第1章 固相键合工艺机理

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施压阶段——锻制工艺
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固相键合机理 ` 表面三个特征层：
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母材 加工硬化层 表面氧化膜/污染层 表面形成紧密接触 去除氧化膜及污染物层
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母材 冷加工 硬化层 氧化膜 污染物层
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键合条件
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力破碎污染物层 氧化膜溶解
固相键合工艺涉及机理：
工件待连接表面的变形机理 表面污染物溶解机理 界面结构均匀化机理
假设：污染物层为一个连续的脆性层且结合面两侧的污 染物并不相同
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1.3 氧化物及污染物的热分解（破碎或溶解）
Wright等人提出的模型： 假设：键合面两侧的污染物相同。
C-材料硬化因子（经验值） Rt-形成键合所需的极限变形量 Rf-连接过程中的总变形量
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1.3 氧化物及污染物的热分解（破碎或溶解）
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1.1 固相键合原理
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固相键合定义(solid-state bonding)
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不需液态金属重新凝固就能完成两者键合的工艺 称为固相键合。固相键合工艺一般采用施加应变 或热能的方法，促使两待焊表面之间产生紧密的 金属间接触，从而形成可靠的连接。
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是最古老的连接工艺方法之一 根据AWS官方定义：早期的锻焊主要利用铁锤锤打铁砧 上的金属，使两者之间形成连接 压焊、电阻焊、摩擦焊、超声焊、扩散焊等
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如果界面间的晶体晶面指数一致或相近，键合更 容易实现。 连接材料多为多晶体，因此需要进行局部区域上 的晶体重新定向排列，才能实现可靠连接。 晶界可看作是大量复杂位错的堆积，键合过程中， 宏观表面应力的类型以及局部的污染物挤压都是 位错产生的理想源。
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1.4 界面结构的破碎（均匀化）
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界面结构的破碎
微连接 Microjoining
哈尔滨工业大学（威海） 焊接科学与工程专业
主讲人：刘 多
0631-5677156 / liuduo0376@
第一章 1.1 ` 1.2 ` 1.3 ` 1.4 ` 1.5
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固相键合工艺原理
固相键合原理 污染物去除/原子间键合（变形） 氧化物及污染物的热分解（破碎或溶解） 界面结构的破碎（均匀化） 小结
键合表面的应变 氧化物附近金属的挤压变形 晶体晶面匹配 ……….
高度位错键合线结构
破碎与分解机制
回复：相对较低的温度 下，位错只在局部位置 上移动以构成晶界结构， 降低系统总应变能。 再结晶：较高温度下， 键合线发生再结晶，键 合强度大幅提高，将出 现新晶粒的形核和生长。
激活能足够高，键合线处能量降低，是良好键合的关键
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1.1 固相键合原理 固相键合的两个阶段： ` 加热阶段——热工艺
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热量可有效降低工件材料的屈服强度，在较少压 力的情况下，促使材料发生必要的变形 热量和压力的共同作用下，键合界面上的局部区 域会产生较大变形，该变形能促进键合行为发生 克服接触表面粗糙度的影响，表面间形成紧密接 触 粉碎界面上的氧化物层或膜来促进原子间键合 键合完成后残留的热能可进一步提高界面结合强 度
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1.5 小结
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固相键合中的连接机理：
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污染物去除/原子间键合； 污染物/氧化物的热分解； 界面结构的破碎。
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对母材表面进行冷加工处理可改善氧化膜破碎形式。 热能和压力共同作用来实现接触表面的扩展。
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1.3 氧化物及污染物的热分解（破碎或溶解）
`被污染区域的分离
氧化物层破碎分离形式的两个模型 Mohamed和Washburn提出的模型：
f--结合强度与母材强度的比值 R--表面应力 C--有关污染物失配度以及污染物硬度的常数
1.3 氧化物及污染物的热分解（破碎或溶解）
常见工程金属氧化物在各自母材中的大致溶解度
Al2O3和Fe2O3在Fe中大致溶解度积比较（锻焊温度0.9Tm） 金属种类 Fe Fe
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氧化物类型 Al2O3 Fe2O3
Keq 1.8E10-19 1.0E10-15
1.4 界面结构的破碎（均匀化）
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键合过程中晶体结构的重新排列
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晶体结构匹配
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界面晶体结构进行位错调整 热辅助释放键合面上局部应力
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1.2 污染物去除/原子间键合（变形）
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工件待连接表面变形的作用：
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使连接表面平整化 去除表面污染物பைடு நூலகம்
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1.3 氧化物及污染物的热分解（破碎或溶解）
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接触表面的扩展
可施加表面压力破碎污染物层。 室温下一些常见金属及其氧化物的维氏硬度
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氧化物及污染物的热分解
对于特定的氧化物MxOy，它在金属A中的溶解度 可表示为： x y
K eq =Z ( CM ) ( CO )
Keq--平衡溶解度积 CM ，CO--分别为金属M和O在A金属中的含量 Z--关于活性系数的比例常数
如果氧化物本身为金属A的氧化物
K eq =Z1 ( CO )
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y