Fe3Al和 Cr18-Ni8 鋼擴散連接界面的應(yīng)力分布

1、FeAl和Crl8-Ni8鋼擴散連接界面的應(yīng)力分布3王娟,李亞江,夏春智摘要：Fe3Al和Cr18-Ni鋼在真空中擴散連接，在Fe3Al和Cr18-Ni之間形成界面。采用有限元數(shù)值模擬和有限元方法（FEM）研究了擴散連接界面的應(yīng)力分布。結(jié)果表明，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在Cr18-Ni鋼側(cè)界面，這是導(dǎo)致該位置裂紋的關(guān)鍵因素。隨著加熱溫度的提高，擴散連接界面的峰值應(yīng)力增大，當(dāng)溫度為1100C時，峰值應(yīng)力為65.9MPa,比1000C時增大9.4%。此外，峰值應(yīng)力變大，伴隨基底金屬的厚度從1毫米到8毫米增大。當(dāng)厚度超過8毫米時，峰值應(yīng)力隨厚度的變化而變化。關(guān)鍵詞：應(yīng)力、界面、Fe3Al金屬間化合物，擴散連接。

2、0簡介：Fe3Al金屬間化合物具有許多優(yōu)點，如作為優(yōu)良的耐磨性、抗氧化性和耐腐蝕性和低成本，在國內(nèi)和國外得到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注1-3。因此，解決焊接Fe3Al與Crl8Ni8不銹鋼的問題，可以從性能和經(jīng)濟發(fā)展他們各自的優(yōu)勢，這是增加Fe3Al金屬間化合物在石化、電力等行業(yè)領(lǐng)域高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。然而，在外觀上，可焊性較差的焊接材料產(chǎn)生的氫脆4和熱應(yīng)力引起焊接裂紋，嚴(yán)重限制了Fe3Al金屬間化合物作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。目前，焊接Fe3Al和Cr18-Ni8不銹鋼5-6的研究已經(jīng)取得了關(guān)鍵的進步，但是對Fe3Al/Cr18-Ni8擴散鍵和界面的應(yīng)力分布的研究很少。由于Fe3Al金屬間化合物與鋼在結(jié)

3、構(gòu)上和熱膨脹系數(shù)的不同，在界面處應(yīng)力分布復(fù)雜，這是導(dǎo)致焊接裂紋的關(guān)鍵因素。目前，擴散接合界面的應(yīng)力值幾乎是不可能精確測量的。本文在Fe3Al/Cr18-Ni8擴散界面研究中，對分布的應(yīng)力、加熱溫度、基體金屬厚度對應(yīng)力和熱彈塑性的影響進行有限元數(shù)值模擬，主要考慮材料的熱物理性能與工藝參數(shù)的變化。這將為Fe3Al與Crl8-Ni8焊接性的進一步研究提供依據(jù)。1試驗程序?qū)嶒灢牧鲜荈e3Al金屬間化合物和Crl8-Ni8奧氏體不銹鋼(lCrl8Ni9Ti)。Fe3Al在真空感應(yīng)爐中融化后制作成板，Cr18-Ni8在1000C進行均勻退火處理。Fe3Al與焊接采用在真空容器擴散焊。Fe3Al試樣的大小為

4、12mmX8mmX8mm,Cr18Ni8式樣為8mmX8mmX6mm。連接示意圖如圖1a所示。在Fe3Al/Cr18-Ni8擴散連接處經(jīng)分析屬于高溫?zé)釓椝苄詰?yīng)力，根據(jù)工件的尺寸設(shè)置有限元模型。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，該模型在靠近應(yīng)力復(fù)雜的界面區(qū)域是經(jīng)過改良的。有限元計算網(wǎng)格的劃分如圖1b所示。Fe3Al與Cr18Ni8鋼有限元法對熱物理性能如表1所示。(a)Schtunntii/呼hfdofth*jqpiritInt-rrfacr(b)UrductiYiMhcukofFEMFig.1SchematicdiagramofthejointandmeshdivisionofFEMBaseTemperaC

5、oefficientofheaYtoungsmoduThermalSpecificmetalsT/&L10-6K-1ELGPa*LW!m1!?-1CLJ!kg-1001514012.559920017-13.361030018-14.2680Fe3Al40023-15.275050025-16.085060026-17.280070027-18.080020-18416.350210016.6-20017.0-17.6-30017.2-18.8-40017.515920.5-Cr18-Ni850017.9-21.8-60018.213723.5-70018.612024.7-800-8826.

6、4-900-28.5-有限元分析的應(yīng)力分布曲線顯示在圖2中，模型初始溫度設(shè)定為擴散連接的加熱溫度，最終溫度設(shè)定為冷卻至室溫，然后計算出加熱溫度到室內(nèi)溫度產(chǎn)生的應(yīng)力分布。根據(jù)不同的加熱溫度設(shè)定不同的初始溫度，計算出不同加熱溫度下的應(yīng)力分布。計算流程在圖2中用虛線顯示。Fig.2Flowoffiniteelementanalysisonthestressdistribution2結(jié)果與討論應(yīng)力分布軸向（X方向）在界面上的應(yīng)力分布如圖3所示。圖中的所有曲線都是應(yīng)力值不變的值線，且該線的字母代表應(yīng)力值。從圖3a中，我們可以看到，接口不嚴(yán)的工件，到中心的距離越大，應(yīng)力越大并且最大應(yīng)力出現(xiàn)在表面。工件外表

7、面軸向（X方向）應(yīng)力分布如圖3b所示。應(yīng)力峰值出現(xiàn)在一個狹窄的區(qū)域的界面兩側(cè)（接口兩側(cè)約0.8mm）。這個結(jié)果是符合實際中擴散連接接頭斷裂位置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)接口的邊緣。對于Fe3Al的一面，應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值是48.3Mpa,為Fe3Al合金抗拉強度（455MPa）的10.6%。在Cr18-Ni8側(cè)應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大值為58.9MPa，為Cr18-Ni8抗拉強度（520MPa）的11.3%。接頭容易出現(xiàn)裂紋然后在拉伸應(yīng)力下斷裂。liner&cca梱，p*4-則.08.1WPiE-5.1mF-tl.W*IMF*wn-51*WPb(a)Crws-ctioH(b)Suibc-rFig

8、.3X-axisstressdistributionattheinterface從圖3a中，我們還可以明顯看到在界面上不同位置的應(yīng)力變化和應(yīng)力等值線波動。應(yīng)力集中在工件的邊緣。從圖3b，我們可以看出,應(yīng)力等值線密集分布在界面附近，這表明界面附近的應(yīng)力分布梯度大并且應(yīng)力狀態(tài)的變化明顯。Fe3Al/Crl8-Ni8接頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，F(xiàn)e3Al和接口之間的界面組織較為緊密，而接頭靠近Cr18-Ni8鋼一側(cè)出現(xiàn)微裂紋。這是因為Cr18-Ni8與Fe3Al的熱膨脹系數(shù)的不同，冷卻后在Cr18-Ni8側(cè)擴散界面附近出現(xiàn)較大應(yīng)力。這對應(yīng)應(yīng)力分布的計算結(jié)果。Fig.4Microstructure

9、inFe3Al/Cr18-Ni8joint加熱溫度對應(yīng)力的影響Fe3Al與Crl8Ni8鋼連接時的加熱溫度需要嚴(yán)格控制。加熱溫度對接頭的應(yīng)力有很大的影響。不同加熱溫度下的擴散連接接頭的性能有很大的不同。從1000C到1100C不同溫度下的界面處的應(yīng)力分布從如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)溫度變化從1000C到1100C，在同一位置上的應(yīng)力增大。加熱溫度越高，接頭的應(yīng)力越大。當(dāng)加熱溫度從1000C到1100C，垂直于界面的鍵合面上的壓應(yīng)力的振幅差為2.8MPa（見圖5a），這是在1100C最大壓應(yīng)力（31.0Mpa）的9.0%。與界面垂直于界面的拉應(yīng)力的振幅差為3.5Mpa,是最大拉應(yīng)力（38.9MPa

10、）的9.0%。從圖5b,當(dāng)加熱溫度從1000C到1100C，在垂直于界面的邊緣的壓應(yīng)力的振幅差是4.76MPa，這是最大壓縮應(yīng)力（52.9MPa）的9.0%。在垂直于界面的拉伸應(yīng)力的振幅差是6.19MPa，這是最大的拉伸應(yīng)力（65.9MPa）的9.4%。因此，接頭的應(yīng)力隨加熱溫度的變化而變化。OiiMlainrr/niivi(u.)urfau-eiH-rjMTKiinjIiirIninhjifa-r!亍-tvHg云Distance/mm(b)hLdjjrprqiemiirulartomlerirttFig.5StressdistributionofFe3Al/Cr18-Ni8joint厚度對應(yīng)

11、力的影響金屬基底的形狀對應(yīng)力分布有較大影響。為了分析擴散連接接頭處母材厚度對應(yīng)力分布的影響，設(shè)定Crl8-Ni8厚度從2mm增加到16mm而Fe3Al為恒定的12mm厚度，對界面附近的應(yīng)力分布進行計算。Cr18-Ni8鋼厚度在表面垂直于界面的應(yīng)力分布的影響效果如圖6所示。11.0-9.2-6.4-3.6-OS2jQ4.87.610.413.216.0IhrI.Lm計/inrnFig.6EffectofthicknessofCr18-Ni8onstressatsurfaceperpendiculartointerface隨著Crl8-Ni8鋼板厚度的增加，對Fe3Al側(cè)應(yīng)力增加，但幅度很小。當(dāng)厚

12、度從2mm到8mm增加時，Cr18-Ni8鋼側(cè)拉應(yīng)力明顯增大（從23.2MPa到37.1MPa）。當(dāng)厚度從8mm到16mm增加時，應(yīng)力變化不大（從37.1MPa至41.1MPa）。隨著Cr18-Ni8基體金屬厚度的增加，界面附近的Cr18-Ni8鋼一側(cè)應(yīng)力增加，但應(yīng)力增加到一個恒定值時不會改變了，而厚度變化到某一臨界值（8mm）后還會繼續(xù)增加。3.結(jié)論在Fe3Al/Crl8-ni8擴散粘結(jié)界面接口中軸線的距離應(yīng)力分布表明，距離界面越遠，應(yīng)力越大。最大應(yīng)力為58.9Mpa,出現(xiàn)在Cr18-Ni8鋼一側(cè)距離接口界面8mm處。隨著加熱溫度的升高，應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)加熱溫度從1000C變到1100C時，

13、最大的應(yīng)力值為65.9Mpa,比1000C時的最大應(yīng)力值高9.4%。厚度對接頭的應(yīng)力由較大影響。在一定范圍內(nèi)的厚度（小于8mm），應(yīng)力會隨著Cr18-Ni8基底厚度的增加而增大。但應(yīng)力增加到一個恒定值后變化緩慢甚至不會改變了，當(dāng)厚度變化到某一臨界值(8mm)后會繼續(xù)增加。致謝：該項目由山東省博士基金(2006bs04004)、中國國家自然科學(xué)基金(50375088)資助。參考文獻：1LiYJ,WangJ,YinYS,etal.AnalysisofmicrostructureintheinterfaceofdiffusionweldingforFe3Al/Q235dissimilarmateri

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