材料链接物理复习题.docx

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材料链接物理复习题

1.简述氧化膜对钎焊过程的影响？

去除方法有哪些？

影响：

1使母材之间的不能有良好钎焊结合

2影响钎料的润湿性，钎焊是焊材间钎料润湿不均匀

3氧化膜的熔点一般比母材温度高或与木材熔点相差较大，在钎焊时若为了使氧化膜熔化就需调高温度但又会导致母材熔化形成焊漏

4焊接件之间不完全接触

方法：

物理方式：

如机械刮擦使氧化膜破碎，或是采用超声波振动方法，利用超声波的空化作用使母材表面的氧化膜脱落；

化学方式：

即利用钎剂与母材表面氧化膜的反应来达到去除氧化膜的目的。

多数钎剂钎焊过程都是通过化学机制来去除氧化膜的，但在此过程中的反应却是多种多样的，其作用方式可以是使氧化膜溶解，也可以是使氧化膜与基体金属的结合被削弱而剥落等等。

2.从表面张力角度，分析影响钎料润湿的因素？

改善润湿性的措施？

影响因素：

1）金属表面氧化物的影响：

在常规条件下,大多数金属表面都有一层氧化膜。

氧化物的熔点一般都比较高,在钎焊温度下为固态。

它们的表面张力值很低,因此,钎焊时将导致σsg＜σsl,所以产生不润湿现象,表现为钎料成球,不铺展。

许多钎料合金表面也存在一层氧化膜。

当钎料熔化后被自身的氧化膜包覆,此时其与母材之间是两种固态的氧化膜之间的接触,因此产生不润湿。

2）钎剂的影响

去除氧化膜最有效的方法是采用钎剂。

当用钎剂去除了母材和钎料表面的氧化膜后,液态钎料就可以和母材金属直接接触,从而改善润湿。

另外,当母材和钎料表面覆盖了一层液态钎剂后,系统的界面张力就发生了变化（见图1-6）,当铺展达到平衡时,由Young氏方程有:

其中:

σsf－母材与钎剂间的界面张力;

σsl－母材与钎料间的界面张力;

σlf－钎剂与钎料间的界面张力。

与无钎剂时的情况相比,只要满足σlf＜σlg或σsf＞σsg,就可以增强钎料对母材的润湿。

同样,钎剂成份的变化将造成σlf和σsf的变化,从而也会影响到钎料对母材的润湿性

3）各相浓度的影响

如果相邻两相中任一相不是纯物质而是溶液，当随着某一物质浓度的增大，其表面张力也会发生变化，影响其钎料的润湿性。

4）温度对表面张力的影响

在温度变化范围不大时,表面张力随温度的升高而下降。

这是一个普遍的关系,各种金属表面张力随温度变化的关系大体上可以归结为这种关系。

但是表面张力随温度升高而下降的这种趋势也不是无限的,对液体来说,到"临界点"（即液－气相界面消失,气态与液态无法区分的温度时）表面张力降低为零。

措施：

1）在钎焊过程中必须采取适当的措施来去除母材和钎料表面的氧化膜,以改善钎料对母材的润湿。

2）钎焊过程中选用合理的钎剂改善钎料润湿性。

3）选择合理的润湿温度。

4）控制各物质的浓度，改善钎料润湿性

3.不等间隙钎焊时，液态钎料为何优先填充小间隙端？

液态钎料填缝时之所以优先填充间隙小端,是因为当液体体积不变时,由于钎料可以润湿母材,即体系的固液相界面张力小于固气相的表面张力。

液体向小端运动是扩大固液相面积,减小固气相面积,从而使体系的界面能降低,因此是自发进行的过程。

另外,由前述原理可知,毛细间隙内弯液面的附加压力P与间隙的大小a成反比。

在靠近小端间隙处弯曲液面的曲率较大,产生的附加压力也较大,对于一片液态钎料来说,其各方向的附加压力的总和将指向小端间隙处,因此液体会自动向小端方向运动。

4.何为接触反应钎焊？

简述其特点及应用？

定义：

接触反应钎焊是利用某些异种金属能形成共晶的特点，在界面接触反应良好且加热至高于共晶温度的条件下，依靠金属原子间的互扩散在界面处形成共晶反应液态金属层，随后冷凝结晶，从而把金属连接起来的方法。

特点及应用：

特点：

（1）利用某些异种金属能形成共晶的特点进行钎焊。

（2）无需添加钎料，是一种依靠材料间的共晶反应所产生的液相合金来实现连接的“自钎料”钎焊技术

（3）界面处形成共晶金属层。

应用：

可以用于焊接Al合金、Mg合金、Ti合金以及不锈钢。

5.综合分析提高钎焊接头强度的措施？

异种金属焊接比同种金属焊接困难，两种金属材料性能的差异在更大程度上影响它们之间的焊接性能。

（2）镍基焊料可以钎焊钨、铜异种金属，但易生成脆性化合物，扩散层较厚。

为提高接头强度，应该尽量避免脆性层的生成。

（3）当采用银基焊料、金基焊料钎焊时，焊接性能好，接头强度高。

相比之下，银基焊料添加了活性元素钛，对母材的润湿性好，相比金基焊料，

成本更低，但银基焊料钎焊温度偏低。

温度过高或过低都会使接头强度下降。

不同合金成分的钎焊接头剪切强度都随着热疲劳周期的增加而下降，这是由于热疲劳损伤的积累和疲劳裂纹在接头中扩展所造成的。

与共晶Sn-3.5Ag相比较，Cu元素和稀土元素的添加都能够提高钎焊接头的剪切强度。

值得提出的是添加了稀土元素的Sn-3.0Ag-0.5Cu钎焊接头，虽然剪切强度略低于Sn-3.0Ag-0.5Cu钎焊接头，但其在热疲劳作用下强度的损失是最小的。

在钎焊接头中Bi相组织呈层片状分布，降低了基体的强度，使钎焊接头的剪切强度降低;Cu元素的加入降低了Cu一Sn脆性化合物生长分解的速度，提高了接头的力学性能;Zn元素的加入，阻碍了Sn、Cu之间的扩散结合，抑制了Cu一Sn脆性化合物层厚度的增加，提高了钎焊接头的剪切强度;稀土Ce可以细化钎焊接头中的组织，提高了钎焊接头的剪切强度，当Ce的含量为.03%时，钎焊接头的剪切强度比不含Ce的提高了5.SMpa。

通过合金化的方法来改善无铅钎料合金的性能，最终得到一种无毒、润湿性良好、力学性能优良、成本低的无铅钎料。

Cu和Zn对钎焊接头的剪切强度有明显的强化作用;随着Bi含量的增加钎焊接头的剪切强度下降;稀土Ce细化了钎料的组织提高了钎焊接头的剪切强度。

对复合电镀Ni-Ti金属化层Si3N4陶瓷进行辉光预扩散处理,然后再与Q235用BAg72Cu-V钎料进行钎焊,可大幅度提高钎焊接头的强度。

（2）辉光预扩散提高接头强度的机理为,镀层中溶质原子Ti向陶瓷界面作定向扩散并在界面形成富集,增强了陶瓷界面的化学反应。

（3）采用二步法钎焊镀层陶瓷/金属时,由于将陶瓷的界面结合和钎缝形成分开进行,因此可以分别从各自需要考虑选择镀层材料、辉光扩散处理工艺条件以及钎料和钎焊工艺,为陶瓷的钎焊提供了很大的灵活性。

在钎料中添加微量的稀土可提高钎焊接头的强度和抗腐蚀性。

用镍基钎料钎焊316L不锈钢时,接头主要由非等温凝固区金属间化合物及共晶组织、等温凝固区γ-Ni固溶体组织及扩散影响区网状组织组成,硼、硅是导致化合物相产生的主要元素。

（2）钎焊接头中金属间化合物主要是由Cr-B,Ni-B,Ni-Si化合物组成;在母材扩散影响区出现的网状组织成分主要为Cr-B化合物。

（3）随着钎缝间隙的减小,接头中心化合物逐渐减少同时钎料中元素沿母材晶界扩散距离逐渐增加,三种钎缝间隙的接头显微硬度分布均显现先升高后降低的趋势。

当钎缝间隙为30μm时,接头组织基本为综合性能良好的固溶体组织。

铝锂合金钎焊前母材中的强化相以质点的形式存在,钎焊后母材中的强化相以板条状的形式存在,强化相长大,导致钎焊后母材的强度比钎焊前有所下降,所以铝锂合金钎焊时要严格控制钎焊工件高温停留时间。

（2）在氮气保护条件下,钎焊接头未见有气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷,钎焊接头强度较高;而无氮气保护的条件下,钎焊接头有大量的缺陷存在,这些缺陷的存在严重影响了钎焊接头的强度,所以氮气保护是提高钎焊接头强度的重要手段之一。

（3）冶金结合界面及扩散区的存在,有效地提高了铝锂合金钎焊接头的强度。

采用不同钎料、不同中间层材料和不同中间层的厚度等方法可以实现陶瓷和金属钎焊并达到有效提高接头强度的效果混合稀土的加入改变了钎料的组织形态，钎料熔化温度降低，熔化温度区间减小，润湿面积增大，接头的抗拉强度增大。

Zn85Al钎料中分别添加2%Ag、2%Cu和0.5%Ni均能提高Cu/Al接头的抗拉强度。

3.2Cu/Al钎焊接头的两侧过渡区中均有一个显微硬度峰值，接头组织中均

有脆性化合物的产生。

3.3与Zn85Al钎料相比，加入2%Ag或加入2%Cu+0.5%Ni能显著改善Cu/Al钎焊接头的显微组织，减少脆性化合物的产生，大大提高Cu/Al接头的抗拉强度。

）Ag颗粒增强复合钎料及基体钎料钎焊接头蠕变变形呈现呈不均匀性,其蠕变主裂纹往往出现在距上下Cu基板表面0·1~0·3位置;

2）Ag颗粒增强复合钎料及基体钎料钎焊接头蠕变断裂均沿Cu基板表面η相上方微小区域开裂,能谱分析表明,该区域力学性能较差的富Pb相区（Pb含量约70%）,是蠕变断裂裂纹产生根源;

3）在服役环境相同条件下,与相应基体钎料63Sn37Pb相比,Ag颗粒增强复合钎料蠕变寿命较长,其原因主要有两方面:

一方面,在钎焊过程中,Ag颗粒增强复合钎料中增强体Ag与基体钎料中的Sn发生冶金反应生成Cu6Sn5金属间化合物,使之与基体紧密结合,从而使复合钎料蠕变性能得到改善;另一方面,增强颗粒Ag在钎焊金属中可分布晶粒内或晶界上,对位错具有阻碍租用,同

时嵌入富Pb相的Ag颗粒对蠕变变形也具有拟制作用,因此在相同服役条件下,复合钎料蠕变性能较基体钎料优越.

第二个答案：

影响钎焊接头强度的因素包括：

母材与钎料之间的匹配，接头形式，焊接工艺参数的选择等。

措施从以下几方面回答：

1）合理的选择钎料和钎剂，以提高润湿性并减少界面化合物的产生；2）合理的焊接接头设计，降低由热胀冷缩引起的焊接应力可添加缓冲中间层；3）焊接工艺参数的合理选择包括焊接加热温度和保温时间

6.简述异种材料焊接时，产生焊接应力的原因及控制热应力的措施

原因：

两种材料热物理性能的差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导率、结晶温度以及结晶方式等的差异，它们将影响焊接热循环过程、结晶条件，降低焊接接头的质量。

当异种材料热物理性能的较大差异使熔化和结晶状态不一致时，就会给焊接造成一定的困难；两种材料的线膨胀系数相差较大时，会使异种材料接头区产生较大的焊接应力和变形。

措施：

利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力

焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。

利用预热法来控制焊接残余应力

构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。

焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力

焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。

利用高温回火来消除焊接残余应力

由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。

所以将构件的温度升高至某一定数值时，应力的最大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。

如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。

1、整体高温回火将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。

通过整体高温回火可以将构件中80%~90%的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。

回火时间随构件厚度而定，钢按每毫米壁厚l~2min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力的消除效果随时间迅速降低，所以过长的处理时间是不必要的。

2、局部高温回火只对焊缝及其局部区域进行加热消除残余应力。

消除应力的效果不如整体高温回火，此方法设备简单，常用于比较简单的、刚度较小的构件，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接接头等焊接残余应力的消除。

利用温差拉伸法来消除焊接残余应力

温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。

温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。

氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。

这就形成了一个两侧温度高（峰值约为200℃）、焊接区温度低（约为100℃）的温度差。

两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，这样就可消除部分残余应力。

据测定，消除残余应力的效果可达50%~70%。

利用振动法来消除焊接残余应力

构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。

一种大型焊件使用振动器消除应力的装置。

振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

答案2

根据：

Σ=σij=△α△T·（弹性系数、变形特征、形状、尺寸），

可从以下几方面展开分析：

降低温度差；减少线膨胀系数差；改善接头结构

如：

加入梯度中间层；复合材料中间层，软中间层

7.根据状态图分析钎焊过程中母材与钎料的扩散和溶解，影响母材溶解量的因素。

1.第二章PPT37-47

2.温度差

自由能

浓度梯度

金属种类

金属结构

8.分别写出Fick定律在稳态和非稳态扩散条件下的数学表达式，其主要区别在哪里？

Fick第一定律

在扩散过程中，各处的浓度C只随距离X变化，而不随时间t变化，即∂C/∂t＝0，此时的扩散称之为稳态扩散。

在稳态扩散过程中，通过某一截面的扩散流量J与垂直与此截面方向上的浓度梯度∂C/∂X成正比，其方向与浓度降低的方向一致，写成公式为:

（2-24）

此式即为一维条件下Fick第一定律的数学表达式。

其中:

（2-25）

而D为扩散系数，ν为原子跳动频率，α为原子跳动平均距离。

在三维条件下，Fick第一定律可以表述为：

（2-26）

其中为浓度梯度。

当扩散存在各向异性时，可表述为：

其中，Dij（i,j=x,y,z）代表j方向的扩散分量对i方向扩散的贡献。

●Fick第二定律

如果在扩散过程中，各处的浓度度随时间变化，即∂C/∂t≠0，此时通过各处的扩散流量不再相等，且随距离变化，这样的扩散称之为非稳态扩散。

在非稳态扩散过程中，Fick定律具有如下形式:

（2-27）

此式为Fick第二定律的数学表达式。

在三维情况下，由于扩散系数D在x、y、z方向上可能不同，故分别用Dx、Dy、Dz来表示。

9.什么是Kirkenldall效应？

简述其对界面扩散的影响？

指两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成空洞和缺陷

由柯肯达尔效应可知：

两种物质在扩散时，由于它们的扩散速度不同，界面不能均匀移动，在低熔点的金属一侧形成孔洞。

这种现象在异种材料扩散连接时也经常发生，接合界面在显微镜下可以观察到扩散孔洞

影响：

10.影响扩散系数的主要因素？

1）扩散温度

2）基体金属的性质

3）扩散元素的性质

4）扩散元素的浓度

5）合金元素

6）固溶体类型

7）固溶体类型

8）磁性转变

9）晶格类型

11.简述影响界面化合物的生长因素，其对界面连接强度的影响。

1）因素：

℃~270℃溫度區間,隨回流溫度的升高,IMC層厚度由2.15um變化到3.46um,剪切力與剪切強度分別由1341.35g,74.12MPa變化到1558.31g,86.11MPa.

IMC層厚度與回流時間符合δ=kt1/2關係.回流溫度為260℃,回流時間為81s時,IMC層厚度為3.79um.剪切力最高.

隨回流次數增加,IMC層厚度增大.回流3次後,剪切力最低,並且開始出現脆性斷裂.

焊點尺寸大小對IMC層厚度有明顯之影響.小尺寸焊點IMC層較厚,剪切力較小,而剪切強度較大.

2）接强度的影响：

随着IMC层的增大未连接焊点处的寿命明显降低，易发生断裂。

服役过程中IMC的过度生长导致了界面的弱化甚至开裂。

随着IMC层的增长，会导致焊点处力学性能下降，韧性与塑性明显降低，并且脆性上升，易发生断裂失效。

12.从力学和金属学角度分析，微连接条件下焊点的性能与传统焊接的不同？

13.分析影响钎料润湿的因素？

简述钎剂的作用？

1）题2PPT84-1352）

钎剂的影响

去除氧化膜最有效的方法是采用钎剂。

当用钎剂去除了母材和钎料表面的氧化膜后,液态钎料就可以和母材金属直接接触,从而改善润湿。

另外,当母材和钎料表面覆盖了一层液态钎剂后,系统的界面张力就发生了变化（见图1-6）,当铺展达到平衡时,由Young氏方程有:

其中:

σsf－母材与钎剂间的界面张力;

σsl－母材与钎料间的界面张力;

σlf－钎剂与钎料间的界面张力。

与无钎剂时的情况相比,只要满足σlf＜σlg或σsf＞σsg,就可以增强钎料对母材的润湿。

同样,钎剂成份的变化将造成σlf和σsf的变化,从而也会影响到钎料对母材的润湿性

钎剂的作用：

钎剂在钎焊过程中具有重要的作用，钎剂的性能影响着钎焊接头的可靠性。

钎剂在钎焊过程中主要有以下几个作用：

去除金属表面氧化膜；将钎料与空气隔离，防止钎料与母材在钎焊温度下被氧化；降低熔融钎料的表面张力，提高润湿性；有利于焊接区的热量传导。

钎焊要求焊料在母材表面良好的铺展，钎剂有助于增加液态钎料的毛细作用力，增强其铺展性。

另外钎剂可以清除钎料和母材金属表面的氧化物，并保护焊件和液态钎料在钎焊过程中免于氧化，这点作用类似于手弧焊的焊渣作用

14.

解释Young－Laplace方程（）的物理意义？

Young-Laplace方程是我们讨论液态钎料填缝时的最基本方程。

对于任意形状的弯曲液面,由于过曲面上一点的任意两个互相垂直的正截面的曲率半径的倒数和为常数C,C称为该点的平均曲率。

因此，计算时可以选取特殊位置的截面曲率半径，这样将使问题得到简化。

15.分析钎缝中形成气孔、大、小包围及夹渣的原因？

16.液态钎料在垂直放置平行版间隙中的爬升高度？

17.钎焊陶瓷材料的难点是什么？

如何获得较满意的钎焊接头？

难点：

陶瓷与金属的物理、化学性能相差极大，采用普通的焊接方法是无法完成两者的连接的。

必须采用特殊的工艺，通过中间层实现陶瓷与金属性能的过渡，从而能够保证良好的连接质量。

总的来说，陶瓷与金属连接中存在的问题如下陶瓷与金属连接的一个主要问题是两者之间的热膨胀系数差异太大。

一般来说，陶瓷的热膨胀系数比金属材料低。

陶瓷与金属在焊接加热和焊后冷却过程中发生较大程度的膨胀和收缩，会因为热膨胀系数的差异在连接区域产生很大的内应力，有时内应力会导致焊接裂纹甚至是断裂现象的产生。

因此，解决陶瓷与金属连接区域的内应力问题是实现两者连接的关键。

陶瓷与金属钎焊的另一问题是钎料对陶瓷的润湿性。

陶瓷材料的配位键主要有离子键和共价键两种，都非常稳定，因此一般的金属钎料对陶瓷是没有润湿性的，只有添加有活性元素的钎料对陶瓷才具有润湿性，而一般常用的活性钎料包括Zr、Ti、Hf等。

这些元素可以与陶瓷发生反应，生成能够被钎料所润湿的反应层，从而解决钎料对陶瓷的润湿问题。

陶瓷与金属连接的难点还包括：

陶瓷热导率低，耐热冲击能力弱，集中加热尤其是在用高能密度热源进行熔焊时很容易产生裂纹，故焊接时应减小焊接部位及其附近区域的温度梯度，并控制加热和冷却速度；陶瓷熔点高，硬度和强度高，不易变形，连接时要求被连接体表面非常平整清洁；大部分陶瓷导电性很差或基本不导电，很难采用电焊方法连接，一般需要采取特殊措施。

由此可见，陶瓷与金属连接有两个主要问题需要解决。

一是金属对陶瓷的润湿性问题；另一个是应力的缓解问题。

对于前一问题可以通过陶瓷金属化或利用活性金属元素加以解决，对于后一问题，通常采用添加中间层的方法。

中间层的选择依据有两种观点，一是采用塑性中间层，一是采用线膨胀系数与陶瓷相适应的中间层。

如何获得较满意的钎焊接头

钎焊是连接陶瓷与金属最为常用的方法之一。

钎焊过程中，钎料在陶瓷表面的良好润湿性是实现有效冶金连接的前提。

根据改善润湿性的不同，陶瓷与金属的钎焊可以分为两大类：

一类是先对陶瓷表面进行金属化处理，再使用常规钎料钎焊连接，称之为间接钎焊；另一种是直接采用含有活性金属元素的钎料进行钎焊，称之为活性钎焊。

陶瓷表面金属化法,也称为两步法。

该方法先对陶瓷表面进行金属化处理,采用烧结或其它方法在陶瓷表面涂镀一层金属作为中间层,然后用钎料把金属镀层和金属钎焊在一起。

陶瓷表面金属化的方法有很多，如Mo-Mn法、化学镀、气相沉积和离子注入等。

采用活性钎焊方法不需要在陶瓷表面进行金属化，直接采用钎料进行钎焊，但是活性钎焊中选用的钎料必须含有活性元素，否则钎料无法润湿陶瓷。

常用的活性钎料包括：

Ti、Zr、Hf、Cr、Al、V等。

目前，已经研制出的活性钎料主要有：

Ag-Cu-Ti、Cu-Ti、Cu-Zr、Ag-Cu-Ti-Zr、Ag-Cu-Ti-Sn、Ni-Zr、Ni-Ti等。

其中Ag-Cu-Ti钎料应用最为普遍。

钎焊过程中，活性钎料与陶瓷表面发生反应生成反应层。

一方面，反应物大都具有与金属具有相同或相似的结构，可以被熔化的金属润湿；另一方面，界面反应在金属钎料和陶瓷之间形成新的化学键，强化了二者的冶金连接。