Образование сварного соединения

Анизотропия свойств металлов

Нетрудно видеть, что плотность расположения атомов по различным плоскостям (так называемая ретикулярная плотность) неодинакова. Так, плоскости (100) в ОЦК решетке принадлежит лишь один атом ((1/4) ´ 4), плоскости ромбического додекаэдра (110) – два атома: один атом вносят атомы, находящиеся в вершинах [(1/4) ´ 4], и один атом в центре куба. В ГЦК решетке плоскостью
с наиболее плотным расположением атомов будет плоскость октаэдра (111),
а в ОЦК решетке – плоскость (110).

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (химические, физические, механические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Кристалл – тело анизотропное, свойства которого зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы по отношению друг к другу; поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является псевдоизотропным. Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллиты имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, но не полностью (например, в результате значительной холодной деформации); в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.

Для соединения двух металлов должно иметь значение соответствие их кристаллического строения и размеров атомов. Лучшие условия для совмещения атомов и установления общности кристаллического строения соединяемых металлов, т.е. для их сварки будут в том случае, если у них будут одинаковыми кристаллические решетки, близкими параметры соединяемых решеток и размеры атомов.

2. Условие образования сварного соединения
и его строение

Все существующие методы сварки и пайки можно рассматривать как технологические приемы установления межатомных связей на границах раздела соединяемых элементов.

Для образования химических связей частицы вещества должны быть сближены на расстояние, близкое к «длине связи», – расстояние между центрами атомов (молекул) в химическом соединении или в кристаллической решетке.
В кристаллических решетках металлов длина связей находится в пределах (2,4…5).10^{–8 см. Физические связи длиннее и составляют (5…10). 10–8 см.
При расстоянии между частицами более 10–7 см химические и} физические связи практически отсутствуют.

Сближение частиц поверхностей контакта соединяемых материалов – необходимое, но недостаточное условие сварки. Притяжение между частицами при их сближении на длину связи будет устойчивым только в том случае, если высвобождающая при этом энергия будет отведена от частиц. При сварке это условие соблюдается, так как обмен энергии между частицами жидкого или твердого металла протекает с большой скоростью.

Образование химической связи сопряжено с перестройкой электронных оболочек соединяющихся частиц и возможно в том случае, если частицам извне сообщена избыточная энергия активации, необходимая для разрыва пересыщенных связей поверхностных атомов, преодоления силы отталкивания и т.д. Активация частиц – второе дополнительное условие образования химической связи при сварке.

Смысл этого процесса можно пояснить следующим образом. Любое устойчивое состояние системы может быть изображено потенциальной лункой
(рис. 6). Переход от одного устойчивого состояния А в другое устойчивое состояние Б, даже с меньшей энергией, приходящейся на один атом, возможен при условии преодоления некоторого максимума, (энергетического барьера), величина которого и называется энергией активации процесса (например, для перехода из состояния А в состояние Б необходима энергия активации Е_АБ,
а для обратного перехода из состояния Б в состояние А – энергия активации Е_БА.). Требуемая энергия может быть сообщена системе (сварному соединению) в виде теплоты (термическая активация) или упругопластической деформации
(механическая активация). Роль механической и термической активации в разных сварочных процессах различна. При холодной сварке, сопровождающейся большой пластической деформацией, роль механической активации велика, в то же время при диффузионной – второстепенна. Образование сварного соединения возможно без приложения усилия, только за счет термической активации и местного расплавления металла.

Рис. 6. Изменение энергии системы в зависимости от ее состояния

Процесс активации частиц поверхностей свариваемых материалов сложен. Энергия активации является интегральной величиной, характеризующей все силы, которые препятствуют образованию химических связей. Главным препятствием для их образования служит слой химически связанных с поверхностными частицами металла инородных атомов, прежде всего атомов кислорода (хемосорбированный слой).

Реальные поликристаллические тела не имеют идеально гладких поверхностей. Для создания физического контакта, т.е. для сближения атомов на длину химической связи, необходима взаимная деформация свариваемых тел, подведение к ним энергии.

В общем случае условиями образования сварного соединения являются:

- предварительная очистка поверхностей от пленок инородных веществ;

- создание физического контакта;

- активация частиц контактирующих поверхностей;

- образование прочных химических связей;

- развитие диффузионных процессов с массопереносом через сформировавшуюся границу.

Способ достижения физического контакта, средства, используемые для разрушения хемосорбированного слоя, и технические приемы осуществления процесса сварки характеризуют способы сварки металла, которые могут быть разделены на три класса.

1. Сварка плавлением. К этому классу относятся виды сварки, характеризующиеся расплавлением некоторой части соединяемых металлов и последующим затвердеванием жидкого металла с образованием соединительного шва. Физический контакт достигается при смачивании жидким металлом оплавленных кромок. Благодаря высокой температуре одновременно со смачиванием образуются и химические связи. Образование общей сварочной ванны – основной этап формирования соединения. Именно тогда появляется сквозная межатомная связь.

2. Пайка – класс процессов сварки, при которых зазор между твердыми (обычно подогретыми) металлами заполняется жидким, более легкоплавким металлом – припоем. Физический контакт достигается смачиванием припоем соединяемых поверхностей. Наличие хемосорбированного слоя затрудняет смачивание. Для его удаления используют флюсы, нагрев в вакууме и т.д. Активация частиц соединяемых металлов осуществляется нагревом. Химические связи образуются в момент смачивания поверхностей припоем.

3. Сварка в твердом состоянии (без расплавления) объединяет разновидности сварки, в процессе которых производится совместная пластическая деформация металлов в месте их соединения с предварительным подогревом или без него. Физический контакт достигается путем сминания неровностей на контактирующих поверхностях. Разрушение хемосорбированного слоя, активация частиц осуществляются пластической деформацией и нагревом (при сварке с подогревом) и только пластической деформацией (при сварке без подогрева). Активация достигается при пластической деформации за счет выхода на поверхность дислокаций с повышенной свободной энергией. При этом происходит электронный обмен между атомами соединяемых поверхностей и устанавливаются прочные ковалентные или металлические связи с образованием неразъемного сварного соединения.

Дата добавления: 2014-01-04