Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu
Представлены результаты экспериментальных исследований на сдвиг биметаллических соединений с двойной нахлесткой при одноосном растяжении. Проанализировано влияние температуры и времени нагрева на величину максимального касательного напряжения, разрушающего адгезионный слой, скрепляющий составляющие...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України
2008
|
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7692 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние температуры на прочность контактного соединения Al - Cu / Р. Устинович // Приклад. пробл. механіки і математики. — 2008. — Вип. 6. — С. 201-206. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-7692 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-76922010-04-09T12:01:07Z Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu Устинович, Р. Представлены результаты экспериментальных исследований на сдвиг биметаллических соединений с двойной нахлесткой при одноосном растяжении. Проанализировано влияние температуры и времени нагрева на величину максимального касательного напряжения, разрушающего адгезионный слой, скрепляющий составляющие композита. Выполнен микроанализ химического состава на границе раздела фаз при комнатной температуре и измерены изменения толщины диффузионных слоев в зависимости от температуры. Установлено, что вследствие структурных изменений на границе раздела металлов образуется интерметаллидная зона. Поэтому прочность на сдвиг биметаллического соединения существенно зависит от температуры и времени нагрева. Представлено результати експериментальних досліджень на зсув біметалічного з’єднання Al–Cu з подвійним наклепом при одноосному розтягуванні. Проаналізовано вплив температури та часу нагрівання на величину максимального дотичного напруження, при якому руйнується адгезійний шар, що скріпляє складові композиту. Проведено мікроаналіз хімічного складу на межі розділу фаз при кімнатній температурі та заміряно товщину дифузійних шарів залежно від температури. Встановлено, що внаслідок структурних змін на межі розділу металів утворюється інтерметалідна зона. Тому міцність на зсув біметалічного з’єднання Al–Cu суттєво залежить від температури та часу нагрівання. The results of experimental investigations of the strength of thick adhered single lap bimetallic joint during axial tension were presented in the work. Estimation of influence of temperature and time of heating on the maximal values of shear force and destroying adhesion layer bonding the components of bimetal were determined. Microanalysis of chemical composition in border of phases zoning at room temperature was performed. Measurements of thickness growth of diffusion layer dependent on temperature were done. Resistance of shear of bimetallic connection was strongly associated with a temperature and time of heating, as the result of the structural change in the zone of metallic joint. 2008 Article Влияние температуры на прочность контактного соединения Al - Cu / Р. Устинович // Приклад. пробл. механіки і математики. — 2008. — Вип. 6. — С. 201-206. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1810-3022 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7692 539.3 ru Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Представлены результаты экспериментальных исследований на сдвиг биметаллических соединений с двойной нахлесткой при одноосном растяжении. Проанализировано влияние температуры и времени нагрева на величину максимального касательного напряжения, разрушающего адгезионный слой, скрепляющий составляющие композита. Выполнен микроанализ химического состава на границе раздела фаз при комнатной температуре и измерены изменения толщины диффузионных слоев в зависимости от температуры. Установлено, что вследствие структурных изменений на границе раздела металлов образуется интерметаллидная зона. Поэтому прочность на сдвиг биметаллического соединения существенно зависит от температуры и времени нагрева. |
| format |
Article |
| author |
Устинович, Р. |
| spellingShingle |
Устинович, Р. Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu |
| author_facet |
Устинович, Р. |
| author_sort |
Устинович, Р. |
| title |
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu |
| title_short |
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu |
| title_full |
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu |
| title_fullStr |
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu |
| title_full_unstemmed |
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu |
| title_sort |
влияние температуры на прочность контактного соединения al–cu |
| publisher |
Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7692 |
| citation_txt |
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al - Cu / Р. Устинович // Приклад. пробл. механіки і математики. — 2008. — Вип. 6. — С. 201-206. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ustinovičr vliânietemperaturynapročnostʹkontaktnogosoedineniâalcu |
| first_indexed |
2025-07-02T10:28:44Z |
| last_indexed |
2025-07-02T10:28:44Z |
| _version_ |
1836530663650492416 |
| fulltext |
ISSN 1810-3022. Ïðèêë. ïðîáëåìè ìåõ. ³ ìàò. – 2008. – Âèï. 6. – Ñ. 201–206.
ÓÄÊ 539.3
Р. Устинович
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ КОНТАКТНОГО
СОЕДИНЕНИЯ AL–CU
Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé íà ñäâèã áèìå-
òàëëè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ñ äâîéíîé íàõëåñòêîé ïðè îäíîîñíîì ðàñòÿæåíèè.
Ïðîàíàëèçèðîâàíî âëèÿíèå òåìïåðàòóðû è âðåìåíè íàãðåâà íà âåëè÷èíó ìàê-
ñèìàëüíîãî êàñàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ, ðàçðóøàþùåãî àäãåçèîííûé ñëîé,
ñêðåïëÿþùèé ñîñòàâëÿþùèå êîìïîçèòà. Âûïîëíåí ìèêðîàíàëèç õèìè÷åñêîãî
ñîñòàâà íà ãðàíèöå ðàçäåëà ôàç ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå è èçìåðåíû èç-
ìåíåíèÿ òîëùèíû äèôôóçèîííûõ ñëîåâ â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû. Óñ-
òàíîâëåíî, ÷òî âñëåäñòâèå ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé íà ãðàíèöå ðàçäåëà ìå-
òàëëîâ îáðàçóåòñÿ èíòåðìåòàëëèäíàÿ çîíà. Ïîýòîìó ïðî÷íîñòü íà ñäâèã
áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû è âðå-
ìåíè íàãðåâà.
1. Ââåäåíèå. Èññëåäîâàíèÿ ïðî÷íîñòè áèìåòàëëè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé,
ðàáîòàþùèõ â ðàçíûõ ýêñïëóàòàöèîííûõ óñëîâèÿõ, èìåþò áîëüøîå ïðàê-
òè÷åñêîå çíà÷åíèå. Èñïîëüçîâàíèå â ýíåðãåòèêå ñëîèñòûõ ìåòàëëè÷åñêèõ
êîìïîçèòîâ íà îñíîâàíèè àëþìèíèÿ è ìåäè äëÿ ïðîèçâîäñòâà ñîåäèíèòåëåé,
êîðíåâûõ ïðîâîëîê è äðóãèõ ýëåìåíòîâ, ïðîâîäÿùèõ ýëåêòðè÷åñêèé òîê,
îáåñïå÷èâàåò èäåàëüíûé ýëåêòðè÷åñêèé êîíòàêò, à òàêæå çíà÷èòåëüíî
óìåíüøàåò âåñ óñòàíîâêè ïðè ñóùåñòâåííîì ñíèæåíèè ñåáåñòîèìîñòè.
Äåôîðìàöèîííîå ñîåäèíåíèå ìåòàëëîâ â òâ¸ðäîì ñîñòîÿíèè − èñêëþ÷è-
òåëüíî ñëîæíûé ôèçèêî-õèìè÷åñêèé ïðîöåññ, îñóùåñòâëÿþùèéñÿ âî âðåìÿ
ïðîêàòà áèìåòàëëè÷åñêîãî ëèñòà Al–Cu. Îí ñîñòîèò âî âçàèìíîì íàëîæåíèè
ñîîòâåòñòâåííî ïðèãîòîâëåííûõ ïîâåðõíîñòåé ëèñòîâ ìåäè è àëþìèíèÿ è
ñêðåïëåíèè èõ ïîä äàâëåíèåì. Â ðåçóëüòàòå ïðîèñõîäèò ñîåäèíåíèå ýòèõ
ïîâåðõíîñòåé, ñîïðîâîæäàþùååñÿ áîëüøèìè ïëàñòè÷åñêèìè äåôîðìàöèÿìè
[6, 7]. Íåîáõîäèìîå äàâëåíèå äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïðî÷íîãî ñîåäèíåíèÿ â ñëó÷àå
àëþìèíèÿ è ìåäè ñîñòàâëÿåò îêîëî 14.5 ÃÏà [9]. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî äå-
ôîðìàöèîííîå ñîåäèíåíèå ëó÷øå ïðîèñõîäèò ïðè ïîâûøåííîé òåìïåðàòó-
ðå, óñêîðÿþùåé ïðîöåññ êðåïëåíèÿ è âûçûâàþùåé äèôôóçèþ àòîìîâ ìå-
òàëëîâ íà ãðàíèöå êîíòàêòà. Âñëåäñòâèå ýòîãî ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå
ñâîéñòâà ïåðåõîäíîé çîíû èçìåíÿþòñÿ. Èçâåñòíî, ÷òî ïðè ïðîèçâîëüíûõ
óñëîâèÿõ ðàáîòû ïðåäåë ïðî÷íîñòè ãðàíèöû áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ
îáû÷íî âûøå, ÷åì ó ñàìîãî «ñëàáîãî» ñîñòàâëÿþùåãî ìåòàëëà [10]. Íàðóøå-
íèå àäãåçèîííûõ ñâÿçåé ïðèâîäèò ê ðàçðóøåíèÿì íà ãðàíèöå ñîåäèíåíèÿ
ìåòàëëîâ [3, 4].
Ìåòîäèêà èññëåäîâàíèÿ íà ïðî÷íîñòü áèìåòàëëè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ïî-
ëó÷åííûõ ïóòåì äåôîðìàöèîííîãî ñîåäèíåíèÿ, îáû÷íî ïîäîáíà ñîîòâåòñò-
âóþùèì ìåòîäèêàì äëÿ êëååâûõ ñîåäèíåíèé, èñïîëüçóþùèõ ÷àùå âñåãî
óïðóãóþ ìîäåëü ñîåäèíåíèÿ. Äðóãàÿ ñèòóàöèÿ èìååò ìåñòî â ñëó÷àå áèìå-
òàëëîâ. Îáû÷íî ìàëàÿ ïî òîëùèíå ïðîìåæóòî÷íàÿ çîíà áèìåòàëëà îáëàäàåò
ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, íå îòëè÷àþùèìèñÿ ñóùåñòâåííî îò ñðåäíèõ
çíà÷åíèé óïðóãîïëàñòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ñîñòàâëÿþùèõ è èõ äèôôóçèîííûõ
ôàç. Ïîýòîìó àäàïòàöèÿ ìåòîäèêè èññëåäîâàíèÿ íà ïðî÷íîñòü êëååâûõ ñî-
åäèíåíèé íà ñëó÷àé áèìåòàëëîâ âîçìîæíà òîëüêî ïðè èçâåñòíûõ ìåõàíè-
÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ïåðåõîäíîé çîíû è èñïîëüçîâàíèè óïðóãîïëàñòè÷åñêîé
ìîäåëè. Ñ ïîìîùüþ òàêîé ìîäåëè áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, ó÷èòûâàþ-
ùåé ñâîéñòâà ïåðåõîäíîé çîíû, ìîæíî îïðåäåëèòü âåëè÷èíó è èçìåíåíèå
êàñàòåëüíûõ íàïðÿæåíèé ïî äëèíå ó÷àñòêà äâîéíîé íàõëåñòêè [2, 5].
Öåëüþ ýòîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ òåìïåðàòóðû è
âðåìåíè íàãðåâà íà ñäâèãîâóþ ïðî÷íîñòü áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ
àëþìèíèé – ìåäü (Al–Cu).
2. Ýêñïåðèìåíò. Êîìïîçèò Al–Cu áûë ïîëó÷åí ïóòåì ãîðÿ÷åãî ïðîêàòà
ïðè òåìïåðàòóðå 450°C ëèñòîâ èç àëþìèíèÿ À1 è ìåäè Ì1E. Ïðîöåíòíîå
202 Р. Устинович
400
800
1200
1600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Al
Cu
Ñ÷åò ñèãíàëîâ
l, ìêì
Рис. 1. Микроанализ химического состава на
границе разделения фаз Al–Cu.
ñîîòíîøåíèå ìåòàëëîâ â ñîåäèíåíèè ñîñòàâëÿëî: Al – 48.8% è Cu – 51.2%.
Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ áèìåòàëëà ïåðåä íàãðåâîì, îïðåäåëåííûé ñ ïîìîùüþ
ñêàíèðóþùåãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà, ïðåäñòàâëåí â òàáë. 1. Ëèíåéíûé
ìèêðîàíàëèç õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà íà ãðàíèöå ðàçäåëà ôàç ïðè òåìïåðàòóðå
293 K ïîêàçàí íà ðèñ. 1.
Табл.1. Химический состав слоев биметалла Al-Cu
Cu+Ag Bi Pb Sb As Fe Ni Sn Zn S
% Ìåäü
(Cu)
99.98 0.001 0.003 0.001 0.001 0.002 0.001 0.002 0.001 0.001
Al Fe Si Ti Zn Cu
%
Àëþìèíèé
(Al)
99.76 0.21 0.10 0.009 0.004 0.001
Íà ïëîñêèõ îáðàçöàõ, âûðåçàííûõ èç ïëîñêîñòè áèìåòàëëè÷åñêîãî ëèñ-
òà â íàïðàâëåíèÿõ 0°, 45° è 90° îòíî-
ñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ ïðîêàòà, ñíà-
÷àëà áûëè ïðîâåäåíû èñïûòàíèÿ íà
îäíîîñíîå ðàñòÿæåíèå. Ñ ïîìîùüþ
âûðåçûâàíèÿ èç îáðàçöà ñîîòâåòñò-
âóþùåãî ñëîÿ ìåòàëëà, îïðåäåëåíû
ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîìïîíåíòîâ
áèìåòàëëè÷åñêîãî ëèñòà. Ðåçóëüòàòû
ýòèõ îïûòîâ ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 2.
Ïîìèìî îïðåäåëåíèÿ îñíîâíûõ ìåõà-
íè÷åñêèõ ñâîéñòâ èñïûòûâàåìûõ ìå-
òàëëîâ, öåëüþ ýòèõ îïûòîâ áûëî ïî-
ëó÷åíèå îöåíêè óðîâíÿ ïðåäâàðè-
òåëüíîé àíèçîòðîïèè êîìïîçèòà, à
òàêæå ïàðàìåòðîâ óïðî÷íåíèÿ.
Табл. 2. Средние значения механических свойств, полученных
для биметалла Al–Cu и его составляющих элементов
Âèä ìàòåðèàëà
Áèìåòàëë Al–Cu Àëþìèíèé Ìåäü Ïàðàìåòð
0° 45° 90° 0° 45° 90° 0° 45° 90°
E , ÃÏà 107.4 76.5 155.5
0.05R , ÌÏà 190.0 182.5 228.0 90.0 94.0 105.5 279.0 278.5 332.5
0.2R , ÌÏà 234.0 234.5 261.0 117.0 118.5 124.5 344.0 343.5 383.0
mR , ÌÏà 249.5 246.5 266.0 125.0 122.5 127.5 366.0 364.5 391.0
n 0.027 0.026 0.013 0.052 0.025 0.025 0.021 0.029 0.013
K , ÌÏà 285.9 289.4 289.3 171.2 147.0 149.4 409.3 428.6 423.3
3
0 10ε ⋅ −4.1 −4.3 −4.2 −3.2 −3.3 −2.9 −4.0 −4.2 −4.1
Äëÿ òðåõ âûáðàííûõ íàïðàâëåíèé îïðåäåëåíû ìîäóëü óïðóãîñòè E ,
ïðåäåëû óïðóãîñòè 0.05R è òåêó÷åñòè 0.2R , ñîîòâåòñòâóþùèå íåïðîïîðöèî-
íàëüíûì äåôîðìàöèÿì 0.05% è 0.2% , ïðåäåë ïðî÷íîñòè íà ðàñòÿæåíèå mR
è ïàðàìåòðû 0, ,K n ε êðèâîé óïðî÷íåíèÿ. Ïîñëåäíèå ïàðàìåòðû õàðàêòå-
ðèçóþò ñòåïåíü äåôîðìàöèîííîãî óïðî÷åíèÿ ïîñëå ïðîêàòà â ðåçóëüòàòå
êîòîðîãî ïðîèñõîäèëà àäãåçèÿ ïðè ñîåäèíåíèè ìåäè è àëþìèíèÿ. Äëÿ îïè-
ñàíèÿ ïðîöåññà óïðî÷åíèÿ èñïîëüçîâàëîñü ìîäèôèöèðîâàííîå óðàâíåíèå
Ñâèôòà [8]:
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu 203
1
52 1
3
101
48
19
2 4
Рис. 2. Испытательный биметаллический
образец.
10
20
30
40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
150 ìèí.
t = 40 ìèí.
90 ìèí.
τ, ÌÏà
ε, ìì
Рис. 3. Кривые испытаний на сдвиг при
растяжении биметаллических об-
разцов, выдержанных при темпе-
ратуре 723 K.
0( )nKσ = ε + ε , (1)
ãäå σ è ε − ïîëó÷åííûå ýêñïåðèìåíòàëüíî äåéñòâèòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ è
äåôîðìàöèè ñîîòâåòñòâåííî; 0 , ,K n ε – ýêñïåðèìåíòàëüíûå ïàðàìåòðû.
Îáîñíîâàííîñòü ïðèìåíåíèÿ óðàâíåíèÿ (1) ê ðàññìàòðèâàåìûì ìàòåðèàëàì
ïîäòâåðæäàåò ðàáîòà Ïàðñà [12].
Ïðî÷íîñòü íà ñäâèã áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ Al–Cu èññëåäîâàëè
íà îñíîâàíèè èñïûòàíèÿ îäíîîñ-
íîãî ðàñòÿæåíèÿ ïëîñêîãî îáðàç-
öà â âèäå äâîéíîé íàõëåñòêè
(ðèñ. 2). Îáðàçöû èìåëè ôîðìó
ïîëîñû ñ ïðîäîëüíûì íàïðàâëå-
íèåì, ñîâïàäàþùèì ñ íàïðàâëå-
íèåì ïðîêàòà áèìåòàëëè÷åñêîãî
ëèñòà. Ôîðìó è ðàçìåðû èñïû-
òàòåëüíîãî îáðàçöà âûáèðàëè â
ñîîòâåòñòâèè ñ òåõíè÷åñêèìè
ñòàíäàðòàìè [1, 11]. Âî âðåìÿ èñ-
ñëåäîâàíèé ïðîèçâîäèëàñü ðå-
ãèñòðàöèÿ çíà÷åíèÿ ðàñòÿãèâàþ-
ùåé ñèëû, ïðèëîæåííîé ê êîíöàì îáðàçöà. Äåôîðìàöèþ â çîíå ñäâèãà èç-
ìåðÿëè ñ ïîìîùüþ ïðîäîëüíîãî òåíçîìåòðà ïåðåìåùåíèé. Îäíîâðåìåííî ñ
ïîìîùüþ âèäåîêàìåðû CCD ðåãèñòðèðîâàëè èçîáðàæåíèå ðàáî÷åé ÷àñòè
îáðàçöà. Îáëàäàþùåå âûñîêîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ âèäåîèçîáðà-
æåíèå èñïîëüçîâàëîñü ïðè êîìïüþòåðíîì àíàëèçå ïåðåìåùåíèé â çîíå êîí-
òàêòà. Îáðàçöû êðåïèëèñü â çàõâàòàõ óíèâåðñàëüíîé èñïûòàòåëüíîé ìàøè-
íû MTS Mini Bionix 858, ñîõðàíÿÿ íåèçìåííîé äëèíó ðàáî÷åé ÷àñòè îáðàç-
öà. Ñêîðîñòü ïðèðàùåíèÿ äåôîðìàöèè âî âðåìÿ èñïûòàíèé áûëà îäèíàêî-
âîé è ðàâíÿëàñü 3 12 10 s− −ε = ⋅ . Äëÿ ÷åòûðåõ ñåðèé îáðàçöîâ, ïðåäâàðèòåëü-
íî íàãðåòûõ äî òåìïåðàòóð 523 K, 623 K, 723 K, 823 K ñ âûäåðæêàìè
t = 40 ìèí, 90 ìèí, 150 ìèí ñîîòâåòñòâåííî, îïûòû ïî îäíîîñíîìó ðàñòÿæå-
íèþ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå. Àíàëîãè÷íûå òåñòû áûëè
ïðîâåäåíû òàêæå äëÿ êîíòðîëüíîé ñåðèè îáðàçöîâ, êîòîðûå ïðåäâàðèòåëü-
íî íå íàãðåâàëèñü.
Ïðèëîæåííàÿ ðàñòÿãèâàþùàÿ íàãðóçêà âûçûâàëà â çîíå ñîåäèíåíèÿ
êàñàòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ è èçãèáàþùèé ìîìåíò.
Ïðè èñïûòàíèÿõ èññëåäîâàíî òàêæå âëèÿíèå äëèíû ðàáî÷åé ÷àñòè îá-
ðàçöà íà çíà÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé ñèëû, ðàçðóøàþùåé ñîåäèíåíèå êîìïî-
íåíò. Íàêîíåö, èçó÷àëàñü òîëùèíà èíòåðìåòàëëèäíîãî ñëîÿ â äèôôóçèîí-
íîé çîíå, âîçíèêøåé âñëåäñòâèå íàãðåâà âûøå óïîìÿíóòûõ òåìïåðàòóð.
3. Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå. Äå-
ôîðìàöèîííûå äèàãðàììû äëÿ áèìå-
òàëëè÷åñêèõ îáðàçöîâ, âûäåðæàííûõ
ïðè òåìïåðàòóðå 723 K, ïðåäñòàâëåíû
íà ðèñ. 3. Èç èñïûòàíèé íà ñäâèã ïðè
ðàñòÿæåíèè îïðåäåëÿëè çíà÷åíèÿ ìàê-
ñèìàëüíûõ ñèë, âûçûâàþùèõ ðàçðó-
øåíèå ñîåäèíåíèÿ ïóòåì ñðåçàíèÿ
ñëîÿ, ñâÿçûâàþùåãî êîìïîíåíòû áèìå-
òàëëà. Ñðåäíèå êàñàòåëüíûå íàïðÿæå-
íèÿ îïðåäåëÿëè ïî ôîðìóëå /( )F blτ = ,
ãäå F − ðàñòÿãèâàþùàÿ ñèëà; l, b −
äëèíà è øèðèíà ñðåçàííîãî ñëîÿ
ñîîòâåòñòâåííî.
204 Р. Устинович
20
30
40
50
60
70
40 70 100 130
T = 523 K
σ, ÌÏà
t, ìèí.
623 K
723 K
823 K
Рис. 6. Изменение прочности на сдвиг
при повышении времени нагрева.
Íàáëþäàëèñü äâà âèäà ðàçðóøåíèÿ èñïûòóåìûõ îáðàçöîâ. Îáðàçöû,
êîòîðûå íå ïîäâåðãàëèñü òåìïåðàòóðíîìó âîçäåéñòâèþ, ðàçðóøàëèñü ïóòåì
ðàçðûâà «ñëàáîé» êîìïîíåíòû − àëþìèíèÿ ïðè íàïðÿæåíèè 105 ÌÏà (äå-
êàãåçèîííîå ðàçðóøåíèå àëþìèíèåâîãî ñëîÿ) (ðèñ. 4à). Ñåðèÿ îáðàçöîâ, íà-
ãðåòûõ âûøå òåìïåðàòóðû 523 K, ðàçðóøàëàñü ïóòåì ñðåçûâàíèÿ ñëîåâ,
ñîåäèíÿþùèõ êîìïîíåíòû. Êðîìå òîãî, ïîä äåéñòâèåì èçãèáàþùåãî ìîìåíòà
íàáëþäàëñÿ èõ çíà÷èòåëüíûé èçãèá (ðèñ. 4á). Ðàçðóøåíèå ïðîèñõîäèëî ñî-
ãëàñíî àäãåçèîííîìó ìåõàíèçìó, ïðèâîäÿùåìó ê ðàññëîåíèþ ñîñòàâëÿþ-
ùèõ. Ïî-âèäèìîìó, ïðè÷èíîé òàêîãî âèäà ðàçðóøåíèÿ âäîëü ãðàíèöû ñî-
åäèíåíèÿ (ïðè òåìïåðàòóðå, âûøå 523 K) ÿâëÿåòñÿ âîññòàíîâëåíèå äèôôó-
çèîííîé çîíû ñ íèçêèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè.
Рис. 4. Два вида разрушения образцов:
a) вследствие разрыва одной компоненты (алюминия),
б) вследствие среза промежуточного слоя.
Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòîâ ïîêàçàë, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì òåìïå-
ðàòóðû â äèàïàçîíå 523÷823 K ïðîèñõîäèò çàìåòíîå (ïðèáëèçèòåëüíî íà
55–58%) ñíèæåíèå çíà÷åíèé êàñàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ, íåîáõîäèìîãî äëÿ
ðàçðóøåíèÿ ñîåäèíåíèÿ (ðèñ. 5). Åñëè âðåìÿ íàãðåâà ïðåâûøàåò 90 ìèíóò,
òî ïðè äîñòèæåíèè òåìïåðàòóðîé çíà÷åíèÿ 823 K ïðîèñõîäèò èíòåíñèâíîå
îáðàçîâàíèå ôàç Al–Cu íà ãðàíèöå ðàçäåëà ìåòàëëîâ, ÷òî âûçûâàåò ñíèæå-
íèå òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ ìåäíî-àëþìèíèåâîãî ñîåäèíåíèÿ è åãî ïåðåõîä
â æèäêîå ñîñòîÿíèå.
30
40
50
60
70
500 600 700 800 T, K
a)
τ, ÌÏà
t = 40 ìèí.
30
40
50
60
70
500 600 700 800 T, K
á)
τ, ÌÏà
t = 90 ìèí.
20
30
40
50
60
70
500 550 600 650 700 T, K
â)
τ, ÌÏà
t = 90 ìèí.
Рис. 5. Влияние температуры нагрева на сдвиговую прочность при выдержке:
а) 40 мин, б) 90 мин, в) 150 мин.
Äëÿ íàäåæíîé ðàáîòû ñîåäèíåíèÿ
Al–Cu ñóùåñòâåííîå çíà÷åíèå èìååò
ïðîäîëæèòåëüíîñòü íàãðåâà. Òàê, ïðè
óâåëè÷åíèè âðåìåíè âûäåðæêè ñîåäè-
íåíèÿ îò 40 äî 150 ìèíóò ïðè òåìïå-
ðàòóðå 523 K ñíèæåíèå ïðî÷íîñòè íà
ñäâèã ñîñòàâëÿåò 9% , ïðè òåìïåðàòóðå
623 K − 33%, ïðè 723 K − 41% (ðèñ. 6).
Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé øèðèíû äèô-
ôóçèîííîãî ñëîÿ â áèìåòàëëè÷åñêîì
ñîåäèíåíèè ïîêàçàëè, ÷òî óâåëè÷åíèå
âðåìåíè íàãðåâà ïðè òåìïåðàòóðå
Влияние температуры на прочность контактного соединения Al–Cu 205
523 K âûçûâàåò óìåíüøåíèå òîëùèíû èíòåðìåòàëëèäíîãî ñëîÿ îò 40.5 ìêì
äî 2 ìêì. Ïðè òåìïåðàòóðàõ, ïðåâûøàþùèõ 623 K, âìåñòå ñ óâåëè÷åíèåì
âðåìåíè òåìïåðàòóðíîé âûäåðæêè ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå òîëùèíû ýòîãî
ñëîÿ (îò 2.6 ìêì ïðè 623 K äî 27.9 ìêì ïðè 823 K). Èçîáðàæåíèå
äâóõñëîéíîé äèôôóçèîííîé çîíû íà ãðàíèöå ñîåäèíåíèÿ ïðè òåìïåðàòóðå
523 K è âûäåðæêå 40 ìèí. ïðåäñòàâëåíî íà ðèñ. 7.
Òàêèì îáðàçîì, óñòàíîâëåíî, ÷òî ïðè òåìïåðàòóðå, ïðåâûøàþùåé
623 K, ïðîèñõîäèò ðåçêîå ñíèæåíèå ïðî÷íîñòè áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíå-
íèÿ Al–Cu. Ýòîò ðåçóëüòàò ñëåäóåò ó÷èòûâàòü ïðè ýêñïëóàòàöèè òàêèõ ñî-
åäèíåíèé â ýíåðãåòèêå, ãäå ÷àñòî ïðîèñõîäèò ïåðåãðåâàíèå ýëåêòðîïðî-
âîäêè.
Òàêæå èññëåäîâàíî âëèÿíèå ðàáî÷åé äëèíû îáðàçöà íà âåëè÷èíó ìàê-
ñèìàëüíîé ðàñòÿãèâàþùåé ñèëû, ðàçðóøàþùåé áèìåòàëëè÷åñêîå ñîåäèíå-
íèå. Ýêñïåðèìåíòû âûïîëíÿëèñü íà îáðàçöàõ, ïðåäâàðèòåëüíî âûäåðæàí-
íûõ ïðè òåìïåðàòóðå 523 K íà ïðîòÿæåíèè 40 ìèíóò. Óñòàíîâëåíî, ÷òî ñ
óâåëè÷åíèåì ðàáî÷åé äëèíû ðàñòÿãèâàåìîãî îáðàçöà, ìàêñèìàëüíàÿ ñðåçû-
âàþùàÿ ñèëà ëèíåéíî óâåëè÷èâàåòñÿ (ðèñ. 8).
3.60
3.65
3.70
3.75
3.80
20 30 40 50 l, ìì
F, êÍ
Рис. 7. Фотография интерметаллидных сло-
ев в диффузионной зоне биметалла.
Рис. 8. Влияние длины образца на
величину разрушающей силы.
4. Âûâîäû. Â ðåçóëüòàòå ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé
íà ñäâèã áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ Al–Cu ñ äâîéíîé íàõëåñòêîé ïðè îä-
íîîñíîì ðàñòÿæåíèè óñòàíîâëåíî, ÷òî:
– îáðàçîâàíèå äèôôóçèîííîé çîíû, à çàòåì è èíòåðìåòàëëèäíîãî ñëîÿ
èçìåíÿþò ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà áèìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, à òàê-
æå âèä åãî ðàçðóøåíèÿ â ðåçóëüòàòå ñðåçà;
– ïåðåãðåâ ñîåäèíåíèÿ ñâûøå òåìïåðàòóðû 523 K ñ âûäåðæêîé, ïðåâû-
øàþùåé 40 ìèíóò, çíà÷èòåëüíî ïîíèæàåò ïðî÷íîñòü ñîåäèíåíèÿ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ íàó÷íîãî ïðîåêòà W/WM/10/05 Êîìèòåòà Íàó÷íûõ
Èññëåäîâàíèé Ðåñïóáëèêè Ïîëüøè.
1. ASTM D5656-01 Standard Test Method for Thick-Adherend Metal Lap-Shear
Joints for Determination of the Stress-Strain Behavior of Adhesives in Shear by
Tension Loading. – 6 p.
2. Bay N. Cold pressure welding – a theoretical model for the bond strength // Proc.
Instn. Metall. Spring Res. Conf.: Joining of Metals – Practice and Performance,
Warwick. – 1981. – 2, No. 18. – P. 47–62.
3. Buckley D. H. Influence of chemisorbed films on adhesion and friction of clean
iron. – NASA Center for aerospace information. NASA-TN-D-4775, 1968. – P. 14.
4. Charuhina K. Ye., Golovanienko S. A., Bimetallicheskie soedinienia. – M.: Metalur-
gia, 1970. – 278 s.
206 Р. Устинович
5. Chihdar Yang, Hai Huang, John S. Tomblin, Wenjun Sun. Elastic-plastic model of
adhesive-bonded single-lap composite joints // J. Com. Mater. – 2004. – 38, No. 4.
– P. 293–309.
6. Ciupik Ł. F., Mstowski O., Zatorski K. // Obróbka Plastyczna. – 1985. – XXIV,
Z. 3. – S. 127–133.
7. Ciupik L. Mechanizmy procesu spajania odkształceniowego metali na zimno. – Zie-
lona Góra: Wyd. WSI, 1983. – 210 s.
8. Fernandes J. V., Rodriges D. M., Menzes L. F., Vieira M. F. A modified Swift law
for prestrained materials // Int. J. Plasticity. – 1998. – 14, No. 6. – P. 537–550.
9. Kowalczyk L. Łączenie metali w stanie stałym w procesach obróbki plastycznej. –
Warszawa: WNT, 1988. – 276 s.
10. Lesik L. N. Proces walcowania prętów bimetalicznych w wykrojach wydłużających.
– Częstochowa: Wyd. Politechniki Częstochowskiej. Seria Metalurgia, 1998. – 107 s.
11. Military Handbook – MIL-HDBK-17-4A. Composite Materials Handbook. V. 4 –
Metal Matrix Composites. U.S. Department of Defense, 2002. – 316 p.
12. Parsa M. H., Yamaguchi K., Takakura N. Redrawing analysis of aluminum–stain-
less-steel laminated sheet using FEM simulations and experiments // Int. J. Mech.
Sci. – 2001. – 43, No. 10. – P. 2331–2347.
ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НА МІЦНІСТЬ КОНТАКТНОГО З’ЄДНАННЯ AL–CU
Ïðåäñòàâëåíî ðåçóëüòàòè åêñïåðèìåíòàëüíèõ äîñë³äæåíü íà çñóâ á³ìåòàë³÷íîãî
ç’ºäíàííÿ Al–Cu ç ïîäâ³éíèì íàêëåïîì ïðè îäíîîñíîìó ðîçòÿãóâàíí³. Ïðîàíàë³çî-
âàíî âïëèâ òåìïåðàòóðè òà ÷àñó íàãð³âàííÿ íà âåëè÷èíó ìàêñèìàëüíîãî äîòè÷-
íîãî íàïðóæåííÿ, ïðè ÿêîìó ðóéíóºòüñÿ àäãåç³éíèé øàð, ùî ñêð³ïëÿº ñêëàäîâ³
êîìïîçèòó. Ïðîâåäåíî ì³êðîàíàë³ç õ³ì³÷íîãî ñêëàäó íà ìåæ³ ðîçä³ëó ôàç ïðè ê³ì-
íàòí³é òåìïåðàòóð³ òà çàì³ðÿíî òîâùèíó äèôóç³éíèõ øàð³â çàëåæíî â³ä òåìïå-
ðàòóðè. Âñòàíîâëåíî, ùî âíàñë³äîê ñòðóêòóðíèõ çì³í íà ìåæ³ ðîçä³ëó ìåòàë³â
óòâîðþºòüñÿ ³íòåðìåòàë³äíà çîíà. Òîìó ì³öí³ñòü íà çñóâ á³ìåòàë³÷íîãî ç’ºä-
íàííÿ Al–Cu ñóòòºâî çàëåæèòü â³ä òåìïåðàòóðè òà ÷àñó íàãð³âàííÿ.
INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE STRENGTH OF AL–CU JOINT
The results of experimental investigations of the strength of thick adhered single lap
bimetallic joint during axial tension were presented in the work. Estimation of influen-
ce of temperature and time of heating on the maximal values of shear force and dest-
roying adhesion layer bonding the components of bimetal were determined. Microana-
lysis of chemical composition in border of phases zoning at room temperature was per-
formed. Measurements of thickness growth of diffusion layer dependent on temperature
were done. Resistance of shear of bimetallic connection was strongly associated with a
temperature and time of heating, as the result of the structural change in the zone of
metallic joint.
Áÿëîñòîöê. ïîëèòåõíèêà, Áÿëûñòîê, Ïîëüøà Ïîëó÷åíî
14.07.06
|