，接頭強度是否能滿足使用要求, 界面附近元素的擴散行為是高溫下連續(xù)動態(tài)擴散過程，研究元素擴散有助于分析界面相結(jié)構(gòu)的形成，對提高界面強度具有重要的意義,針對Fe3Al/Q235以及Fe3Al/18-8擴散焊 界面過渡區(qū)的組織特征 界面剪切強度 界面附近微觀相結(jié)構(gòu) 界面元素的擴散分布 界面過渡區(qū)的形成及生長規(guī)律, 研究內(nèi)容,2. 試驗材料及研究方

3、法,Fe3Al金屬間化合物(真空感應熔煉、經(jīng)1000均勻化退火) Q235碳鋼和1Cr18Ni9Ti不銹鋼(18-8鋼), 試驗材料, 擴散焊設(shè)備及工藝,圖2.1 試驗用Workhorse型真空擴散焊設(shè)備及試樣裝配,工藝參數(shù)范圍： 加熱溫度T9801080，保溫時間t1580min，焊接壓力P1017.5MPa，真空度1.3310-4 1.33 10-5Pa。,圖2.2 擴散焊的典型工藝參數(shù)曲線, LYS壓力試驗機（剪切強度） SEM, XQF-2000, XRD, TEM（微觀組織結(jié)構(gòu)） Shimadzu 顯微硬度計（顯微硬度） EPMA （元素濃度分布） Fick第二定律，增加初始和邊界條

4、件 （建立元素擴散分析方程）, 試驗及研究方法,(a) 100 (b) 400 圖3.1 Fe3Al/Q235擴散焊界面附近的組織特征 (SEM),3. 擴散焊界面組織特征,(a) 擴散反應層 (b) 組織特征 圖3.2 Fe3Al/18-8界面附近的顯微組織特征 (SEM),圖3.3 Fe3Al異種材料擴散焊界面過渡區(qū)的劃分,(a) 106030min, P=10MPa (b) 106060min, P=12MPa,(c) 102060min, P=10MPa (d) 106060min, P=12MPa 圖3.4 Fe3Al/Q235界面過渡區(qū)的顯微組織 (SEM),圖3.5 Fe3Al/

5、18-8界面過渡區(qū)的顯微組織 (SEM),(a) 102060min, P=17.5MPa (b) 104030min, P=17.5MPa,(c) 104060min, P=15MPa (d) 106060min, P=15MPa,(a) Fe3Al/Q235 (b) Fe3Al/18-8 圖4.1 試樣尺寸,圖4.2 剪切強度試驗自制工裝示意圖,4. 擴散焊界面剪切強度, Fe3Al/Q235擴散焊界面,加熱溫度1060左右，保溫4560min，壓力1215MPa時，能夠獲得界面結(jié)合良好、剪切強度較高的Fe3Al/Q235擴散焊接頭, Fe3Al/18-8擴散焊界面,(a) 加熱溫度,圖4

6、.3 加熱溫度和保溫時間對界面剪切強度的影響,加熱溫度控制在1040左右，保溫時間4560 min、焊接壓力1215MPa。能夠獲得界面結(jié)合良好、剪切強度較高的Fe3Al/18-8擴散焊接頭。,(b) 保溫時間, 剪切斷口形貌,(a) 脆性斷裂 (b) 解理臺階 圖4.4 Fe3Al金屬間化合物 的室溫斷口形貌 (SEM),(a) 脆性斷裂 (b) 解理斷裂 (c) 能譜分析 (d) 河流條紋(e) 準解理斷裂 (f) 能譜分析 圖3.5 Fe3Al異種材料擴散焊界面的剪切斷口形貌 (SEM),界面剪切斷口形貌較多為解理斷裂和準解理斷裂，有少量的韌性斷裂特征。能譜分析表明斷裂主要發(fā)生在過渡區(qū)靠

7、近Fe3Al一側(cè),(a) 測試位置 (b) 顯微硬度 圖5.1 Fe3Al/Q235界面過渡區(qū)的顯微硬度分布, 界面過渡區(qū)顯微硬度,106060min, P=15MPa時界面過渡區(qū)顯微硬度峰值HM520，小于FeAl、FeAl2等脆性金屬間化合物的顯微硬度,5. 擴散焊界面微觀組織結(jié)構(gòu),(a) 測試位置 (b) 100060min,圖5.2 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)的顯微硬度分布,(c)104060min (d) 106060min,1040 60min, P=15MPa時過渡區(qū)顯微硬度值HM500,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) C 圖5.3 Fe3Al/Q235界面

8、過渡區(qū)元素的分布 (EPMA),界面過渡區(qū)元素擴散分布,(a) T=1000 (b) T=1040 圖5.4 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)Cr、C元素的分布 (EPMA),(a) 測試位置 (b) Al (c) Fe (d) Ni 圖5.5 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)Al、Fe、Ni元素的分布(EPMA),(a) 界面近 Fe3Al 側(cè) (b) 界面近Q235 側(cè) 圖5.6 Fe3Al/Q235界面相結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖 (XRD), 界面XRD相結(jié)構(gòu)分析,界面附近主要形成Fe3Al、-Fe (Al)固溶體(FeAl相極少), 相結(jié)構(gòu) 排列從有序超點陣FeAl、Fe3Al過渡到-Fe(Al

9、)固溶體，有利 于改善和提高擴散焊界面的組織結(jié)構(gòu)和韌性,(a) 界面近Fe3Al側(cè) (b) 界面近18-8側(cè) 圖5.7 Fe3Al/18-8界面相結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖 (XRD),加熱溫度由1020升高到1060時，F(xiàn)e3Al/18-8擴散焊界面形成的 相結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律為：(FeAl2+Fe2Al5+ -Fe(Al) (Fe3Al+FeAl+ -Fe(Al)Ni3Al)(Fe3Al+ -Fe (Al)+Ni3Al+Cr2Al),(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.8 界面精細結(jié)構(gòu)特征 (TEM), Fe3Al/Q235界面TEM觀察,(a) TEM 形貌 (b

10、) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.9 界面Fe3Al與-Fe(Al)的精細結(jié)構(gòu) (TEM),界面過渡區(qū)Fe3Al具有典型的超點陣結(jié)構(gòu)，由許多位錯胞壁組成,(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.10 界面過渡區(qū)的Fe3Al精細結(jié)構(gòu) (TEM), Fe3Al/18-8界面TEM觀察,(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.11 界面析出相和-Fe(Al)固溶體的精細結(jié)構(gòu)(TEM),-Fe(Al)固溶體與少量Fe3C之間存在 (002)-Fe(Al)(130)Fe3C的晶體學位向關(guān)系,Fe3Al/18-8界面,圖6.1 求

11、解元素擴散分布方程的坐標系, 界面元素的擴散方程,6. 界面元素的擴散,圖6.2 Fe3Al/Q235界面元素分布 計算值與實測值(EPMA)比較,(a) 計算結(jié)果 (b) EPMA 圖6.3 Fe3Al/18-8擴散焊界面元素分布計算與實測值比較,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 圖6.4 加熱溫度對Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)元素分布的影響,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 圖6.5 保溫時間對Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)元素分布的影響,隨T的升高及t的延長，元素擴散距離增加 ，但當超過T1060 , t60min，元素擴散不再發(fā)生明顯變化,

12、(a) Al (b) Fe 圖6.6 Fe3Al/Q235界面元素擴散距離與保溫時間的關(guān)系, 界面過渡區(qū)生長規(guī)律,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 圖6.7 Fe3Al/18-8界面元素擴散距離與保溫時間的關(guān)系,(a) Fe3Al/Q235 (b) Fe3Al/18-8 圖6.8 界面過渡區(qū)元素擴散系數(shù)與溫度的關(guān)系,界面過渡區(qū)寬度的計算,Fe3Al/Q235擴散焊界面過渡區(qū)寬度的表達式：,Fe3Al/18-8擴散焊界面過渡區(qū)寬度的表達式：,式中：x界面過渡區(qū)寬度，m； R常數(shù)，8.314 JK/mol； T加熱溫度，K； t保溫時間，s。,7. 結(jié) 論, 采用真空擴散焊并

13、嚴格控制工藝參數(shù)（T=10401060，t=4560min，P=1215MPa），能夠獲得界面結(jié)合良好、剪切強度較高的Fe3Al/Q235及 Fe3Al/18-8擴散焊接頭。(專利申請?zhí)?00410023495.6), Fe3Al/Q235及Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)分別由(FeAl+Fe3Al+-Fe(Al)和(FeAl+Fe3Al+-Fe(Al)+Ni3Al)構(gòu)成，沒有高硬度脆性相，具有較好的韌性。, 提出Fe3Al/Q235(或18-8)異種材料擴散焊界面過渡區(qū)的劃分，該區(qū)域由混合過渡區(qū)和兩側(cè)的兩個過渡區(qū)組成。Fe3Al 異種材料擴散焊界面具有明顯的擴散特征，組織結(jié)構(gòu)之間相互交錯。, 通過界面元素擴散方程，計算界面Al, Fe, Cr, Ni元素分布, 計算結(jié)果與EPMA實測值基本吻合。Fe3Al/Q235及Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)寬度 x2= 4.8 104exp(-133.02/RT)(t-t0) 和x2= 7.5102exp(-75.2/RT)(t-t0)。,致 謝,本文是在李亞江教授悉心指導下完成的。謹對導師多年來在學術(shù)上的諄諄教導與生活上的關(guān)心致以崇高的敬意。 特別感謝實驗室各位老師與同學的幫助！ 本課題得到國家自然科學基金（50375088）和哈爾濱工業(yè)大學焊接國家重點實驗室開放基金的資助，特表謝意。,懇請各位專家提出寶貴意見！,Thank you,