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鑄鐵釬焊連接的強度有限元分析

發布于:2022-05-22 20:17
有限元分析

      利用SHS法合成的TIC金屬陶瓷不但具有較高的硬度、耐磨性,而且由于其含有40%的金屬Ni,因此也具有一定的韌性和強度。若能把這種材料應用到汽車挺柱上,不僅可以發揮陶瓷的耐磨性,還能保持金屬的塑韌性,因此這種陶瓷挺柱會有很廣闊的應用前景。
      從現有的有限元分析文獻資料來看,陶瓷有很多種連接方法如釬焊和微波連接。其中釬焊方法已成為陶瓷與金屬連接的主要方法之一,本文選用耐高溫的NICsrBi釬料釬焊連接Tic陶瓷與鑄鐵。
      本試驗使用的材料分別為自蔓延高溫合成的TIC-40Ni陶瓷和普通鑄鐵,其中陶瓷的組織形貌見圖1,鑄鐵和釬料NICsrBi的具體元素含量分別見表1和表2。為便于試驗,在焊接前分別將TIC陶瓷切割成長40mm、寬10mm、高5mm的試片;將鑄鐵切割成長30mm、寬10mm、高4mm的試片。
      本試驗采用從美國引進的輻射加熱真空擴散焊機進行釬焊連接,該設備的工作室真空度可達lxlo-60Trr;采用電子掃描顯微鏡(sEM,s-570)對接頭界面形貌進行觀察,并對局部區域進面組織和結構。利用電子萬能試驗機(NISTRON行能譜分析,從而判定是否有金屬間化合物和固MODEL1186)進行剪切試驗,從而獲得接頭的剪溶體生成。使用X射線衍射儀(XRD,JDx強度3530M)判定接頭的反應產物。
      采用NicrsiB釬料對Tic陶瓷與鑄鐵在連接溫度為1373K,保溫10 min的條件下進行釬焊連接。圖2為TIC陶瓷/NICsrBi/鑄鐵接頭的掃描照片,其中(a)為TIC陶瓷/NICsriB界面,(b)為NICsriB/鑄鐵界面。從(a)中可以看出:釬料在界面處與陶瓷結合良好,在界面處有一層凸起塊狀物形成,為便于分析把它定為A區;在釬料與鑄鐵的界面處也有一層小的凸起塊狀物形成,把它定為C區;為了便于分析,把未形成凸起塊狀物的區域稱為B區。
      為了確定圖2中A、B和C區的元素組成,對A、B和C區進行了能譜分析,具體的分析結果參見表3。從表3中可見:釬料中的A區主要由Ti元素組成,因此在A區中可能含有Ti的化合物或固溶體;而B區主要由Ni和F。兩種元素組成,說明母材中的Ni和F。發生了一定規模的擴散,并在B區處形成了化合物或固溶體;C區也主要由Ti元素組成,說明C區也可能有Ti的化合物或固溶體。特別是:在表3中C區和A區的能譜分析結果相似,因此C區和A區的反應產物有可能相。
      為了進一步確定焊后的反應產物,對連接溫度1373K、保溫的TIC陶瓷/NICsriB/鑄鐵接頭鑄鐵側的斷口進行了X射線衍射試驗,衍射結果見圖3。由衍射結果可知:反應產物主要是由Ni(5.5)、TIC和[Ni,Fe]組成。由能譜分析和X射線衍射結果可得到以下結論:在連接溫度和時間一定的條件下,由于TIC陶瓷含有大量的Tic,其在反應過程中發生一定規模的擴散,因此在界面處有大量的凸起塊狀TIC存在。


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