双金属冷压焊固相结合区原子相互作用的研究

发布时间：2017-08-21 08:26

  本文关键词：双金属冷压焊固相结合区原子相互作用的研究

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【摘要】：由于对金属焊接结合机理的探讨至今仍建立在熔焊的基础上,本文通过金属固相连接的相关试验结果,对金属变形能与金属结合界面原子相互作用的问题进行了探讨,进一步阐述了金属冷压焊的界面固态结合机理。以非熔化焊方法试验结果为依据,研究金属焊接原子结合的物理实质,不仅可以丰富材料连接理论研究,也为开发非熔化焊的材料固相连接方法提供理论基础。本文通过Al/Cu、Cu/Zn冷压焊接试验,对试验结果进行分析得出,固相连接界面均紧密结合在了一起,线扫描结果显示在冷压连接界面存在着原子的转移,两金属原子彼此接触增多,促进了原子间的结合,使材料紧密连接在一起。通过高分辨电镜结果分析可知,Al/Cu焊接接头在透射电镜下的组织形貌显示原始晶粒被拉长,界面处有被挤碎的Al、Cu碎晶相互掺杂咬合在一起,形成了原子间的结合。冷压焊过程中金属产生弹性变形及塑性变形,通过金属的应力-应变关系,利用变形功法对金属的变形功进行了相关计算,弹性变形相对塑性变形较小,可以忽略。金属变形初期,变形相对容易,随外力增加,界面处晶格畸变变大,材料内部位错增殖并产生交互作用,导致加工硬化,金属变形抗力增加,变形能增加速率加快。随着变形的继续,位错相互抵消作用增强,变形功持续增加,但是增加速率减慢。金属的变形为金属原子的结合提供了能量基础,由试验及计算结果可知,由于剧烈的塑性变形,金属碎晶相互掺杂,原子相互结合,从而实现金属的连接。金属结合界面能采用模拟方法计算得到,当原子达到原子间间距时,同种金属Al、Cu多晶连接晶面的单位面积结合能分别为3.19J/m2、7.08J/m2;异种金属Al/Cu、Al/Fe多晶连接晶面的单位面积结合能分别为4.78J/m2、5.02J/m2。面心立方金属Al(111)/Cu(111)是结合最稳定的面,界面间距对结合能有重要的影响,对界面结合的稳定性起着至关重要的作用。固相金属实现连接达到原子间结合的能量来源于冷压焊过程中金属的变形能,冷压焊过程中外力做功并没有完全用于材料的变形,金属连接界面处的结合能相对较小,变形功占外力做功百分比比较小是因为材料内部的缺陷会阻碍变形的进一步产生,需要更大的外力才能使材料变形,从而达到原子间的结合。金属变形能比结合能大三个数量级是因为金属表面的不平度、位错、材料的塑性流动、摩擦作用等消耗能量,影响原子结合,阐述了冷压焊的结合机理。
【关键词】：冷压焊 变形功 结合能 原子结合
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 金属固相连接的方法及应用11-14
• 1.1.1 板材固相复合法及其应用12-13
• 1.1.2 对接冷压焊法在棒材焊接中的应用13
• 1.1.3 爆炸焊法的用途及优缺点13-14
• 1.2 冷压焊连接界面的结合性能14-15
• 1.3 金属固相室温连接的结合机理研究现状15-20
• 1.3.1 冷压焊成形机理17-18
• 1.3.2 机械作用机理18
• 1.3.3 摩擦作用机理18-19
• 1.3.4 金属键机理19
• 1.3.5 三阶段机理19-20
• 1.4 金属变形与界面结合机理之间的关系20
• 1.5 本论文研究的内容20-23
• 第二章 金属固相连接试验及界面结合处微观分析23-37
• 2.1 金属固相冷连接试验23-25
• 2.1.1 待焊试样表面清理23-24
• 2.1.2 冷压焊试验步骤24-25
• 2.2 金属固相连接界面的微观形貌25-31
• 2.2.1 Al/Cu复合界面微观分析26-29
• 2.2.2 Cu/Zn复合界面微观分析29-31
• 2.3 金属冷压焊的高分辨试验31-35
• 2.3.1 透射试样的制备31-32
• 2.3.2 固相连接界面透射电镜下的微观形貌32-34
• 2.3.3 Al/Cu透射电镜微观分析34-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第三章 金属冷压焊过程中变形功的计算37-51
• 3.1 金属固相连接过程中变形力的计算方法37-39
• 3.1.1 冷压焊过程中的外力、内力及变形力37-38
• 3.1.2 采用投影方法计算塑性变形过程中力的大小38-39
• 3.2 金属冷压焊过程中变形能的计算39-42
• 3.2.1 变形量与变形抗力之间的关系39-40
• 3.2.2 利用变形功法计算金属的塑性变形功40-42
• 3.3 金属固相冷连接过程中的变形功42-50
• 3.3.1 冷压焊过程中的弹性变形功42-44
• 3.3.2 同种金属在不同压下率下的变形功44-47
• 3.3.3 异种金属在不同压下率下的变形功47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 金属固相连接界面结合能的计算51-63
• 4.1 金属固相连接界面的结合能51-52
• 4.2 界面结合能的计算方法52-57
• 4.2.1 基于第一性原理计算结合能52-53
• 4.2.2 绝热近似53-54
• 4.2.3 经典核近似54-55
• 4.2.4 轨道近似55-57
• 4.3 金属冷压焊界面结合能的计算57-61
• 4.3.1 界面结合能的计算参数57
• 4.3.2 金属单晶与多晶结合能的计算57-60
• 4.3.3 界面间距与界面结合稳定性之间的关系60-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第五章 冷压焊变形能与界面结合之间的关系63-71
• 5.1 不同压下率下变形功与外力做功关系63-65
• 5.1.1 不同变形量下外力做功大小63-64
• 5.1.2 变形功与外力做功的关系64-65
• 5.2 金属固相冷连接结合区的结合能65-66
• 5.2.1 Al/Cu冷压焊结合区的结合能65-66
• 5.2.2 Al/Fe冷压焊结合区的结合能66
• 5.3 金属变形能与结合能之间的关系66-67
• 5.4 冷连接过程中影响原子结合的因素67-69
• 5.4.1 表面不平度对原子结合的影响67-68
• 5.4.2 位错对原子间结合的影响68
• 5.4.3 金属塑性流动对原子间结合的影响68-69
• 5.4.4 摩擦作用对原子间结合的影响69
• 5.5 本章小结69-71
• 第六章 结论71-72
• 论文创新点72-73
• 参考文献73-75
• 攻读硕士期间所取得的相关科研成果75-77
• 致谢77-78

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本文编号：711837