课题基金 / 基金详情

扩散焊接头断裂预测热力学解析模型及韧化机制研究

批准号:
52075449
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
熊江涛
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
熊江涛

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
面对高端制造业对高韧性扩散焊的迫切需求与现有接头“韧性过低且分散”共性不足间的突出矛盾,本项目提出:从金属断裂裂尖塑变的非线性非平衡热力学属性与自洽性本质出发,首先,基于“Onsager-Ziegler最大熵产生原理”及其推知的体系演变法则,克服传统材料学断裂模型或机制的准确性局限,以及传统力学断裂模型的完备性不足,构建正定(完备)性热动力学方程组,以及金属母材断裂热力学自洽解析模型;其次,系统分析扩散焊典型缺陷“界面微孔”所引发的应力应变集中,对裂尖塑变与裂纹扩展的影响,建立接头断裂解析模型,并通过塑变体积、耗散功以及微孔附近局域韧-脆断裂转变,建立裂尖塑变与直接扩散焊接头韧性的量化关系;最后,基于断裂模型揭示的静、动态裂尖体系形成与演变机制,分别针对两类裂尖的塑变耗散强化,研究“纳米孪晶强化”与“多层级架构+晶内第二相”韧化中间层制备,获得高韧扩散焊接头制造技术与设计原则。
英文摘要
The diffusion bonded joint with excellent toughness is highly demanded for high-tech manufacturing, but the joint produced by diffusion bonding usually presents the common shortcoming of “insufficiency and dispersion of toughness”. To deal with this apparent contradiction, this project proposes the following research program. Firstly, the Onsager-Ziegler maximum entropy production principle (OZ-MEPP) and its deduction of system evolution laws are used, the aim of which is to overcome the limited precision of the fracture model in the materials science field and the incompleteness of the fracture model in the mechanics field. Then a self-consistent and analytical thermodynamic model with positive definite (complete) property is constructed for characterizing the base metal fracture; secondly, the effect of the stress and strain concentration caused by the typical defect “interfacial micro voids” of diffusion bonding joints on the crack tip plastic deformation and crack propagation is systematically analyzed, so as to establish an analytical model of joint fracture. And through the plastic volume, dissipation work, and the local toughness-brittle fracture transition near the micro voids, the quantitative relationship between the crack tip plastic deformation and the toughness of the directly diffusion bonding joint is established; finally, according to the formation and development of static and dynamic crack tip systems based on the fracture model, the preparation of toughened interlayers of “nano-twin strengthing” and “multilayer structure + intracrystalline second phase” are studied for the plastic dissipation strengthening of two types of crack tips. Consequently, the design principles and manufacturing techniques are set up for the strengthening and toughening of the diffusion bonded joint.
扩散焊作为一种精密、高强且适焊材料宽泛的固相焊技术,在高端制造业中展现出显著优势,特别是在复杂腔体类结构的成形方面,其基于二维层结构面-面焊接构建三维堆叠体的“微-积分”能力,解决了传统方法难以实现的复杂结构成形问题。该技术已广泛应用于第四、五代军用航空发动机叶片、空心叶盘,以及民用超高温反应堆中间换热器、热能用二氧化碳超临界换热器、新能源用微通道费拓反应器等核心零部件的制造,成为严酷环境下长期服役的关键技术。然而,传统扩散焊在综合力学性能核心指标“韧性”上存在共性不足,即“韧性过低且分散”,这严重制约了其在高性能零部件制造中的进一步应用。.针对这一问题,本项目立足于金属断裂裂尖塑变体系的热力学属性与自洽性本质,基于“Onsager-Ziegler最大熵产生原理”及其推知的体系演变法则,在材料学与力学断裂模型的动力学方程组基础上,补充关键性热力学方程,构建了正定性热动力学方程组,获得了金属母材断裂热力学解析模型。进一步,通过分析扩散焊接头典型缺陷“界面微孔”对裂尖形成与演变的影响,建立了接头断裂热力学解析模型,并基于裂尖塑变体积、耗散功及局域韧-脆断裂转变,量化了裂尖塑变与宏观接头韧性的关系。基于上述理论,本项目研究了裂尖塑变耗散强化机制,开发了相应的中间层材料,提出了高韧扩散焊接头制造技术与设计原则。.本项目所建立的热力学解析模型能够有效预测扩散焊接头的断裂行为,为减少对昂贵实验与复杂数值模拟的依赖提供了理论支持。通过优化中间层材料与工艺参数,显著提升了扩散焊接头的韧性,为其在高端制造业中的进一步应用奠定了坚实基础。本项目的研究成果不仅深化了对扩散焊共性不足形成机制的科学认识,也为工程上高效、可靠的接头性能预测与评价提供了重要依据。
控压摩擦焊大变形体系及其非连续性缺陷预测模型系统的热力学研究
  • 批准号:
    51575451
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    熊江涛
  • 依托单位:
摩擦焊大变形体系热、力耦合机制及组织非平衡演变的热力学研究
  • 批准号:
    51071123
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    36.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    熊江涛
  • 依托单位:
国内基金
海外基金