材料连接过程中的界面行为-讲课

材料连接过程中的界面行为哈尔滨工业大学绪论材料连接的方法及其基本特征焊接技术的历史与发展研究材料连接过程中界面行为的必要性材料连接的方法及其基本特征连接技术已经出现了多种方法：捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接连接过程中涉及到的能量类型：光、电、声、化学、机械结合性质：机械结合、化学结合和材质结合焊接方法处于绝对主导地位过程最复杂发展最迅速应用最广泛材料连接的方法及其基本特征焊接技术：将两种或两种以上的（同种或异种）材料通过原子或分子之间的结合和扩散造成永久性连接的工艺过程。焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：被连接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。焊接技术的主体内容：应涵盖熔化焊接、钎接和固相焊接几部分。材料连接的方法及其基本特征材料连接的方法及其基本特征三类焊接技术特征的对比方法母材受热填充材料热源压力接头拆卸性结合特征熔化焊熔化有或无内部或外加无不可拆卸冶金结合固相焊不熔化无外加有不可拆卸冶金结合钎焊不熔化有外加无部分可拆卸冶金结合焊接技术的历史与发展连接技术是伴随着材料的应用而产生的。在人类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶嵌、缝纫等连接技术。当人类可以制造材料后，现代意义上的连接技术就开始萌生了。除机械方法以外，钎焊或许是最古老的连接金属的技术。焊接技术的历史与发展考古发现：5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及）5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及）5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及）4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及）公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等（中国）公元79年被火山爆发埋没的庞贝城中有用锡铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）焊接技术的历史与发展5000年以前美索布达米亚时代焊接技术的历史与发展文献记载：汉班固撰《汉书》：胡桐泪盲似眼泪也，可以汗金银也，今工匠皆用之。（汗即焊）宋宋应星撰《天工开物》：中华小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终不可坚。（小钎即钎焊，大钎为锻焊）明方以智撰《物理小识》：焊药以硼砂合铜为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄之类焊药，加银一分其中，则永不脱。试以圆盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之，亦一奇也。焊接技术的历史与发展固相连接技术的出现同样具有悠久的历史。但作为现代焊接技术的重要组成部分这一意义上的固相焊接，则还是近一个世纪以来的产物。固相连接中最典型的方法当属扩散焊，扩散焊方法出现于上个世纪中叶，这种方法在早期并未受到重视。近年来随着材料科学的发展，陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合金等新材料不断涌现，这些新材料用传统的熔焊方法很难实现可靠连接。作为固相连接方法之—的扩散连接技术，成为连接领域新的研究热点，并广泛应用于航空、航天、仪表及电子等工业领域，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等行业。焊接技术的历史与发展电弧的发现为材料连接技术带来了革命性的发展和进步,电弧作为一种可以使钢铁等高熔点材料熔化的能量高度集中的热源，使得金属材料的熔化焊接成为可能。在十九世纪末叶，熔化电极的和非熔化电极的、直接作用电弧的和间接作用电弧的、手工的、半自动的和自动的、无保护的电弧和保护气氛中的电弧焊都已被提出和获得实施。同一时期，气焊以及接触电焊（电阻焊）的基本形式--点焊和滚焊也获得了研究和发展。随着冶金、化工、电工、电子等技术的不断发展和进步，以电弧焊为代表的熔化焊接技术成为材料连接领域中处于主导地位的连接方法。研究材料连接过程中界面行为的必要性分析连接接头的形成机制作为焊接概念下的接头形成过程，都是使材料被连接部位原有的固体表面消失或为新的固—固相界面取代的过程。分析界面在连接过程中的行为，则是探求连接接头形成的物理本质的有效途径。阐明连接接头的形成原理在材料连接过程中，会涉及到固—固、固—液、固—气、液—液和液—气相界面，这些相界面的产生、发展、转化和消失遵循着自然界的基本物理规律，因而也反映着接头形成过程的物理本质。保证提高连接质量第一章钎焊接头的形成过程§1.1钎料的润湿与铺展过程§1.2钎料的毛细填缝过程§1.3影响钎料润湿性的因素§1.4钎料润湿性的评定钎料的润湿与铺展过程固体金属的表面结构润湿的分类Young氏方程润湿功、润湿角及表面张力间的关系钎剂覆盖条件下熔融钎料与母材的界面张力的变化固体金属的表面结构固体纯金属的表面结构：最外层表面为0.2--0.3nm的气体吸附层。随着金属性质的不同，吸附气体的种类和厚度有一定差别，一般主要吸附的是水蒸气、氧、二氧化碳和硫化氢等气体。固体金属的表面结构固体纯金属的表面结构：次表层为3--4nm厚的氧化膜层，常由氧化物的水合物、氢氧化物和碱式碳酸盐等成分组成。致密氧化膜呈低结晶态，能保护基底金属免于进一步的氧化，如γ-Al2O3、Cu2O(红色)等；疏松氧化膜膜疏松多孔，不能隔绝空气，避免氧化，如Fe2O3、CuO等。固体金属的表面结构固体纯金属的表面结构：在氧化膜之下是一层厚度约为1-2μm厚的微晶组织，其下层是1--10μm的变形层，这一层则是由于金属在成形加工（如压力加工）时所形成的晶粒变形的结构。固体金属的表面结构合金表面结构更为复杂：通常表面能较低的亲氧的组元在固态情况下也会扩散并富集于表面，形成复杂多元组成的表面膜。随着存储期的延长，这层膜还会进一步增厚。固体金属的表面结构在实际钎焊过程中，所涉及到的母材表面都会有一层前述的表面的结构。为使钎焊过程得以顺利进行，要根据膜的基本性质，采用还原性酸（如HCl、HF、稀硫酸、有机酸）、氧化性酸（如HNO3）或碱（如NaOH、KOH）等来去除。经过酸洗的表面仍不是理想表面或清洁表面，它在钎焊前还可能氧化，并形成一层较薄的氧化膜。钎焊过程通常就是在这样的表面上进行的。润湿的分类附着润湿浸渍润湿铺展润湿润湿的分类附着润湿指固体与液体接触后，将液气相界面和固气相界面变为固液相界面的过程。在此过程中系统的表面自由能将发生变化：设固－气、液－气和固－液三相界面的比表面自由能分别为σsg、σlg和σsl，则上述过程的自由能变化为:其逆过程将需要外界对体系作功Wa,即:Wa称为粘附功,表征固液相界面结合程度。粘附功越大,即附着润湿越强。如果钎料是预先放置在钎缝间隙中的,在钎附着润湿示意图料熔化并润湿母材时,情况与附着润湿相近。)(lgsgslaGslsgaGlg'slsgaaGWlg润湿的分类浸渍润湿指固体浸入液体的过程。在此过程中固气相界面为固液相界面所取代,而液相表面没有变化。浸渍面积为单位值时,自由能变化为:要实现其逆过程则需要外界对系统做功Wi,即:Wi为浸渍功,它反映液体在固体表面上取代气体的能力。在浸渍钎焊过程中(如盐浴钎焊、金属浴钎焊),所发生的现象即为浸渍润湿。浸渍润湿示意图sgsliGslsgiiGW润湿的分类铺展润湿是液滴在固体表面上铺开的过程,即以液固相界面和新的液气相界面来取代固气相界面和原来的液气相界面的过程。当铺展面积为单位值时,表面自由能变化为:其中:Δσlg＝σlg(new)－σlg(old),即过程前后液气相界面自由能的变化,实际是液气相界面面积的变化。若假设液滴的体积很小且完全铺展,则上式可简化:铺展润湿示意图sglgslsGsglgslsG润湿的分类定义Ws为铺展功，则:铺展功Ws为铺展过程中体系能量的减少,或对外做功。实际钎焊过程多为这种润湿情况，但铺展前后的液气相面积变化却可能出现各种情况。假设在钎料的铺展过程中，铺展面积为A（即固液相面积），液气相界面面积在铺展前后的变化差值为B(B=Bnew-Bold),则有:实际应用时，可用上式进行计算。)(lgslsgssGWlgsgslsBAG)(Young氏方程基本假设：过程发生在理想表面上系统达到平衡状态体系的温度、压力和组成均不发生变化则体系的总自由能变化仅取决于表面自由能的变化。即:AddAAddGsurf)(Young氏方程公式推导：在钎料铺展过程中,设体系在平衡条件下固液相界面面积增加了dA,则液气相界面面积增加量为，所以:由于,可以忽略,而，则有:当系统平衡时,,而dA≠0,所以有:由此即得Young氏方程:cosθ又称为“润湿系数”。显然，θ和cosθ均可用钎料铺展示意图来衡量润湿程度的大小。)cos(ddAAdddAdAdAdGlgslsgsurfcos(cos(lgslsgsurfdAdGdd0surfdGcoslgslsglgslsg(cosYoung氏方程Young氏方程Young氏方程的推导是假定在恒温、恒压和组成不变的平衡条件下得到的,但在实际钎焊过程中,温度和组成都可能发生变化,并且在钎料铺展的过程中,铺展面积不断扩大,当然没有达到平衡状态,因此,严格地说,Young氏方程是不适合用来描述钎料铺展过程的,但在用来进行一般的定性判断时,则可借助于Young氏方程。Young氏方程润湿功、润湿角及表面张力间的关系三种润湿的共同特点是,液体将气体从固体表面排开,使原固气界面消失,并代之以固液界面。润湿发生的条件为:附着润湿浸渍润湿铺展润湿0)(lgslsgsW0slsgiW0lgslsgaW润湿功、润湿角及表面张力间的关系由附着功Wa、浸渍功Wi及铺展功Ws的定义对比可得三者之间的关系:对于同一物系,有Wa＞Wi＞Ws,若Ws＞0,则Wi和Wa必大于0。故能铺展润湿就必能附着润湿和浸渍润湿,所以常以润湿系数的大小来衡量润湿性。lgiSlgia润湿功、润湿角及表面张力间的关系通过Young方程可建立润湿功与润湿角和表面张力之间的关系:附着功：对于附着润湿来说，只要θ＜180°，就可保证Wa＞0，亦即可以发生附着润湿。浸渍功：对于浸渍润湿来说，当180°＞θ＞90°时，Wi＜0，此时不能润湿。当θ＜90°时，Wi＞0，既可以发生浸渍润湿。铺展功：对于铺展润湿来说,θ＞0时，Ws＜0，即不发生铺展润湿。只有当Ws＞0时方可发生铺展润湿。而实际上铺展润湿是存在的，只是此时并非平衡态，因而Young方程并不成立。由此可见，用铺展功比用润湿角可以判断更为广义的润湿过程。(coslglgslsgaWcoslgslsgiW(cos)(lglgslsgsW润湿功、润湿角及表面张力间的关系几点说明：利用不同的润湿功可以区别不同的润湿形态。反之,对于不同的润湿形态,用不同的润湿功来评价比较合理。由于钎焊过程有上述三种不同的润湿基本形态,因此可根据钎焊过程的润湿形态的不同,分别采用Wa、Wi或Ws作为评价钎焊过程润湿的标准是比较科学的。当实际钎焊过程难以简化成三种基本形态的任何一种,即三种形态混杂共存时,用浸渍功Wi比较合理。因为附着功Wa比浸渍功Wi多一项σlg,而铺展功Ws比其少一项σlg,在附着润湿和铺展润湿混杂出现时,二者存在相互抵消的作用。润湿功、润湿角及表面张力间的关系用Wa、Wi和Ws作为润湿的评价指标,从其提出的根据来看纯是从表面化学的观点提出来的。在实际钎焊过程中会有许多影响因素,如重力、温度、溶解、扩散等。因而在应用时需要根据实际情况采用实测的σlg和θ值,求取相应的润湿功,这样就可以比较准确地反映实际润湿程度。钎剂覆盖条件下熔融钎料与母材间界面张力的变化由Young方程可知，要促进润湿则需要使σsg增加，或使σlg和σsl下降．而在实际钎焊过程中，最常采用的方法是用第二种液体(钎剂)覆盖在钎料与母材的表面上，从而使界面的情况发生变化．此时有：如果在使用钎剂后可以使σsf＞σsg或使σlf＜σlg，就可以促进润湿。