Материал: Технологические основы современных способов сварки. учебное пособие. Пешков В.В., Коломенский А.Б

ных» электронов, оказывающим стягивающее действие.

Все атомы, ионы и молекулы испытывают слабое взаимное притяжение друг к другу, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Источником этих сил является поляризационный эффект, вызываемый влиянием поля электронов, движущихся вокруг ядра одного атома, на движение электронов вокруг ядра соседнего атома. Вандерваальсова связь является наиболее универсальной, она возникает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии связи ионных и ковалентных кристаллов. Энергия металлической связи по порядку величины сравнима с энергией связи ионных и ковалентных кристаллов, но все же меньше последней в несколько раз.

Все твердые тела сопротивляются как деформации растяжения, так и деформации сжатия, то есть между частицами твердого тела действуют как сила притяжения, так и сила отталкивания. При некотором расстоянии между частицами эти силы уравновешивают друг друга, что и соответствует равновесному состоянию кристалла.

Результирующая P сил отталкивания P от и притяжения

Pпр может быть приближенно описана выражением

P = Pот + Pпр = a/rn+1 – b/rm+1,

где a и b – постоянные значения; r – расстояние между частицами; m и n – постоянные, зависящие от физической природы действующих сил и вида кристалла; m < n , поэтому с уменьшением расстояния силы отталкивания возрастают быстрее сил притяжения. Графические зависимости сил взаимодействия частиц от расстояния между ними приведены на рис. 2.1.

При r = r 0 равнодействующая сила равна нулю. Сумма р- ная потенциальная энергия взаимодействия двух частиц U оп-

ределяется формулой

U = A/rn – B/rm,

где A = a/n; B =b/m. При r = r0 потенциальная энергия взаимодействующих частиц минимальна.

36

Рис. 2.1. Зависимость сил взаимодействия частиц от расстояния между ними

Для понимания процесса образования соединения рассмотрим результаты анализа схватывания на идеализированных моделях (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Идеализированные схемы схватывания

37

При сближении в вакууме двух монокристаллов одного и того же вещества, с одинаково ориентированными кристаллографическими осями и с абсолютно ровными и ювенильными поверхностями (рис.2.2,а), между ними возникают силы межмолекулярного притяжения – силы Ван-дер-Ваальса.

Дальнейшее сближение монокристаллов под действием этих сил пойдет самопроизвольно и будет сопровождаться уменьшением потенциальной энергии системы по кривой 1 (рис. 2.3).

На некотором расстоянии r начнется перекрытие стабильных электронных оболочек поверхностных атомов, и появятся быстрорастущие силы отталкивания. При r1>a (a - период кристаллической решетки) результирующая сила станет равной нулю, и потенциальная энергия системы достигнет минимального значения.

Этот процесс термодинамически оправдан снижением энергии системы. Прочность сцепления двух кристаллов в этом положении обусловливается значением энергии связи E1, которая относительно невелика и составляет всего 0,8 - 8,0 кДж/моль (энергия металлической связи, например у железа, составляет 395 кДж/моль).

Образование такого типа связи, применительно к рассматриваемой модели, можно трактовать как установление физического контакта между соединяемыми поверхностями.

При дальнейшем сближении поверхностей соединяемых кристаллов результирующая сила будет действовать как отталкивающая. Если, преодолевая эти силы, продолжать сближать атомы поверхностей, то потенциальная энергия системы будет изменяться по левой части кривой I в направлении точки А и далее. В точке А между атомами двух поверхностей начнутся процессы электронного взаимодействия, и дальнейшее сближение кристаллов будет сопровождаться уменьшением энергии системы по кривой 2.

38

Рис. 2.3. Зависимость потенциальной энергии Е двух кристаллов от расстояния между ними r

Энергия Ea, необходимая для перевода системы в состояние химического взаимодействия, называется энергией активации. Она расходуется на изменение устойчивого энергетического состояния поверхностных атомов.

В результате сближения поверхностей на расстояние r2 = a и установления между атомами соединяемых поверхностей химических связей система достигает минимума потенциальной энергии E2 и переходит в равновесное состояние. Граница раздела между двумя монокристаллами исчезает, так как атомы соединяемых поверхностей образуют энергетически устойчивые конфигурации электронов, присущие атомам внутри кристалла, происходит схватывание (сварка). Термодинамически такой процесс оправдан снижением свободной энергии системы на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

При сближении двух идеальных монокристаллов с узла-

ми решетки, взаимно смещенными на некоторую величину ∆≤ 0,5a (рис. 2.2, б), в результате схватывания смещенные монокристаллы объединятся с образованием границы, на которой правильное кристаллическое строение нарушится. Создание такой границы потребует затраты энергии Erp, связанной с упругим искажением решетки. Однако величина Erp значительно меньше, чем 2Eп (Eп - свободная энергия поверхности), и про-

39

цесс схватывания термодинамически вероятен, так как он ведет к уменьшению свободной энергии системы на величину

∆E = 2Eп – Erp .

При сближении идеальных монокристаллов разнородных

материалов (a1≠a2) и реализации процесса схватывания образуется граница, на которой возникнут краевые дислокации (рис.2.2, в), приводящие к увеличению энергии границы на

∆Erp. С точки зрения термодинамики способность к схватыванию (сварке) разнородных металлов должна увеличиваться, если они взаимно растворимы или дают устойчивые химические соединения, так как в этом случае всегда уменьшается свободная энергия системы.

Таким образом, для металлов процесс схватывания сопровождается уменьшением свободной энергии системы и термодинамически выгоден. Однако принципиальная возможность схватывания еще не означает, что всегда можно получить работоспособное сварное соединение.

Соединение металлов осуществляется по их поверхностям, поэтому состояние контактных поверхностей играет очень важную роль в получении качественного сварного соединения.

Реальные металлические тела существенно отличаются от рассмотренных выше идеальных кристаллов. Их поверхности, представляющие собой сложные системы, можно охарактеризовать геометрией рельефа и физико-химическим состоянием.

После механической обработки на поверхности металлов появляется макроскопическая (волнистость) и микроскопическая (шероховатость) геометрическая неоднородность. Микровыступы располагаются на волнистой поверхности, шаг которой может составлять от 1000 до 10000 мкм. Высота микровыступов в зависимости от способа обработки поверхности имеет следующие значения (мкм):

40