Ni-Cr∕陶瓷连接界面残余应力有限元分析.pdf

第33卷第2期
焊接学报
Vol 33 No. 2
2 0 1 2 F 2 A TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION February 2012
Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力有限元分析
朱松,周振平2,郵小明
(1.吉林大学口腔医学院口腔修复科,长春130021;2.吉林大学机械科学与工程学院,长春130022;
3.吉林大学材料科学与工程学院,长春130022)
摘要:采用有限元法分析Ni-Cr合金与陶瓷连接冷却过程中界面残余应力形成的大
小和分布特征结果表明,Ni-Cr合金与陶瓷存在较大的线膨胀系数差,在界面间会产
生较大的残余应力,并因为边缘效应在拐角处产生应力集中,残余应力最大值出现在
Ni-Cr/陶瓷界面的近瓷侧,可达131MPa.Ni-Cr/陶瓷界面残余应力o.较大值出现在
Ni-C/陶瓷界面近瓷側的狭小区域内,剪应力。的较大值出现在金/瓷界面,向合金和
陶瓷两侧递减.采用钛中间层缓解了Ni-Cr/陶瓷界面残余应力,使残余应力向钛中间
层转移,残余应力σ,较大值出现在钛中间层,剪应力ァ最大值出现在Ni-Cr/Ti界面;
随着钛中间层厚度増加,界面残余应力o增大,剪应力ァ。变化不大
关键词:Ni-Cr合金;陶瓷;残余应力;有限元;钛中间层
中图分类号:TCA425.2文献标识码:A文章编号:0253-360X(2012)02-0045-04
朱松
0序言
作如下假设
(1)Ni-Cr合金与陶瓷连接界面是连续和完全
Ni-CGr合金与陶瓷材料间存在较大的线膨胀系接触,忽略界面反应,边界按理想规则形状计算.
数差,经高温烤瓷冷却过程中导致金/瓷界面产生较
(2)在金属烤瓷修复体冷却过程中,温度场均
大的残余应力,并水久保留在金属烤瓷修复体内的匀与外界环境一致,只考虑始末两态
应力,对金/瓷界面结合强度影响较大].近年
(3)金/瓷接触界面的尺寸相对于金属和陶瓷
来,倍受关注的界面残余应力诱发的应力集中是导的厚度尺す要大得多,把问题简化成平面应变问题
致修复体制作过程中失败的主要原因越来越受到研
(4)假定整个烤瓷系统最初所处的高温烤瓷状
究者重视,认为残余应力是影响界面结合强度重要态为应力自由状态
因素之
4,5
烤瓷金属与陶瓷材料的线膨胀系数、弹性模量
有限元法是伴随计算机软件、硬件技术发展起泊松比和玻璃态转变温度等对NiCr/陶瓷界面残余
来的机构分析法,在材料连接界面残余应力的分析应力的影响较大,如表1所示表2为烤瓷工艺参
中已经得到应用?.有限元法可分析出界面处残余数在烤瓷冷却过程中(烤瓷温度≤585℃),瓷粉由
应力的变化趋势,也可进行量化分析结果.采用熔融状态(即应力为零状态)逐渐冷却至室温,呈固
ALGOR R13作为软件平台,分析了Ni-Cr合金与陶态.冷却过程中因合金与陶瓷材料的线膨胀系数不
瓷连接界面及采用金属中间层的界面残余应力形成同产生,并永久保留在金属烤瓷修复体内的应力,对
的大小和分布特征.
金/瓷界面结合强度影响较大
1试验方法
表1材料的主要性能
Table 1 Main properties of materials
1.1简化与假设
线膨胀系数弹性模量泊松比玻璃态转变温度
根据Ni-Cr合金与陶瓷连接时界面的实际情况
a,/10-K-IE/Gpa
T/℃
Ni-Cr合金
1690.30
遮色瓷
12.2
830.30
收稿日期:2011-08-2
体瓷
13.3
0.31
585
基金项目:吉林省科技发展基金资助项目(2050511)
钛
8.5
106
0.34
万方数据
46
焊接学报
第33卷
表2烤瓷工艺参数
Table 2 Firing technological parameters
起始温度
预热时间
升温速度
烤瓷温度
烤瓷时间
真空度
烤瓷过程
冷却
T/℃
ty /min
u/(℃?min)
T2/℃
p/hpa
方式
遮色瓷(1)
2.5
空冷
遮色瓷(2)
空冷
体瓷
60
990
5
50
空冷
基于以上假设和分析,为简化模型和抓住问题得异常复杂.在裂纹前方的界面上有正应力和剪应
的主要方面,计算转化成线弹性有限元分析.
力,在裂纹面上既有张开位移又有滑开位移,因此
1.2建立模型和划分网格
Ni-Cr/陶瓷界面断裂属于含有Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂
采用线性有限元程序 ALGOR R13作为有限元模的复合断裂,该复合断裂包含两种应力强度因子
拟软件环境.根据试验实际情况,几何模型的尺寸为(K).界面断裂力学复合应力强度因子的模式混合
Ni-Cr合金10mmx15mmx1.0m,遮色瓷10mmx度指界面裂纹I型和Ⅱ型的相互作用程度,
10mmx0.2mm,体瓷10mmx10mmx0.9mm
文献[7]中建立了双材料界面裂纹扩展的有限元计
针对连接界面的结构特点,有限元网格的划分算模型,得出了K1的绝对值>K的绝对值.因此,
选用8节点立方体实体单元.有限元实体模型的网Ni-Cr/陶瓷界面裂纹断裂的过程中,张开型断裂趋
格划分如图1所示,采用钛中间层的有限元实体模向要比滑开型断裂趋向大,说明σ对界面裂纹的产
型采取网格局部细分.
生起主导地位,r,对界面裂纹的扩展起促进作用
图2是Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力分布的有
限元分析结果.由图2可见,金/瓷界面近Ni-Cr合
金侧的O.为拉应力,整个界面分布均匀,沿着垂直
界面方向向金属侧逐渐减小;瓷层内部受压应力,沿
着垂直界面方向向瓷侧逐渐减小并逐渐转为拉应
力.剪应力r分布均匀,如图2b所示
0.0003.476mm6.95110.427
(a)宏观
e2bR
0.0004.382mm8.76513.147
(a)z方向应力分布云图
0.0000.658mm1.3151.973
(b)局部放大
图1有限元分析网格划分
Fig 1 Mesh used for residual stress by finite element a
0.0004.394mm8.78713,181
nalvsis
b)zx方向应力分布云图
2计算结果与讨论
图2Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力分布
Fig 2 Residual stress distribution in Ni-cr/porcelain in
2.1Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力分析
terface
Ni-Cr/陶瓷界面断裂属于双材料界面断裂,由
于其两侧合金和陶瓷材料性质不同,使界面断裂变
由等效应力分布可知,残余应力较大区域分布
万方数拈