tic，n45號鋼釬焊連接及接頭殘余應(yīng)力的數(shù)值分析

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1、摘要Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼在力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)性能方面存在較大的差異。對于兩者的釬焊，極易在靠近釬縫的Ti(C,N)一側(cè)形成高應(yīng)力梯度，即接頭殘余應(yīng)力水平存在較大的不均勻性，造成接頭在低工作應(yīng)力下發(fā)生破壞。因此，研究Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼的釬焊性，探討制約接頭強(qiáng)度的影響因素得出最佳工藝參數(shù)和緩沖層材料，對于指導(dǎo)工程應(yīng)用將具有一定的意義。在真空釬焊爐中，采用不同的釬焊溫度、保溫時(shí)間和釬焊壓力對Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼進(jìn)行釬焊試驗(yàn)。利用掃描電鏡、電子探針等對接頭界面組織進(jìn)行觀察分析，并通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測量釬焊接頭強(qiáng)度，得出不同釬焊工藝對Ti(C,N

2、)/45號鋼接頭強(qiáng)度的影響，通過比較得出其最佳參數(shù)。為了研究不同緩沖層材料對Ti(C,N)/45號鋼釬焊接頭強(qiáng)度的影響，在880℃釬焊溫度，53231Pa的釬焊壓力下，采用Cu箔、Ni箔、Ti箔、Mo箔及梯度過渡層FGM為中間層材料，對Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼釬焊連接。試驗(yàn)結(jié)果表明，與不加中間層的釬焊接頭進(jìn)行比較，這五種緩沖層在有效降低接頭殘余應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度方面都具有較大的作用，其中FGM及Ni箔的緩沖效果最為顯著，Ti次之，這與Ni、Ti箔溶解后形成的釬縫及界面組織有關(guān)；屈服強(qiáng)度低、彈性模量小的Cu箔做為緩沖層材料時(shí)，其接頭強(qiáng)度反而比Ni、Ti箔低，這是由于Cu

3、箔在釬焊過程中隨著保溫時(shí)間的延長大量溶解而未起到緩沖效果造成的。因此，選用中間層材料不僅應(yīng)滿足其物理、力學(xué)性能與基體材料的良好匹配性，同時(shí)還應(yīng)考慮其在焊接過程中溶解行為對釬縫強(qiáng)度及界面強(qiáng)度的影響；Mo箔做緩沖層時(shí)接頭強(qiáng)度最低，其一是由于接頭殘余內(nèi)力不能在焊后通過中間層的蠕變和屈服得到松弛，其二，Ag-Cu釬料對Mo箔的潤濕性不好，造成三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)斷裂位置多為在連接界面處。Ti(C,N)/45號鋼接頭中殘余應(yīng)力分布復(fù)雜、梯度大，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，因而研究者轉(zhuǎn)向了解析方法和有限元方法進(jìn)行分析計(jì)算，并以計(jì)算結(jié)果作為緩解措施依據(jù)。有限元數(shù)值分析可以計(jì)算出接頭上每一個(gè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力，且該

4、方法比較方便，特別對于一些價(jià)格昂貴、加工工藝?yán)щy的材料，采用有限元計(jì)算方法可以起到事半功倍的效果。本文根據(jù)實(shí)際釬焊條件，采用有限元分析軟件ANSYS模擬計(jì)算了Ti(C,N)/45號鋼釬焊接頭殘余應(yīng)力的大小及分布情況，并計(jì)算出不同釬焊溫度、釬焊壓力對焊縫處軸向殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，在冷卻過程中，最大軸向殘余應(yīng)力均主要集中在Ti(C,N)側(cè)靠近釬縫的外表面，且釬焊溫度為880℃、釬焊壓力為5MPa釬焊接頭殘余應(yīng)力峰值最小。本文還對Cu、Ni、Ti、Mo、FGM不同緩沖層材料對Ti(C,N)/45號鋼I接頭殘余應(yīng)力的緩沖效果進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明：Cu、Ni、Ti、Mo、FG

5、M均能從一定程度上緩解接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，通過對比得出不同物理、力學(xué)性能的緩沖層材料對釬焊接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。此外，不同緩沖層均有一提高接頭強(qiáng)度的最佳厚度，模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)際情況基本吻合。關(guān)鍵詞：Ti(C,N)基金屬陶瓷，45號鋼，釬焊，界面組織，彎曲強(qiáng)度，殘余應(yīng)力。II摘要摘要Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼在力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)性能方面存在較大的差異。對于兩者的釬焊，極易在靠近釬縫的Ti(C,N)一側(cè)形成高應(yīng)力梯度，即接頭殘余應(yīng)力水平存在較大的不均勻性，造成接頭在低工作應(yīng)力下發(fā)生破壞。因此，研究Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼的釬焊性，探討制約接頭強(qiáng)度的影響因素得

6、出最佳工藝參數(shù)和緩沖層材料，對于指導(dǎo)工程應(yīng)用將具有一定的意義。在真空釬焊爐中，采用不同的釬焊溫度、保溫時(shí)間、釬焊壓力及緩沖層材料對Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼進(jìn)行釬焊試驗(yàn)。利用掃描電鏡、電子探針等對接頭界面組織進(jìn)行分析，并通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測量釬焊接頭強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)際釬焊條件，采用有限元數(shù)值模擬方法研究了Ti(C,N)/45號鋼釬焊接頭殘余應(yīng)力的大小及分布情況，并模擬計(jì)算了不同釬焊溫度、釬焊壓力對焊縫處軸向殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，在冷卻過程中，最大軸向殘余應(yīng)力均主要集中在Ti(C,N)側(cè)靠近釬縫的外表面，且釬焊溫度為880℃、釬焊壓力為5MPa釬焊接頭殘余應(yīng)力峰值最小。本文

7、還模擬分析了不同緩沖層材料對Ti(C,N)/45號鋼接頭殘余應(yīng)力的緩沖效果，計(jì)算結(jié)果表明：Cu、Ni、Ti、Mo、FGM均能從一定程度上緩解接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，通過對比得出不同物理、力學(xué)性能的緩沖層材料對釬焊接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。此外，各緩沖材料均有一提高接頭強(qiáng)度的最佳厚度，模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)際情況基本吻合。關(guān)鍵詞：Ti(C,N)基金屬陶瓷，45號鋼，釬焊，界面組織，彎曲強(qiáng)度，殘余應(yīng)力。IAbstractAbstractTi(C,N)basedcermetsandsteelhavemuc