Лекция №13. Основы взаимодействия материалов при сварке давлением.

 

13.1.Образование физического контакта.

13.2. Возникновение активных центров и образование очагов взаимодействия.

13.3. Объемное взаимодействие соединяемых материалов.

 

Формирование прочного сварного соединения происходит с различной скоростью в зависимости от той энергии, какую можно концентрировать непосредственно в контакте и в некотором объеме металла вокруг плоскости контакта. Взаимодействующие материалы должны быть первоначально сближены на расстояние R₁, соответствующее уровню физического взаимодействия, обусловленного ван-дер-вальсовыми силами (рис. 13.1.)

Рис. 13.1. Изменение энергии при сближении двух кристаллов:

1 – физическая адсорбция; 2 – химическая адсорбция.

На расстоянии R₁, равном 2‑4 нм, возникает слабое химическое взаимодействие, основанное на молекулярных силах. Такое сближение в условиях сварки давлением может быть достигнуто в результате пластической деформации металла. При этом энергетические уровни связи соответствуют энергетическим уровням, характерным для физической адсорбции (Е₁=0,04-0,4 кДж/моль). Этот этап сварки принято называть этапом образования физического контакта.

Для развития дальнейшего взаимодействия материалов, т.е. образования активных центров и последующего протекания топохимических реакций между соединяемыми материалами, необходима дополнительная активация. Только после создания активных центров появляются предпосылки для взаимодействия материалов на уровне активированной адсорбции, что соответствует расположению атомов на более близком расстоянии R₂, равном 0,1-0,3 нм, энергия связи Е₂=200-400 кДж/моль. Энергетический переход от физической адсорбции к хемосорбции происходит после преодоления некоторого порога, когда начинается акт химического взаимодействия, связанный с обобществлением электронов. При сварке давлением металлов это – образование металлической связи, а при соединении металлов с неметаллами – образование ионной или ковалентной связи.

Таким образом, процесс взаимодействия материалов можно условно подразделить на три последовательных процесса:

1) образование физического контакта;

2) активация соединяемых поверхностей и схватывание;

3) объемное взаимодействие соединяемых материалов.

Подразделение процесса взаимодействия является в определенной степени условным, поскольку в различных ситуациях будут наблюдаться опережение или отставание одного процесса от другого.

Рис. 13.2. Процесс постепенного формирования единой кристаллической структуры в области контакта.

 

Образование физического контакта.

 

Процесс развития физического контакта зависит от ряда факторов, прежде всего от состояния контактируемых поверхностей, свойств материалов, вступающих в контакт, условий термодеформационного воздействия на контактируемую пару.

В основу образования физического контакта положен критерий высокотемпературной пластической деформации в условиях интенсивного нагрева. Эта деформация характеризуется скоростью ползучести. При этом различные материалы могут иметь равные скорости ползучести либо при различных температурах, либо при различных напряжениях, поэтому при сварке разнородные материалы находятся в неодинаковых условиях и предполагается, что физический контакт между ними будет образовываться в результате деформации более пластичного материала.

Согласно этой модели физический контакт образуется вследствие сглаживания микронеровностей. Микровыступ рассматривается в виде конуса (рис. 13.3.)

Рис. 13.3. Схема образования физического контакта в результате деформации микровыступов под действием сжимающего давления.

Скорость сглаживания:

,

где L_к – длина образующей конуса; L_o – длина основания микровыступа; t_ф – длительность сглаживания.

Длительность сглаживания:

,

где А – коэффициент, зависящий от обработки поверхностей; В – частотный множитель; р – приложенное давление; m – коэффициент, обычно m=4-5; Е – энергия активации; k – постоянная Больцмана; Т – температура.

 

13.2. Возникновение активных центров и образование очагов взаимодействия.

 

После сближения соединяемых поверхностей на расстояние, соответствующее возникновению молекулярного взаимодействия на этапе образования физического контакта, т.е. сил физической адсорбции, может последовать активация соединяемых поверхностей, приводящая к химическому (валентному) взаимодействию, которое еще называют схватыванием материалов. Схватывание – это бездиффузионный процесс, с которым часто встречаются в технике при трении. В этом случае он носит нежелательный характер. При сварке, наоборот, этот процесс во многом определяет условия формирования надежного соединения, поэтому его стремятся спровоцировать с наименьшими энергетическими затратами.

Схватывание происходит на активных центрах, природа которых для различных материалов может быть различной. В качестве активных центров могут выступать поверхностные дефекты, например, выходы дислокаций в кристаллических материалах, примесные атомы, зародышевые поверхностные микротрещины в аморфных материалах. Ювенильная поверхность металлов может также рассматриваться как активированная поверхность.

При сварке давлением кристаллических материалов процесс взаимодействия реализуется на активных центрах, природа которых может быть связана с пластической деформацией приконтактных поверхностей. Активные центры – это поля упругих искажений, возникающих в местах выхода в зону контакта дислокаций и их скоплений или пачек скольжения в окрестных деформационных выступах. В пределах активных центров может происходить разрыв старых и установление новых валентных связей между поверхностными атомами соединяемых материалов. Условно модель активного центра в местах выхода на поверхность дислокаций можно представить в виде поля упругих искажений.

Рис. 13.4. Модель активного центра, образованного при выходе дислокации в зону физического контакта:

1 – кривая изменения энергии в зоне дислокации; 2 – средний энергетический уровень атомов; 3 – ядро дислокаций; 4 – атомы кислорода; 5 – атомы металла; 6 – дислокации длиной 2r; u – энергетический барьер.

 

Чисто дислокационный механизм активации осуществляется при низких температурах для пластичных металлов. С увеличением температуры возрастает ее вклад в активационный процесс. С повышением температуры повышается скорость движения дислокаций и частота их выхода в зону физического контакта, а также уменьшается прочность связей между атомами металла и кислорода в оксидном или хемосорбированном слое. Таким образом снижается потенциальный энергетический барьер U.

Термодеформационные условия, создаваемые при соединении материалов в твердом состоянии, обеспечивают активацию поверхностей при выходе на них дислокаций. Наряду с этим могут осуществляться и другие механизмы активации, например, связанные с диссоциацией, сублимацией, восстановлением и растворением поверхностных слоев оксидов. Роль каждого механизма активации зависит, прежде всего, от особенностей технологического процесса сварки и природы соединяемых материалов.