专利名称:金属合金连接件界面结合强度的开尔文探针测量方法
技术领域：
本发明涉及材料无损检测与性能测试技术领域：
，尤其涉及一种金属合金连接件界面结合强度的开尔文探针测量方法。
背景技术：
目前，随着航空航天飞行器和民用器件对减重、提高性能的要求，国内外开发了大量性能优良的新型金属或合金材料。这些材料在使用过程中，必然会遇到连接问题，以便发挥不同材料的性能优势。对于任何材料的连接，最关心的莫过于连接后的质量问题。连接界面作为最为关键的部位，其结合强度决定了整个连接件的好坏。因此，结合强度是评估连接质量的第一指标，其简便有效的直接测量表征也是金属材料加工与设计研究的重要目标之一。开发表征结合强度的新方法不仅具有学术意义，更具有重要的工程应用价值。
在金属合金界面质量评估方面，国内外近年来对各类材料进行了不同的工艺实验，特别是对性能差别较大、互不相溶和相互间易产生金属间化合物等脆性相的金属或合金材料，如Ti基、Al基等合金和不锈钢，在连接界面的结构与形貌、连接参数对连接强度的影响以及连接参数最优化等方面进行了广泛深入的研究，获得了许多宝贵经验。发现影响金属连接界面强度的主要原因有(1)不清洁的拟连接表面、保护气氛中的杂质或连接时间过短导致连接界面处存在氧化物、孔洞和缝隙等缺陷，使得连接件的实际接触面减少。 (2)连接件间存在中间相，在高温高压连接过程中会生成脆性相。( 连接界面上发生动态再结晶现象，生成了一层细小的等轴晶粒，导致连接强度的降低。对于上述问题的发现和分析，目前国内外均是采用常规显微技术或X射线衍射手段，通过对界面的微观组织和结构进行分析来评定连接是否达到了完全结合，或者采用致使接头断裂的力学试验方式来测试连接界面强度，从而评定连接质量。这些表征或测试方法虽然有效，但前者费时、费力且成本高，而后者又对连接件造成破坏，特别是对工程上大尺寸连接件不具可行性。
相比传统的结合强度表征手段，我们发现开尔文探针技术通过精确测量金属合金界面的电子功函数可达到上述目标。该技术具有非接触、无破坏、直接测量、可在不同温度和不同压力甚至在液体环境下使用等许多优点，而且其设备操作简单，维护方便。
在电子功函数基础研究方面，科学家们早在60年代就从实验和理论上发现了金属表面的电子功函数强烈地依赖于金属的本征参数费米能，并会因晶体结构转变、缺陷形成及变形等发生改变。特别是，电子功函数与变形方式和应力状态存在一定的关联，对变形、屈服、断裂、弹塑应变/应力和应变速率等力学参量极为敏感，并且强烈地依赖于材料表面的键合状态、晶粒尺寸、裂纹、晶向和缺陷等内部结构。
在开尔文探针技术应用方面，科学家们通过测量表面电势差随时间的变化表征了在腐蚀环境中金属合金与其它粘合物表面结合的稳定性及寿命。通过研究表面处的微细结构的电子态，测量了表面结构情况，特别是异质表面的形貌、晶体结构以及存在的杂质、缺陷的类型和位置(如晶界和位错的密度、形状、类型等)等表面局域结构。
因此，开尔文探针技术可能是精确测量金属合金连接件界面结构进而有效表征界面结合强度的手段之一。本发明基于开尔文探针技术探索金属合金连接件界面结合强度的表征方法，可应用到各种飞行器部件与构件结合强度及其他任何连接界面质量的评估，同时也可间接应用到更广泛的航空航天材料检测与评价及制造工艺检测方面。
发明内容
本发明的目的在于用开尔文探针技术提供一种金属合金连接件界面结合强度的开尔文探针测量方法，该方法是用开尔文探针技术测量界面电子功函数的变化趋势，从而实现无损检测和评估金属合金连接件界面结合强度的方法。
本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为
(1)制备金属合金连接件可选用电弧焊、扩散连接焊，搅拌摩擦焊各种焊接工艺形成的金属合金连接件；
(2)金属合金连接件表面与界面清洁处理用水砂纸打磨金属合金连接界面区域，使其表面没有明显的划痕和吸附物；
(3)金属合金连接件的电子功函数测量经表面清洁处理后，利用开尔文探针系统选择对界面区域范围内的样品进行逐点扫描，重点测试两种材料连接界面处功函数的变化情况，每次测试选择固定的测试参数，以便后面对数据进行比较分析；
(4)将测得的连接界面处电子功函数的值和变化趋势进行比较分析，根据电子功函数的变化趋势确定电子功函数的相对变化值，从而评估连接件界面的结合强度，对于一个质量好的连接件，从一种材料通过界面过渡到另一种材料，其电子功函数的变化是平缓过渡， 而不应该出现突变情况，即一个质量好的连接件不会出现电子功函数的波峰和波谷。
本方法适用于检测各种连接件，包括金属与金属、金属与合金、合金与合金的连接件；
利用开尔文探针技术测试可以在不同的温度、湿度范围下工作，对研究相关金属合金材料在实际使用环境下的工作状态具有一定的实用价值。
本发明的优点是利用本方法实现了金属合金材料连接界面结合强度的非接触式无损检测；本方法只需对金属合金材料界面进行简单清洁处理，不需对材料进行切割、拉伸等破坏，操作简单；本方法只需要使用开尔文探针进行材料的功函数测量，成本较低，使用简单快捷，维护方便；本方法适用于各种金属合金连接件，而且可以在不同的温度、湿度范围下进行测量，具有较强的使用价值。
图1为本发明用开尔文探针评估金属合金连接件结合强度的工艺流程图。
图2为本发明测量的纯铜和不锈钢连接件在不同连接情况下界面电子功函数的变化趋势。
图3为本发明检测的纯铜和不锈钢连接件电子功函数检测结果与传统的拉伸强度结果的对比图。
具体实施方式
[0016]下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明
如图1为本发明利用开尔文探针评估金属合金连接件界面结合强度的工艺流程图。为了保证测试的准确性，本方法中需要对金属合金连接件的界面区域进行表面清洁处理，以去除表面的吸附物和杂质。本发明以纯铜和不锈钢的连接件为例，其具体实施方式
如下
一、在不同的工艺参数下焊接几个纯铜和不锈钢的连接件。由于工艺参数的不同，会导致界面连接质量的不同。
二、对连接件表面进行清洁处理，即首先分别用600目、1200目和2000目的砂纸打磨连接件，直到界面区域没有明显的污染物和划痕，然后分别用无水乙醇和丙酮清洗材料表面。
三、利用开尔文探针测试连接件界面处电子功函数的变化，即首先调节开尔文探针测试系统，设定好工艺参数，用仪器自带的标准连接件检测仪器的工作状态，使之处于正常工作状态，然而开始测试纯铜和不锈钢连接件界面处的电子功函数。在测试连接界面电子功函数过程中，根据仪器功能可设定扫描模式为线扫描或面扫描。
四、对测得界面处电子功函数的变化趋势进行分析，与标准的功函数值和变化趋势进行比较分析，从而实现对界面连接质量的评估。
五、为了检测本方法评估结合强度的有效性，对以上连接件进行传统的力学拉伸试验，测试其拉伸强度，与本方法探测的拉伸强度的变化趋势进行对比分析。
测试过程中或测试完成后，可以随时根据功函数的值和变化趋势直观地判断界面连接质量。图2为采用本发明方法测量的纯铜和不锈钢连接件在不同连接情况下界面电子功函数的变化趋势。图2中的曲线1是标准连接件界面附近5毫米范围内的电子功函数的变化趋势，可以看到界面区域电子功函数是连续变化的，没有突变；曲线2是对应拉伸强度达到220 MI^的连接件界面区域的电子功函数，由于焊接质量较好，接近于标准样品电子功函数的变化趋势；曲线3是对应拉伸强度为170 Mpa的连接件界面区域的电子功函数，由于焊接质量一般，导致界面区域存在缺陷和微小裂纹，引起了界面区域明显变宽和电子功函数的降低；曲线4是纯铜和不锈钢发生物理接触而没有焊接的界面，由于在显微结构中存在明显的空隙，导致电子功函数在界面区域明显的降低，而且存在由空隙引起的波谷。图 3为本发明系统检测的纯铜和不锈钢连接件电子功函数检测结果与传统的拉伸强度结果的对比图。图中，横轴为归一化的表面微观结构，其中0表示焊接界面完好，1表示仅仅发生物理接触的界面；左纵轴为采用传统的力学拉伸试验测得的拉伸强度，右纵轴是本发明中采用开尔文探针测量的电子功函数的相对变化值。从图中可以看到，拉伸强度越大，测得的电子功函数的相对变化值越小，表示越接近理想连接界面的情形。因此，通过与传统的力学拉伸强度数据相比，本发明中利用开尔文探针测量连接件界面电子功函数的方法更加简单便捷。本发明基于开尔文探针技术探索金属合金连接件界面结合强度的表征方法，可应用到各种飞行器部件与构件结合强度及其他任何连接界面质量的评估，同时也可间接应用到更广泛的航空航天材料检测与评价及制造工艺检测方面。
权利要求
1. 一种金属合金连接件界面结合强度的开尔文探针测量方法，其特征是方法步骤为(1)制备金属合金连接件可选用电弧焊、扩散连接焊，搅拌摩擦焊各种焊接工艺形成的金属合金连接件；(2)金属合金连接件表面与界面清洁处理用水砂纸打磨金属合金连接界面区域，使其表面没有明显的划痕和吸附物；(3)金属合金连接件的电子功函数测量经表面清洁处理后，利用开尔文探针系统选择对界面区域范围内的样品进行逐点扫描，重点测试两种材料连接界面处功函数的变化情况，每次测试选择固定的测试参数，以便后面对数据进行比较分析；(4)将测得的连接界面处电子功函数的值和变化趋势进行比较分析，根据电子功函数的变化趋势确定电子功函数的相对变化值，从而评估连接件界面的结合强度，对于一个质量好的连接件，从一种材料通过界面过渡到另一种材料，其电子功函数的变化是平缓过渡， 而不应该出现突变情况，即一个质量好的连接件不会出现电子功函数的波峰和波谷。
专利摘要
本发明涉及材料无损检测与性能测试技术领域：
，尤其涉及一种利用开尔文探针测量金属合金连接界面电子功函数来无损评估连接件界面结合强度的方法。其特征是利用开尔文探针技术表征连接件界面结合强度，其测试方法步骤为(1)制作金属合金连接件；(2)对金属合金连接界面进行表面抛光清洁处理；(3)调节开尔文探针技术参数，测试连接件界面处电子功函数的变化趋势；(4)与标准连接件电子功函数的变化规律进行比较，评估所测试的金属合金连接件的界面结合强度。根据需要，可与传统的力学拉伸实验进行比较，评估和量化电子功函数测量的准确性。本发明的主要特点是该检测方法借助于开尔文探针技术，具有非接触、无破坏、直接测量、可在不同温度和不同压力甚至在液体环境下使用等优点，是一种完全的无损检测技术。
文档编号G01Q80/00GKCN102426271SQ201110263923
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月7日
发明者李文, 欧军飞, 王法军, 薛名山, 谢娟 申请人:南昌航空大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan