本文選題：鋁鋼異種金屬 + 金屬間化合物��； 參考：《南昌大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：在環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)峻的今天,實現(xiàn)汽車輕量化,受到各大汽車廠商的關(guān)注；如何實現(xiàn)鋁鋼的可靠連接,加快輕質(zhì)鋁合金材料在汽車中的應(yīng)用,已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而,鋁鋼之間諸如熔點,密度和線脹系數(shù)等性質(zhì)差異很大,焊后冷卻過程中,容易開裂；而且,兩者冶金反應(yīng)生成的硬脆Fe-Al金屬間化合物,將加劇接頭的開裂,降低接頭的力學(xué)性能。因此,在鋁鋼焊接的研究中,Fe-Al金屬間化合物的生成機(jī)理和控制一直是研究重點之一。激光焊具有熱輸入量小、冷卻速度快和可添加釬料等優(yōu)點,一定程度上可以控制異種材料連接過程中的金屬間化合物生成。然而,激光鋁鋼焊接中,Fe-Al金屬間化合物的生成和形態(tài)分布還有待于進(jìn)一步研究。為此,本文通過采用脈沖Nd:YAG激光深熔焊和連續(xù)二極管激光熔釬焊的方法進(jìn)行了鋁鋼焊接試驗。本文首先進(jìn)行了脈沖Nd:YAG鋁鋼激光深熔焊試驗。由于脈沖Nd:YAG熱輸入量很小,有利于控制金屬間化合物形成和生長,因而著重分析了金屬間化合物隨工藝參數(shù)變化的機(jī)理。通過調(diào)整試驗工藝參數(shù),獲得了兩種典型的接頭——深熔深和淺熔深接頭。界面金屬間化合物由深熔深接頭的富Al相變化為淺熔深接頭的富Fe相,接頭承載力隨之增加。通過SEM和EDS分析,揭示了界面反應(yīng)的機(jī)理。Fe元素和Al元素隨熱輸入增加在熔合區(qū)/Al界面的相互擴(kuò)散作用加劇,改變了界面冶金反應(yīng),進(jìn)而改變了金屬間化合物的生成種類。由于在深熔焊模式下,盡管熱輸入量小,但鋼和鋁都發(fā)生了熔化,使得Fe-Al金屬間化合物生成量增加。此外,深熔焊模式由于小孔形成后難以穩(wěn)定存在,使得焊接過程不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生焊接缺陷。以上這些因素都將惡化接頭力學(xué)性能。進(jìn)一步,選用了焊接過程更為穩(wěn)定的激光熱傳導(dǎo)模式進(jìn)行焊接試驗和研究。采用連續(xù)二極管激光進(jìn)行了鋁鋼熔釬焊試驗,并在試驗中加入了含有不同合金元素的釬料。激光熔釬焊中所添加的合金元素,有利于控制金屬間化合物的生成類型和分布。因此,除分析了金屬間化合物隨熱輸入變化的機(jī)制外,還著重分析了金屬間化合隨合金元素的變化的機(jī)理。試驗結(jié)果表明,釬焊界面金屬間化合物的形貌和種類隨熱輸入變化而變化,并將影響接頭的力學(xué)性能和斷裂模式。采用中低功率激光時,釬焊界面皆由θ-Fe(Al,Si)3和τ5-Al7.2Fe1.8Si構(gòu)成。而采用高功率激光時,釬焊界面由θ-Fe(Al,Si)3,τ5-Al7.2Fe1.8Si和η-Fe2(Al,Si)5組成,并伴有微裂紋產(chǎn)生。通過EDS線掃描分析,發(fā)現(xiàn)在熔釬焊方法過程中釬焊界面金屬間化合物的形成和生長主要是依賴于固態(tài)鋼中Fe元素向液態(tài)熔合區(qū)的擴(kuò)散,在擴(kuò)散初期只會引起金屬間化合物形貌的變化,但隨著擴(kuò)散的進(jìn)行,將最終引起金屬間化合物類型的改變。Zn元素的加入使得釬焊界面金屬間化合物的種類發(fā)生了本質(zhì)的改變。釬焊界面由層狀的Fe2Al5和針狀的FeAl3變?yōu)閷訝畹腇eAl5-xZnx,彌散分布的FeZn10以及少量的富Al非晶結(jié)構(gòu)。這一變化提升了接頭承載力并改變了斷裂模式。通過硬度測試揭示FeZn10對接頭力學(xué)性能和斷裂模式的影響,由于FeZn10性質(zhì)軟韌,能夠通過塑性變形吸收斷裂能,從而防止界面開裂,提高接頭承載力。基于熱力學(xué)理論計算,確定了金屬間化合物的生成順序,并分析了金屬間化合物隨激光熱輸入和合金元素的演化機(jī)制。最后,深入分析了金屬間化合物厚度、種類和分布對斷裂模式的影響機(jī)理�；诮缑婢骈g距失配率與界面能和界面強(qiáng)度的相關(guān)性理論,采用邊對邊晶體匹配模型,計算了各反應(yīng)相界面上的晶面間距失配率,估算并比較了不同界面的結(jié)合強(qiáng)度,從而預(yù)測了接頭界面斷裂模式的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)晶面間距失配率越高,界面能越高,界面結(jié)合強(qiáng)度越低,界面越容易開裂。
[Abstract]:With the increasingly severe environmental and energy problems, the realization of automobile lightweight is paid attention by all the major automobile manufacturers. How to realize the reliable connection of aluminum and steel and speed up the application of light aluminum alloy materials in the automobile has become one of the key technologies in this field. However, the differences in the properties of aluminum and steel, such as melting point, density and coefficient of linear expansion, are very different. In the process of post weld cooling, it is easy to crack, and the hard and brittle Fe-Al intermetallic compound produced by the two metallurgical reactions will aggravate the cracking of the joint and reduce the mechanical properties of the joint. Therefore, in the study of the welding of aluminum and steel, the formation mechanism and control of the Fe-Al intermetallic compound have always been one of the key points of study. The advantages of fast cooling rate and filler metal can control the formation of intermetallic compounds in the connection of heterogeneous materials to some extent. However, in the welding of laser aluminum steel, the formation and distribution of Fe-Al intermetallic compounds are still to be further studied. Therefore, this paper uses pulse Nd:YAG laser deep fusion welding and continuous diode. In this paper, the experiment of laser welding of aluminum steel was carried out by laser welding. First, the laser deep fusion welding test of pulsed Nd:YAG aluminum steel was carried out. Because the heat input of pulse Nd:YAG is very small, it is beneficial to control the formation and growth of intermetallic compounds. Two kinds of typical joints - deep penetration depth and shallow deep joint are obtained. The interface metal compound is rich in the rich Al phase from deep penetration joint to the rich Fe phase of the deep penetration joint. The bearing capacity of the joint is increased. Through the analysis of SEM and EDS, the mechanism of the interfacial reaction is revealed to increase the phase of the /Al interface of the.Fe and Al elements with the heat input in the fusion zone. The interaction of the intermetallic compound is changed by the interaction of the interface, which changes the formation of the intermetallic compound. In the deep fusion mode, the heat input is small, but the steel and aluminum have melted, which makes the Fe-Al intermetallic compound increase. In addition, the deep fusion welding mode is difficult to be stable due to the formation of the small hole. The process is unstable and easy to produce welding defects. All these factors will deteriorate the mechanical properties of the joint. Further, the laser heat conduction mode which is more stable in the welding process is used to carry out the welding test and study. The continuous diode laser is used for the welding of aluminum and steel, and the brazing with different alloy elements is added in the test. Material. The addition of alloy elements in laser welding is beneficial to control the formation and distribution of intermetallic compounds. Therefore, besides the analysis of the mechanism of intermetallic compound with the change of heat input, the mechanism of the change of the intermetallic compound with the alloying elements is emphatically analyzed. The experimental results show the morphology of the intermetallic compounds at the brazing interface. The mechanical properties and fracture modes of the joint will be changed with the change of heat input. The brazing interface is made up of theta -Fe (Al, Si) 3 and tau 5-Al7.2Fe1.8Si when using low power laser. The brazing interface is composed of theta -Fe (Al, Si) 3, tau 5-Al7.2Fe1.8Si and ETA -Fe2 (Al, Si) 5 with high power laser, and is accompanied by micro cracks. EDS line scanning analysis shows that in the process of brazing, the formation and growth of intermetallic compounds in brazing interface are mainly dependent on the diffusion of Fe elements in solid steel to the liquid melting zone. In the initial stage of diffusion, the morphology of intermetallic compounds can only be changed, but the type of intermetallic compounds will be changed with the diffusion. The addition of.Zn elements makes the types of intermetallic compounds in the brazing interface essentially change. The brazing interface changes from layered Fe2Al5 and needle like FeAl3 into layered FeAl5-xZnx, dispersed FeZn10 and a small amount of rich Al amorphous structure. This change improves the bearing capacity of the joint and changes the fracture mode. The hardness test is tested by the hardness test. The effect of FeZn10 on the mechanical properties and fracture mode of the joint is revealed. Because of the soft and flexible properties of FeZn10, the fracture energy can be absorbed through plastic deformation, thus preventing the interface cracking and improving the bearing capacity of the joint. Based on the thermodynamic theory, the formation order of the intermetallic compound is determined, and the intermetallic compound with the laser heat input and alloy is analyzed. Finally, the influence mechanism of intermetallic compound thickness, type and distribution on fracture mode is deeply analyzed. Based on the correlation theory of interface spacing mismatch rate and interface energy and interface strength, edge to side crystal matching model is used to calculate the mismatch rate of interplane spacing on each reaction phase interface, and the estimation and comparison are compared. The bonding strength of different interfaces is used to predict the mechanism of fracture mode at the interface. It is found that the higher the mismatch rate is, the higher the interfacial energy, the lower the interfacial bonding strength, and the easier the interface cracking.

【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG457.1

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本文編號：1797909