Механічний контакт чистих металевих поверхонь.

Чисті металеві поверхні, приведені в дотик тиском, утворюють контакт. В окремих мікровиступах, завдяки локалізованим в них тискам, що перевищує межу текучості, поверхневі кристали зближаються на відстань порядку розмірів кристалічної решітки. Особливістю стану металевих кристалів у фізичному контакті є можливість миттєвого їх схоплювання і утворення тим самим безперервної кристалічної структури. На відміну від фізичного контакту механічний контакт являє собою роз'ємне з'єднання з товщиною граничних шарів від часток мікрометра до часток міліметра.

Зварювальний контакт - це будь який механічний, роз'ємний, перетворений в процесі зварювання в нероз'ємний фізичний.

 

Рис.2.2 Механічний контакт металевих деталей:

‑ Площа елементарного мікроконтакту, обумовлена розмірами та формою елементарних мікровиступів хвилі шорсткості;

- фактична площа дотику, що визначається сумою всіх n – элементарних мікровиступів

.

А_с – контурна площа контакту, в межах якої розміщені всі окремі елементарні мікроконтакти

А_а – номінальна площа, що визначається розмірами дотичних деталей (наприклад, для дотичних стержнів – це їхня площа перерізу).

Граничним значенням контурної площі контакту А_с буде номінальна площа А_а. Обчислення розміру контурної площадки контакту відбувається за формулою:

,

де - функція, що визначає залежність зміни площі контакту від прикладеного тиску функция та температури нагрівання металу навколо площі контакту ;

‑ коефіцієн, що має значення: 28 – для титану; 24 – для вуглецевої сталі; 13 – для дюралюмінію.

‑ температура плавлення матеріалу контактуючих поверхонь;

‑ абсолютна кімнатна температура, яку зручно приймати рівною 300К;

‑ границя текучості матеріалу поверхонь, що контактують.

В свою чергу, контурна площа А_с є граничною по відношенні до фактичної площі контакту А_r. При обчисленні фактичної площі контакту А_r необхідно враховувати температуру та деформаційні властивості металу в мікроскопічних маштабах:

,

де ‑ функція, що визначає залежність зміни фактичної площі контакту від діючого тиску та температури нагрівання навколо площі контакту ;

‑ коефіцієнт.

В холодному стані зі збільшенням стискаючої сили значно швидше зростає кількість мікроконтактів, але не не середні розміри площадок кожного з них.

Рисунок 2.3. Схеми контактування хвилястих та шероховатих металевих поверхонь.

В окремих випадках контактуючі поверхні настільки добре пришліфовуються одна до іншої, що контакт реалізується рівними, не хвилястими, а тільки шероховатими поверхнями (рис. 2.3 а).

Для умов зварюваного контакту, необхідно враховувати не тільки силу здавлювання, але і середню температуру в площині контакту. Прийнято моделювати шероховатість у вигляді пірамід з квадратною основою.

Рисунок 2.4 Моделювання шорсткості у вигляді пірамід з квадратною основою.

Тоді відносне зближення шорстких поверхонь визначається як:

.

Для пластичного холодного контактування зближення можна обчислити за формулою:

,

де Р – сила, що діє на контакт; ‑ границя текучості металу; А_с – контурна площа контакту, ‑ експериментальні коефіціенти, що залежать від методу обробки поверхонь.

 

2.1.1 Утворення фізичного контакту

Формування міцного зварного з'єднання відбувається з різною швидкістю в залежності від тієї енергії, яку можна концентрувати безпосередньо в контакті і в деякому обсязі металу навколо площини контакту. Взаємодіючі матеріали повинні бути спочатку зближені на відстань R1, відповідно до рівня фізичної взаємодії, обумовленї ван-дер-вальсовий силами (рис. 1.4)

13.2. Возникновение активных центров и образование очагов взаимодействия.

13.3. Объемное взаимодействие соединяемых материалов.

 

Рисунок 1.4 Зміна енергіїпри зближенні двох кристалів

1 – фізична адсорбція; 2- хімічна адсорбція

 

На відстані R₁, рівному 2 нм, виникає слабка хімічна взаємодію, заснована на молекулярних силах. Таке зближення в умовах зварювання тиском може бути досягнуто в результаті пластичної деформації металу. За цього енергетичні рівні зв'язку відповідають енергетичним рівням, характерним для фізичної адсорбції (Е₁ = 0,04-0,4 кДж / моль). Цей етап зварювання прийнято називати етапом утворення фізичного контакту.

Для розвитку подальшої взаємодії матеріалів, тобто утворення активних центрів і подальшого протікання топохімічних реакцій між з’єднуваними матеріалами, необхідна додаткова активація. Тільки після створення активних центрів з'являються передумови для взаємодії матеріалів на рівні активованої адсорбції, що відповідає розташуванню атомів на більш близькій відстані R₂, рівному 0,1- 0,3 нм, енергія зв'язку Е₂ = 200-400 кДж / моль. Енергетичний перехід від фізичної адсорбції до хемосорбції відбувається після подолання деякого порога, коли починається акт хімічної взаємодії, пов'язаний з усуспільненням електронів. При зварюванні тиском металів це - утворення металевого зв'язку, а при з'єднанні металів з неметалами - утворення іонного або ковалентного зв'язку.

Таким чином, процес взаємодії матеріалів можна умовно поділити на три послідовних процеси:

1) утворення фізичного контакту;

2) активація поверхонь, що з'єднуються і схоплювання;

3) об'ємне взаємодія з'єднування матеріалів.

Рисунок 1.5 Процес поступового формування єдиної кристалічної структури в області контакту

 

 

Рисунок 1.5 Процес поступового формування єдиної кристалічної структури в області контакту

Процес розвитку фізичного контакту залежить від ряду факторів, насамперед від стану контактних поверхонь, властивостей матеріалів, що вступають у контакт, умов термодеформаційного впливу на контакну пару.

В основу утворення фізичного контакту покладено критерій високотемпературної пластичної деформації в умовах інтенсивного нагрівання. Ця деформація характеризується швидкістю повзучості. За цього різні матеріали можуть мати рівні швидкості повзучості або при різних температурах, або при різних напружених, тому при зварюванні різнорідні матеріали знаходяться в неоднакових умовах і передбачається, що фізичний контакт між ними буде утворюватися в результаті деформації більш пластичного матеріалу.

Відповідно до цієї моделі фізичний контакт утворюється внаслідок згладжування мікронерівностей. Мікровиступи розглядається у вигляді конуса (рис 1.6).

Рисунок 1.6 Схема утворення фізичного контакту в результаті деформації мікровиступів під дією стискаючого зусилля.

Рисунок 1.6 Схема утворення фізичного контакту в результаті деформації мікровиступів під дією стискаючого зусилля

Де L_k – довжина твірної конуса; L₀ - довжина основи мікровиступу; t_ф – час зглажування

Швидкість зглажування:

,

Де L_k – довжина твірної конуса; L₀ - довжина основи мікровиступу; t_ф – час зглажування.

 

Час зглажування:

 

,

де A - коефіціент, що залежить від обробки поверхонь; B – частотний множник; p – прикладений тиск; m – коефіціент; E – енергія активації; k – стала Больцмана; T – температура.

Після зближення поверхонь, що з'єднуються на відстань, відповідну виникненню молекулярної взаємодії на етапі утворення фізичного контакту, тобто сил фізичної адсорбції, може послідувати активація поверхонь, що з'єднуються, яка веде до хімічної (валентної) взаємодії, яку ще називають схоплюванням матеріалів. Схоплювання - це бездифузійний процес, з яким часто зустрічаються в техніці при терті де він носить небажаний характер. При зварюванні, навпаки, цей процес багато в чому визначає умови формування надійного з'єднання, тому його прагнуть спровокувати з найменшими енергетичними затратами.

Схоплювання відбувається на активних центрах, природа яких для різних матеріалів може бути різною. В якості активних центрів можуть виступати поверхневі дефекти, наприклад, виходи дислокацій в кристалічних матеріалах, домішкові атоми, зародкові поверхневі мікротріщини в аморфних матеріалах. Ювенільну поверхню металів можна також розглядатися як активовану поверхню.

При зварюванні тиском кристалічних матеріалів процес взаємодії реалізується на активних центрах, природа яких може бути пов'язана з пластичною деформацією приконтактних поверхонь. Активні центри - це поля пружних спотворень, що виникають у місцях виходу в зону контакту дислокацій і їх скупчень або пачок ковзання в навколишніх деформаційних виступах. В межах активних центрів може відбуватися розрив старих та встановлення нових валентних зв'язків між поверхневими атомами з'єднуваних матеріалів. Умовно модель активного центру в місцях виходу на поверхню дислокацій можна представити у вигляді поля пружних спотворень.

Рисунок 1.7 Модель активного центру, утвореного при виході дислокації в зону фізичного контакту:

1 - крива зміни енергії в зоні дислокації; 2 - середній енергетичний рівень атомів; 3 - ядро ​​дислокацій; 4 - атоми кисню; 5 - атоми металу; 6 - дислокації довжиною 2r; u - енергетичний бар'єр.

 

Чисто дислокаційний механізм активації здійснюється при низьких температурах для пластичних металів. Зі збільшенням температури зростає її внесок у активаційний процес. З підвищенням температури підвищується швидкість руху дислокацій і частота їх виходу в зону фізичного контакту, а також зменшується міцність зв'язків між атомами металу і кисню в оксидному або хемосорбірованном шарі. Таким чином знижується потенційний енергетичний бар'єр U.

Термодеформаційні умови, створювані при з'єднанні матеріалів у твердому стані, забезпечують активацію поверхонь при виході на них дислокацій. Поряд з цим можуть здійснюватися й інші механізми активації, наприклад, пов'язані з дисоціацією, сублімацією, відновленням і розчиненням поверхневих шарів оксидів. Роль кожного механізму активації залежить, насамперед, від особливостей технологічного процесу зварювання і природи з'єднуються матеріалів.

Об'ємне взаємодія металевих матеріалів призводить до усунення в результаті дифузії фізичних і хімічних недосконалостей в будові металу в зоні стику, утворенню спільних зерен в контакті, релаксації внутрішніх напружень. Дані процеси призводять до усунення неоднорідностей і зниження внутрішніх напружень, тобто до вирівнювання характеристик з'єднуються металів. При з'єднанні однойменних металів об'ємне взаємодія завжди покращує експлуатаційні характеристики з'єднання.

Характер об'ємного взаємодії при зварюванні різнорідних металів визначається діаграмою стану. У цьому випадку можливе утворення перехідної зони, що складається з необмежених твердих розчинів, обмежених твердих розчинів, інтерметалідів або евтектоід. Під час формування з'єднання металів з неметалами в зоні зварювання за рахунок об'ємного взаємодії також можливе утворення нових фаз у вигляді силікатів, алюмінатів, а також інших продуктів взаємодії. Якщо з'єднуються метали в зоні зварювання утворюють тендітні перехідні шари, то процес об'ємного взаємодії необхідно контролювати і обмежувати. При цьому процес схоплювання є не тільки необхідним, але і достатнім для утворення зварного з'єднання, проте зварні з'єднання не володіють високими в'язкістю і пластичністю. Зварку подібних різнорідних металів, а також металів з неметалами проводять при таких енергетичних параметрах процесу, які виключають можливість небезпечного розвитку дифузійних процесів.

Умови отримання якісного з'єднання, коли завершення зварювання має характеризуватися схоплюванням контактних поверхонь, записуються наступним чином

;

,

де tВ - тривалість взаємодії, що визначається тривалістю дії стискаючих напруг на зварювані матеріали; tc - тривалість процесу схоплювання атомів контактируемих поверхонь по всій площі з'єднання; tр - тривалість релаксації напружень в зварюються металах до рівня менше критичного; tи - тривалість інкубаційного періоду утворення термодинамічно сталого зародка нової тендітної фази; tн - тривалість контактування поверхонь при постійній температурі вище (0,4 0,5) Tпл; tох - тривалість охолодження зони з'єднання після зварювання до температури нижче або рівній 0,4 Tпл.

Тривалість інкубаційного періоду tи освіти термодинамічно сталого зародка нової фази визначається природою зварюваних матеріалів і температурою.

Для підвищення механічних властивостей необхідно освіту в зоні з'єднання загальних зерен, тому що в противному випадку стик буде ослаблений безперервним ланцюжком кордонів вздовж площини. Утворення нових зерен в результаті розвитку рекристалізації може забезпечити найбільш надійне сполучення в перехідному шарі зварного з'єднання.

Рекристалізація - процес підвищення структурної досконалості і зменшення вільної енергії металів і сплавів в межах фази, совершающейся шляхом виникнення і руху або тільки рухи кордонів з великими кутами разориентация. Процес кристалізації полягає в заміні одних зерен іншими тієї ж фази, але з меншою енергією.

 

 

Контрольные вопросы:

1. На какие стадии можно разделить процесс взаимодействия материалов?

2. Какие процессы происходят при образовании физического контакта?

3. Какие процессы происходят привозникновении активных центров и образовании очагов взаимодействия?

4. Какие процессы происходят при объемном взаимодействии?