Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов

Подождите немного. Документ загружается.

Рцс.

14змененце

поп!енц!1а]1ьной

энерешш

завш-

с[!мос1т!!]

о!т|

расспоян!1й

меэ:с0ц

ап!омамш

ние

сварка

[€а'|Б39

ото)кдествлять

и3-

за

их

ра3номасштабности'

Бдининное

схвать1вание

мо>кно

рассматривать

как

начальную

стадию

сварного

соедине-

ия

которая

дол)кна

бьтть

распростране_

на

всю

номинальную

поверхность

или

Аля

получения

соединения-двух

мет;ллов

необходимо

сблизить

их

на

расстояние'

достаточное

для

установления

}стой_

;;;;;'|;р;;''';,1'.й,."

ме)кду

атомами

этих

;еталлов.

при

этом

энергия

взаимодеиствия

меж.йу

атомами

должна

бьтть

минимальна

(однако'она

.не

"й;'

Ё']#и-."'бодной

энергии

равновесной

по

крайней

мере

на

ее

боль1пую

_"?!]1_

т5,

структурьт):

где

свободная

энергия;

внутренняя

энергия

системь1;

температура;

энтропия'

8сли

атомьт

находятся лруг

от

друга

именно

на

таком

расстоя_

нии'

то

они

предст',.,,'"^собой

йаиболее

устойнивую

систему'

так

как

увеличение

или

умень1пение

ме)катомньтх

расстояний

при-

ведет

увеличению

энергии

"*'"'*,й

взаимодёйствия

(рис'

2)'

3ту

схйу

мох{но

реаЁи.овать

исуючительнь1х

случаях'

на_

пример

при

соприкосно,"нии

двух

металлических

образшов'

име-

ющих

ювенильнь1е

г1оверхности,

сверхвь1соком

в11{уу.е'

разливнь:х

условиях

процесс

соединения

3начительно

сло)к'

нее'

поскольку

реальная

пойерхность

твердого

тела'

как

бьт

тща-

'"'!,'

она

"и

б*ла

обработанЁ,

имеет

микронеровности_и-[шерохо-

;;;;;'прй

ф,о''ке

наивьтсшей

точностью

со3даются

микро'

1пероховато"',

р',*'Ёр;;0;':г

й**,

е'..(0'3+_:)

:_о-]

^су,

кон-

тактах

двух

металлйческих

поверхност'й

_д'}г.':.,",*9}1''*,,'*

сил

притя)кения

начинается

на

расстояниях

_5)

10_,

см'

€ле-

довательно'

соприкоснове11ие

под

маль1м

давлением'

без

заметнь:х

пластических

деформаций,

приводит

}

атомному

взаимодействию

ли1шь

'"д.,,,,,*'

йй.р',,'ё'упах'

за3орах

устанавливаются

только

адге3ионнь!е

свя3и

ме)кду

металлом

газовьтми

или

>1<ид'

костнь1ми'''**у','й

адсорбшионньтх

наслоений'

имеющихся

на

поверхности

металла

[34,

83].

!'ля

осушествления

ра3витого

схвать1вания'

дальнейшем

сваривания

необйдийо

воздействие

либо

вь|сокого

давления'

при которо*

'"''''_[й..'''р''

объеме

вокруг

поверхности

кон_

такта

дол)кен

бь:ть

доведен

до

,'''"й'"^й|

деформат\ий'

либо

"'!р-,!'

которьтй

приводит

увеличению

активности

подви)к-

ности

частиц

кристаллической

р..".'{й

!р"

'д"''ременцом

дей'

ствии

некоторого

давления'

Фба

прошесса

(пластинеское

деформирование

и нагрев)

со3дают

такую

общую

концентрацию

энергии

в 3оне

свариваемо-го

кон-

такта'

которая'

по

определению

академика

|!. А.

Ребиндера,

обеспечивает

перестройку

поверхностнь1х

слоев

контактирующих

твердьтх

тел' а

так)ке

более медленнь1е

вторичнь1е

процессь1

в3а-

ттмной

диффузии,

рекристаллиза1\||и

другие

процессь|'

проте_

кающие

у)ке

самопрои3вольно

и во всяком

случае

требующие

зна-

чительно

мег:ьшей

энергии,

нем

работа

леформирования

для

о6ра'

3ования

площадок

непосредственного

контакта

твердь1х

тел.

Рсли

г1роцесс

сварки

давлением

с т{агревом

осуществлять

вакууме'

то поверхность

металла

булет

не только

предохраняться

от

дальнейшего

3агря3нения'

например окисления'

но и очищаться

ре3ультате

процессов

десорбшии'

возгонки

или

А|ФФузии

!лубь

соедийяемьтх

металлов.

}казанньтм

способом

мох{но

достичь

установления

металлической

связи

по поверхности

кон-

такта' Ф!нако

ряде

случаев

установление

связи

не обеспечивает

требуемой

прочности

качества

соедгтнений.

Ёадел<ность

и проч-

}.1ость

соединения

возрастает'

если

3она

соединения

рас1пиряется

и приобретает

объемньтй

характер.

3она

соединения

рас|пиряется

ре3ультате

дальнейшего

массопереноса

в3аимной

диффузии

[34,

36, в5].

зависимости

от

темгтературь|

сварки

диффузионнь1е

процессь|

влияют

на

рекристаллизацию

образование

переходной

зонь:.

|!ри знанит6льйом

различи11

физинеских

химических'

свойств

свариваемь[х

материалов

эта

зона

мох{ет

являться

зоной

пере-

ст.ройки химических

связей

и состава.

Б ней

мо)кет

так)ке

проис-

ходить

постепенное

и3менение

типа

и параметров

кристалли-

ческих

ре1петок

ряда

физинеских

свойств

соединяемь1х

материа-

лов

(от

свойств,

присущих

одному

и3 соединяемь1х

материалов'

до

свойств' присущих

лругому).

1аким

образом,

получение

монолитного

соединения

при

сварке

давлением

б!з оплавлёния

невозмо)кно

без

образова11ия

связей

на

ато\.1арном

уровне'

возникающих

результате

сбли>кения

кон_

тактнь1х

поверхностей

процессе

пластической

деформашии.

Ёаде>кность

и прочность

соединения

возрастают

при

расширении

3онь|

соединения в

результате

взаимной

диффузии

при

нагреве

соединяемь]х

материалов.

Фсновньпе

3акономерности

процессов

диффу3ии

в материалах'

|1роцессьт

лиффузии

ле)кат

основе

многих

превраще]1ий,

наблю_

дающихся в металлах и

сплавах

(рост зерна,

полиморфное

превра-

щение'

отдь1х

рекристаллизация'

гомогени3ирующая

термо_

обработка,

дисперсионное

твердение,

химико_термическая

обра'

ботка,

спекание

*ёталл'*еских

порошков,

сварка

давлением_и

др.).

€уд{ествует

два

вида

диффузии:

ёамодиффуз|4я

гетеродиффузия

.\7

34,-

40,

Аиффузия

самопроизвольное

распределение

примеснь|х

ато-

мов

ре1петке

матриць|.

Фсновная

с|1ла

лиффузии --

это

умень1пе-

ние

химического

потенциа,ца

(р' |, с),

т. е.

диффузия

мо)кет

.2|

п![!

Рцс.

Распре0еление

энер?цц

агпо]'1ов

крцсп!алл!1|12ской

ресаепъке

14е/г[алла

во3никать

при

наличии

градиен_

тов

концентрации

(Фик),'

при

|\аличу1и

градиентов

напря}ке-

ъ|14й

(|(онобеевский)

11л14

при

|1ал14чи14

градиентов

температу_

рь|

неи3отермическая

или

про-

сто

термическйя

(Фролов) |72].

€амодиффузия

",*.'!!9].:::::-

нь:й

обмен

атомов

решетке

под

действием

тепловь|х

флуктуации'

_-_--г"'"р'лифузия

дифузия'

идутт\ая

чере3

границу

ра3дела

'*,1

ф/..'Фй6"усло>кнена

фём,

нто

требует

для

своего

рассмотре-

1|"

|оэфишиёнта

распределения

компонента

мех{ду

двумя

фазами.

т'*"'

образом,

дифузия

атомов

как

первом'

так

во

вто'

ром

случаях

возмо}кн6

г!ри

условии'

что

диффундирующий

атом

бул*'

и*еть

достаточнь|й

запас

энергии

для

миграции

кристал_

й]',е"ко*

решетке.

||ри

любой

температуре

средняя

э_1{ергия

коле_

6аний

атомов

крис'аллической

рештетке

металла

фиксирована'

Фднако

энергия

к6лебания

отдельнь|х

атомов

и3меняется

согласно

законам

теории

вероятностей'

!(а>кдь:й

атом,

находясь

состоя-

нии

непрерь]внь1х

тепловь1х

колебаний,

сталкивается

с соседними

атомами'

причем

при

ка)кдом

столкновении

атом

отра)кается'

Б оезультате

отра>*(ения

под

ра3личнь!ми

углами

атомь1

приобре-

',й'

"',''ал,но

большие

скорости'

соответствующие

лредельно

вь1соким

локальнь1м

температурам'

кристаллической

решетке

металла

наблюдаются

флу:!ту6:|ии

распрёлеления

тепловой

энер_

гии. }

некоторого

числа

атомов]1ри

температуре

наолюдаются

повь11пеннь1е

3начения

энергии

Б,

по

сравнению

со

средней

вели_

;;;;'

энергии

Ё,

больйинства

атомов.-€

увеличением

темпера-

туры

до

сред|тйя

величина

э!1ергии

большин-ства

атомов

воз_

;;Ё;;.;'Б{,-22-

'"''льнь1х

/|Ф

3[{8!1€ния

Ё,

(рис'

3)'

.[[окальное

повьтшение

температурь|

внутри

кристаллическои

оешетки

столь

велико'

что

мо)кет

происходить

да)ке

испарение

[р"-'''''.

этом

случае

атом

мо)кет

освободиться

от

влт;я\|ия

сил

свя3и

окру}{ающих

атомов'

-.что

вь|зь1вает

его

диффузию'

Р,сли

атом,

дв'>куйийся

с больш-той

скоростью'

находится

вблизи

свободной'

поверхности'

он

мо}кет

уйти

окру)кающую

среду

(прошесс сублимашии).

'€ледовйтельно'

для

перемещени-я

кристаллической

ре11]етке

,"'й

д''*ен

бьтть^ак"'вйр',ан.

3нергйя

актиБ?\ии-лиффузии

атомов

',р*д.'"й.]

ББл|,,",'и

энёрге'"неского

барьера

(рис.

4),

.Ё,"",щ..'

от

сил

связи

между

атомами'

|(ак

только

атомь1

удаляются

от своих

соседей,

на

их

месте

появится

вакант-

нь:а

уз!э!

кристаллической

решетке.

!,ифузия

осуществляется

ни3мам:

1) путем обмена

местами

двух

соседних

атомов

(рис. 5,

а),

для

чего

требуется

большая

3атрата

энергии'

поскольку

сосед_

ние атомь1

дол)кнь!

раздвинуться

на

два

атомных

диаметра;

такой

процесс

потребует

3начительнь|х

локальных

иска}кений

кристал-

лической

ре|шетки'

что

исключает

возмо)кность

осуществления

подобного

механизма;

путем

двих{ения

атомов

внедрения

(рис.

б); атом,

находя'

щий6я

узле

решетки

поло)кении

переходит

в ме}кдоу3лие'

занимая

поло)кение

атом

перемещается

по ме}кдоу3лиям

2-3-4_5-.6

т.

д.'

для

чего атому

необходимо

сообщить

зна_

чительную

энергию;

поэтому

такое перемещение

во3мо)кно

при

гетеродиффу3и||

твердь1х

растворах

внедрения'

когда внедрен-

нь:й атом

имеет

значительно

меньшие

размерь['

чем

атом

основного

металла;

путем перемещения

ьака|1с|1и

(рис.

5, с)

в том

случае'

когда

вакансии

решетки

обмениваются'местами

соседними

атомами;

Ршс.

4. 3нерешя

ак!пцваццш

0цффу'

ы)ц

а'помов:

/' 3

положения

равновесий

(узлы

реппетки);

среднее

поло)кение

постепенно;

длина

элемен-

тарного

перемещения

атома

кристаллическоп

ре1шетке

составляет

несколько

ангст-

рем;

атомь1

перемещаются

скачками

из одного

поло}ке_

12б

по следующим

четь1рем

меха'

последовательность

перемеще_

ний

атомов'

при

которь|х

вакан-

сия ./ смо>кет

двигаться

по

ре_

шетке'

соответствует

последова-

тельности

перемещения

атомов

в противополох{ном

направле_

нии; атом

полав

в вакансию'

позволит

ато}лу

занять

место'

которое

он

рань1пе

3анимал'

атом

4, переместившись

поло-

)кение

атома

оставит

на своем

месте

вакансию;

Рцс. 5. ]|1еханшзмы

перемещен||я

а/по'

мов в

крцс!паллце'оэской

реше/пке

ме'

!палла

оо

ооо

а)

ооооо

о1о'о

о о

'&*5''

ооооо

0).

оо

оооо

о о о_-о

о'ь*/

.б)

оо

4) путем

кольцевого

обмена

четь1рех

атомов

(рис. 5,

а);

этом

случае

четь|ре

атома

одновременно

перемещаются

по

кольцу;

тайой механйзм

диффузии

гтаиболее-вероятен]в

металлах

с плот-

ноупакованной

кристалл:тчест<ой

регшеткой.

"1еоретинеск]-{е

расчеть1

энергии

активации

самодиффу3ии

меди

по четь|ре1!1

ука3аннь1м

механи3мам

показь1вают'

чт_о

при

обмен_

ном

механизме

энергия

активации

1008

к.[1>к/моль

цб+о

ккал|моль);

при

механи3ме

внедрения

9^ч

кА>к/моль

}:з0 ккал/моль):'при

вакансионном

механйзме

269

кА;к7моль

{о+

{*''7'ол,|]

#ри

кольцевом

механи3ме

378

к!,>к/моль

(90

ккал7моль).

1,{з

нетьтрех

перечисленнь1х

механизмов

чистых

металлах

и сплавах

со

структурой

тверАьтх

растворов

зам€ще11ия

дол)кен

преобл-адать

вакайсиойньтй

механизм

лиффузии.

||ри

ваканси0н-

ном

мехагтизме

диффузии

атом'

находящийся

узле

кристалличе_

ской

решетки,

мойе|

перейти

соседний

узел.

!,ля

этого

диффун_

дирующему

атому

необходимо_

преодолеть

ре3ультате

терми_че_

ск6й

активации

потеншиальнь:й

барьер

ме}кду

узлами

вьтсотой

@."'

Бероятность

подобного

перехода

определяется

равновесной

кон-

центрациет}

вакансий

в металле

с,

€е@,6|Р[,

гАе

0оо

энергия

активации

о6разования

вакансий;

по'

стоянная.

Ёа

этом основании

энергию

активации

диффузии

обь:вно

рас-

сматривают

как

сумму

энергий

активации

образования

дви}ке-

11ия

вакансий.

Рассматриваемьтй

слунай

диффузии

предусматривает

наличие

кристаллической

решетке

только

вакансий.

Фдн_ако

реальнь1е

твердь1е

тела

содерх<ат

-большое

количество

линейнь1х

несовер-

1пенств

дислокаций.

€корость

диффуз}1и

по

дислокационному

ядру

зависит

от

величинь1

вект0ра

Бюргерса

и мо>кет

достигать

больш:их

значений.

[раницьт 3ерен

такх{е мо)кно

рассматривать

как

области

несовер11]енного

кристаллического

строения.

соот-

ветствии

этим

и3мереннь]е

энергии

активации

лиффузии

по гра_

ницам 3ерен

примерно

в 2

раз-а

мень11]е

энергии активации

для

объемной

диффузии.

Ёизкую

энергию

активации

характеризует

и процесс

поверх'

ностной

миграции

металлических

атомов.

€огласно-первому

3акону

Фика

скорость

диффузии

оценивается

количеством

вещества

р,

диффундирующего

чере3 единицу

пло-

щади

поверхности

ра3дела

3а единицу

времени.

(оличество

диф-

фундирующего

вещества

зав|4сит

от градие!1та концентрации

11с|4х элемента в

направлении'

нормальном

поверхности

ра3дела

(рис.

6), и пропорционально

коэффишиенту

4с

7х

р:-о

Ршс'

€хема 0вцэюенця по!пока

апомов с цере3

эле'||ен!/1

сеце||ця

(оэффишиент

пропорциональностг:

назьтвает-

ся

коэффициентом

диффузии;

3нак минус в

правой

части

уравне}!ия

свидетельствует о

том, ято

диф'

ь'

фузионньтй

поток

направлен от

участков

с боль-

йей

концентрацией

вещества

участкам

с меньшей

концен-

трашией.

|(оэффишиент

диффузии

численно

равен

количеству

вещества

при

градиенте концентрации'

равном

единице.

||ервь:й

3акон Фика

действителен

для

стацион3рного

состоя-

ния

дифф}зионного

потока'

т.

е.

при

условии'

что концентрация

диффузионного

потока

в любой

точке сечений

не

изменяется

со

временем.

|1ри

нестационарном

потоке'

когда концентрация

со

временем

|{зменяется,

действителен

второй

3акон Фика:

7с

42с

ас:|

а','

Б этом

случае имеется

в виду'

нто

коэффициент

диффузии

1{е зависит от

концентрации'

а это

справедливо

только

случае

самодиффузии.

||оэтому

ре1пить

это

уравнение

можно

лишь

при

определеннь1х граничнь1х

условиях

лиффузии.

€

увелинением

температурь|

скорость

диффузии

во3растает.

1емпературная зависимость

коэффициента

диффузии

подчиняется

экспоненциальному

3акону

о'

ехр

(-@/&?),

где

параметр

уравнения'

или

яастньт{

фактор,

зависящий

от

типа

кристаллической

решетки

и от

частотьт

колебания

диф'

фундирующего

атома;

энергия

активации'

||лут

теплота

раз-

рь|хления'

к[>к

(г.атом), или ккал

(г.атом);

(

газовая по-

стоянная;

7-температура,

'€.

Беличина

характеризует

энергию

свя3и атомов

в кристалли_

ческой

реш]етке.

!ем больтше

тем больше

энергия'

необходимая

для

ра3рь1хления

кристаллической

решетки'

т.

е.

энергия'

кото-

рая

требуется,

нтобы атом'

преодолев

энерготический

барьер,

из

одного

узлового

полох<ения

пере11]ел

другое'

3аняв

кристалли-

ческой

решетке

поло)кение в ме)кдуу3л|4|\

|4л|1 вака!1тное

место.

!-1роце""

лиффузии

металлических

системах

обьтчно

ра3де_

ляют

на

три

категории:

объемную'

по

границам

3ерен

и поверх_

}{остную.

1(а>кдая

из

этих категорий

имеет

различнь1е

диффузион-

нь]е

константьт.

1(онстантьт

лиффузии

по

границам

3ерен

и поверх-

ностной

лиффузии

более

вьтсоййе,

чем

константь1

объемной

диффу-

зии.

0днако

число

атомов по этим

видам

лиффузии

мало'

поэтому

их

вклад

общие

лиффузионньте

процессь1

не3начителен.

3нергия

активации

имеет

наибольшую

величину

при

объемной

диффузии

меньшую

величину

при

траничной

и-

поБерхностной

!йффу."',

т.

е.

Ф,'"

{

0.,.,й.'

{

0'о."*,'

||ре-имушественная

1'ффу.""

по

поверхйости

или

гранишам

зерен

блоков

мозаики

объясняется

тем'

что

там

степень

нарушения

кристаллического

Б{р".йй!

де9е*ть!""{!у*'ур!'

(нали1йе

иска>кений'

вакансий'

ди'слокаций,

,|.р"*.[й{,

фш"н)

вырах<ен'

''ч9-т'_^сильно'

а;;ъь;;;

'й66у,йи

по

гранишам

зерен

зависит

от

угла

разориен-

тировки

зерен

относительно

направления диффузионного_потока'

^€

точкй

3рения

диффузионной

сварки

особь1й_

1111ч

пРел-

ставляет

возмох{ность

ус!<орения

диффузии

результате

со3дания

;;ъ;;;;;.";й"!Ф*"',

при

пластической

!еф6рмашии'

про-

цессе

пдастическои

деформашии

со3дается

избьтточная

концентра_

;;;;;;;;.;й,

обуслов!ийающая

ускорение

лиффузии'

йзбьтточньте

концентр

ац

|4|4

вака|1с|1й

мох<но

создать

так)ке

бьтстрьтм

охла)кде-

;;;;-|;;;;{ой)

или

облун-егтием

частицами

с большой

энергией'

-1!рБц"".",

6ак'орь:,

обусловливающие

получение

соединения

д'офу'йо""ой

сваркой.

-прй

диффузионной

сварке

одновременно

мо}кет

проходить цельтй

}ял

слс>йнь]х

металлофизинеских

про-

'дЁ!.'"'

!иффузия,

рекристаллА3А\\|1А;

пол3учесть'

образование

дви)кени-

д'.''*Ёцйй,

образование

дви>кение

вакансий

ме)кдуу3ельнь!х

атомов.

(айдьтй

||з

перечисленнь1х

процессоэ

рй1й.:,'й

степенью

точности

мо)кет

бьтть

расснита!;

по

извест-

ным

математическим

формулам

.'д1 *Ё'

А':

Б'е={,;

А'--

Б'*

6'е-

к',

где

Ё,

Ёа-

энергия

активации

для

возбу>кдения

ка}кдого

рассматриваемого

;;;й;;

@"фу"",

р95рисйаллизации'

обра-

3ования

дви)кения'дислокаци'йи

т' п');

/(о

тепловая_энергия'

сообщаемая

исследуемому

объему

материала

при

даняом^::::1

Фтнош:ение

э'их

энергий-

входит-

во

все

формульт

как-.степеннои

показатель

яв'яе|ся

всегда

безразмерной

величиной'

-которая

мо)кет

слу)кить

критерием

подобия

для

каждого

исследуемого

процесса.

Аля

характерйстики

процессов дифузионной

сварки_яе

могут

бьттьиспользовань|толькотетепловь1епо!<азатели'которь|еха.

рактернь1

для

отдельно

рассматриваемь|х

металлофизических

;;;;ъъ;;;.

1'"

"."

долх<нБт учить|ваться

два

одновременно

дей_

ствующих

пока3ателя

энергия

механическая

энергия

тепло_

вая.

Фба

,"д,

,,.р!йй

дру;

от

друга

неотделимь1'

так

как

Аей-

ствуют

одновремейно

одном

том )ке

направлении

получения

качественного

соединения.

Раздельнь|е

объемьт

металла

начале

процесса

превращаются

непрерь|вную

структуру

сварного

соеди_

нения

вокруг

плоскости

кон!айта'

8'сли

предс]3:1]:

пока3атель

механичесй6й

,,й.'й"_

деформир

овау|\4я

Ёекоторого

объема

чере3

давлет1ие

р'

то отношение

сообщаемой

энергйи

предельной

при

постоянстве

объема

мо)кно

вь|разить

чере3

предел

теку'

чести

б', т.

е.

р|/|о,1/

м.

€оответственно

отно1пение

тепловой

энергии

для

того х(е

объема

металла

вь!ра3ится

чере3

отно1пение

темг1ератур

су_

ществующей

данном

опь|те

[,,

плавления)

7ус\/|[,"ус\/

!'./,

где

плотность

и теплоемкость

металла.

,[|опустим,

что оба эти энергетических

показателя

могут

бь:ть

суммированьт.

1огда

получим

уравнение

прямой

отре3ках:

Р ,

ци .

л:

о'

\м

^]рп:1_-

|акая

свя3ь мех.(ду

Аействующим

давлен14ем

температурой

нагрева

для

процессов

диффузионной

сварки

не

соответствует

дейётвительност}1

(штриховая

лиъ|ия

на

рис.

7). Р1а

рис.

7 пред-

ставлена

реально

существующая

зависимость

(7),

единая

для

всех процессов сварки

давлением.

3та

зависимость

относится

условиям

приблизительно

равной

пронности

соединений,

сва_

реннь1х

при

различнь|х

температурах

нагрева

давлениях'

при

разлинньтх

способах нагрева и

ра3личном

времени

действия

давле_

|1ия

существования

температурь1.

!,арактер

таких

кривь1х

гиперболинеский, особенно в

ветви' относящейся

к маль|м

нагре-

вам

большим

давлениям.

Ё'сли х<е

рассматривать

показатели

механической

тепловой

энергии как

ёдиньте

и неразрь1вно свя3аннь1е

не.только

их

дей_

ствии'

но и

математиче6кой

формуле'

то

тогда они

дол>кньт

бьтть

представлень|

в виде

прои3ведения'

т.

е.

м!'''

р!|о,7,,,

отсюда

получается

гиперболинеская

связь

ме)кду

и[:

р|

$!'{6'7,,:

€Ф!з[.

Рас.

^3авцсцмостпь

меэю0у сэют:мающим

0авленшем

ц /пемперапоцрой

наерева

прш

сварке

0авленшем

Рцс.

€па0нц

0иффцзнонной

сварка:

Ёа

основании

последнего

равенства

мо)к1{о

рассмотреть

неко_

торь1е

технологические

прош6"".т

диффузионной

сварки

убе'

диться

неразрь1вност1{

единстве

действия

в свариваемом

кон'

такте

давления

температурь1.

!,ля'полунения

соединения

двух

идеальньтх

образцов

или

де-

талей

их

необходимо

с6лизить

на

расстояние'

достаточное

для

установления

атомарной

связи' 3то

мох<но

реализовать

исклю'

чительньтх

случаях'

например

при

соприкосновении

двух

юве'

нильнь|х

поверхностей

в сверхвь|соком

вакууме'

реальнь:х

усло'

вияхповерхностьтвердоготелавсегдаим9ет1]]ероховатости!

и она

всегда

покрь|та

трудноудаляемь1ми

адсорбированнь1ми

слоями

газов'

водь1

других

веществ'

которь1е

необходимо

уАа'

;"'"

|ля

пблунения

надех(ного

прочного

соединения'

Ёаде>к'

ностьипрочностьсоединен!1явозрастают'если3онасоединениярас-

;;;;;;;;

;рй'ор...'

объемньтй

характер

ре3ультате

самодиффу'

314|1

ил14

в3аимнои

дифузии

атомов

соединяемь|х

материалов'

€

этих

позиций

прошесс

лиффузионной

сварки

в.

ваку^уме

мо)кно

условно

раздели!ь

на

две

стади11'

|!ервая

стадия

(рис'

а)

Ёй'й,'Ё"

образование

первоначального

кот:такта

поверхт*остей.

Ёа

этой

стадии

,роисходй'

деформашия

шероховатостей

(неров'

ностей)

поверхности

пленок,

тто

необходимо_

дл-я

установления

механического

к0нтакта.

Бторая

стадия

(рис' 3,

б) вклюнае"

,?.3'

имную

диффузию

атомов

перемещения

вакансий

дисло(2|]'!1й'

с,ос'бс",уЁйих

уничто)кению

гтервоначальной

границь1

ра3дела

ме)кду

поверхностями.

Результатом

последней

стади|4

процесса

*'*.|

бьтть'рост

зерна

нерёз

поверх1{ости

(образование

переход_

ной зонь:)

или

просто

диффузия

атомов

через

первопачальнь1е

по_

верхности;

величина

энер|ии

3оньт

соедин'е_ния

прибли;кается

к величине

энергии

равноЁесной

структурьт'-Ёа

этой

стадии

важ-

ное

3начение

имеет

Бремя,

которое

дол)кно

бьтть

достаточнь1м

для

протекания

процессов

диффузии

получе]'1ия

качественного

сое-

динения.

3 общем

случае

предлох{ить

простую

единуР

модель

соедине_

ътпя

для

всех

разн6видностей

диффузионной

сварки

трудно'

3та модель

мо>кет

включать

себя

6д:{у

или

несколько

комбина-

ций

из

мно}кества

металлургических

и механических

явлении'

ёпеци6инеские

условия''{|ри

которь1х

происходит

диффузионная

сварка,

так )ке

йак

результать1

сварки'

булут

определяться

тем'

какое из явлений

преобладает.

Бсли

давление'

прикладь1ваемое

соединяемь1м

поверхностям'

достаточновеликоилисли1пкомвь1сокатемператураихнагрева'

произойдет

пластическое

течение

шероховатостей-поверхности

до

тех

пор' [ока поверхности

не

достигнут

вь|сокой

степени

со_

ответствия

одна

другой.

при

этом

соединение

будет

иметь

3начи'

тельную

прочность'

так как

на

некоторь1х

участках

поверхности

образуютсй

атомарнь1е

свя.31{.

Рсли

г1ерво|{ачальное

давле[1ие

низкое,

то

соединентте

такой

}ке

прочности

може'г

бьтть

полунено

за

более

длительное

время.

|!ри

диффу3ионном

соединении

материалов

различнь|ми

меха-

ническими

физико-химическими

свойствами

для

получения

ка-

чественного

соединения

целесообразно

контакт ме)кду ними

вводить

промех(уточньтй

слой и3

другого

материала.

Ёаунно обос-

нованное

и технологически

целесообразное

использование

про-

слоек

при

диффузионной

сварке нрезвьтнайно

рас1пиряет

возмо)к-

ности

и область

применения этого способа.

3 завпсимости от

со-

единяемой

композиции прослойка мо)кет

вь]полнять несколько

функший

16,

7, 341'

|!ри

соединении

разнороднь1х

материалов

ра3личнь1ми

ко-

эффициентами

температурного

рас1пирения

процессе

ость]вания

деталей

зоне сть1ка возникают остаточнь1е

напря)кения

тем

большие,

чем 3начительней

ра3ница

в этих коэффипиентах. Б

дан-

1]ом

случае применяют прослойки

и3

материа'_1ов'

имеюш\их

про-

ме)куточнь1й

коэффишиент

те1\,1пературного

рас!лирения

высокие

пластические

свойства, что способствует

релаксации

во3ника-

ющих

напря)кений. Бще луч1]]ие

ре3ультать1

могли

бьт

дать

вставки'

состоящие из

слоев материалов

ллавнь1м

изменениеп,| свойств

{1о

вь1соте

пакета. Б

настоящее

время

разработан

способ

получе-

\|иятаких

многослойнь|х

пакетов с помощью

диффузионной

сварки.

|!ри

соединении

многокомпонентнь1х

в3аимно

нерастворимь1х

в твердом

состоянии материалов

целесообразно

вводить

про-

с"1'1ойки'

облегнающие

ра3витие

процессов

дифузионного

объем-

ного взаимодействия

контакте. Фсновньте

требования к таким

прослойкам

способность к образованию

твердь|х

растворов

обоими соединяемь1ми материалами.

Барьерньте

прослойки вводят с

целью

ограничить

или вообще

исключить

развитие

объемного взаимодействия материалов'

склон-

нь1х

образованию

интерметаллидов

других

хрупких

фаз.

[ля

барьернь1х

прослоек

предпочтительнее вьтбирать материаль1'

которь]х

скорость

диффузии

соединяемь|е

материаль1

вь1ше'

чем

встречнь1е

потоки

диффузии

в прослойку.

||рослойки

мо)кно прийеня1ь и при соединении

материалов'

зоне

контакта

которь|х

хрупкие

слои

не образуются.

Б этом

случае

они

необходимь]

для

ускорения

ра3вития фактинеского

кон_

такта

поверхностей,

образования

металлических

связей и интен_

сификации

лиффузионнйх

процессов.

"[|остатонно

эффективно при_

менение

проме)куточнь!х

прослоек

в соединениях'

для

которьтх

неАо_пустима

остаточная

макропластическая

деформашия.

|!роцессьт,

протекающие

в системе материал-прослойка-

.материал'

носят

комплекснь!й

характер и в

ка}кдом

практическом

случае

определяются

свойствамй

всех

участвующих

во

в3аимо-

действии

материалов'

их

чистотой,

способом нанесения и толщиной

прослойки;

значениями

параметров

ре)кима

и т.

относитель-

ная

толщина

пластические

характерйстики

материала

прослойки

определяют

контактнь1е

лефект*

(уп|оннейи",

"'"'.,."'е)'и

харак-

::Р.'::_! Р"

*ен

о-дефор

ми

рован

ного

состояни я, во3н и

ка'ющего в со_

сдинении

при

прило)кении

внешних

нагру3ок.

€

технологической

точки

зрени-я

для

получения

соединения

*"'Бд'й !'ффузионной

сварки

необходимо

очистить

соединяемь1е

поверхности

предотврат'|ь

возмо)кность

их

дальнейшего

окисле-

ния;

прилох.ит,

""."йающее

усилие;

нагреть

соединяемь|е

тела

о6есйечить

определенную

и3отермическую

вь1деР**|'-

|1риншипиальная

возмо>кность

этого

способа

соединения

прак-

тически

не

ограничена'

Фднако

на

практике

необходимо

со3дать

наиболееоптимальнь1еусловия-дляосуществлениянадежной

1,Ё!Бй].].

-эй

требуе{

бойее

глубокого

знания

рассматриваемь1х

;#;';';;]"{''

ф,^''р'',

обусловливающих

получение

соеди-

'.,""

диффузионной

сваркой'

|1оверхность

твердь1х

тел

после

различнь|х

способов

физико-

механического

во.д|йствия

х-арактеризуется

основном

двумя

факторами:

рельефом

или

геометр"*"*"й

фактором

физинеским

состоянием.

||оверхность

твердь1х'е|

геометрической

точки^-зрения

характери3уется

9,,!йй

профилем'

обусловленньтм

основном

способом

*''',*'""БЁЁ'ь1йй

с'',|,""'

фр.езерование''ш-лифова-

йй.).

пр"

этом

разли"Ёю"

макрогеометрию

(волнистость)

микро-

геометрию

1**р'*'Б,"'сть)

поверхностей'

Разделяя

условно

макро_

;;;

;ъъ"';фий

и илеально'

чистого

мет

алл

н а

две

пр

офилогр

аммь:'

мо>кно

представить

геометрию

поверхности

виде

двух

кривь1х:

кривой

волнь1

ча""о.ноа

|'р'Р9Р

шёроховатостей'

которая|1акла'

дь1вается

*р''уБ_Б','{''

[1!ерох^оватости

могут

бь:ть

весьма

разнообразнь|

по

ф'р*',^,,'сот9^чикровь|ступов

расстояниям

между

,*р*',''йи'

'Болнистость

1шероховатость

принято

моделировать

виде

пирамид'

конусов

или

сферинеских

(п:аровь:х

эллйпсоидальньтх)

вь1ступов'

||од

волнис,остЁю

пойимают

совокупность

периодических'

более

или

менее

регулярно

повторяющихся

6лизких

по

ра3ме_

рам'

череду'ш"".{',',",'"""й'и

впадин'

образующих

неров-

ностисвзаимнь1мрасстоянием'меньшим'чемумакронеровностеи.

Форма

волн

иде1льно*

случае

близка

синусоиде'

А{икрогеом.'рй_-(й'рохо"а"ос',)

обусловлена

расстояниями

обработки,

качеством

инструмента

*а|еоиалом'

Бьтсота

микро-

неровностей

при

этом

сос1}вляет

при^

г$убом

тшлифовании

мкм,

при

''й6',',"и

довощ_е

0'3-1

мкм'

11!ероховато.",

йе"аллических

поверхностей

определяют

по_

средством

,р'о"''.Ё,йй'_йро9ило'рамйьт

{

(вз"'

показьтвают

1шероховато.',

,,Бйй,й",ой {9)

с}альной

(б) тоненьтх

деталеи

непосредственно

;;н";"'?!/аоо'*й.

[рофи1ограммы

]-|у

пока3ь1ваю.

,'"'Ё,-.-йй'о

дефо}мирование

ми-кровь|ступов

плит_

ками

йогансона

йр,

р,.','йьт-х-давлениях_'

€равнивая

толщину

прозрачнь|х

'*'."Ё*

Ё'""'*

(не

более

10-6

сй)

вьтсотой

микро'_

шероховато.'"',

й'*,о

убедйться'

что

толщина

контурнь1х

линии

на

профил'.р.*#,1'"(;;;_э,

ь-а|ы,а""",

значительн"

!:__::::з

Ёаз)

'о'й,'е'^

ч:м

толйина

окисной

пленки

на

свех{е3ачищеннои

поверхности.

! еометрический

фактф

,',"р*ности

при

диффу-

{

Рцс' 9.

1рофшлоералмь!

алюмцнцевой

(а)

споальной

(б)

0епалей,3аццщенных

наэю0ацной

6улаеой

зионной

сварке определяет

площадь

фактинеского

контакта

соединяемь1х поверхностей,

которая

увеличится

улучшением

качества обработки.

Физическое состоя!1ие

поверхности

твердого

тела

характери-

зуется

наличием и

составом поверхностнь|х

пленок и особенно-

стями

структурь1 поверхностнь1х

слоев. 14деально нистая

(юве-

нильная)

свободная от окиснь|х

пленок

и адсорбированнь1х слоев

жидкостнь1х

газовь|х

молекул

поверхность

мо)кет бьтть

создана

только

в глубоком

вакууме'

например

10_8 мм

рт.

ст.

Ёад метал-

лической

поверхностью в

данном

случае существует облако

непре-

рь1вно дви}кущихся

свободньтх

электронов' покидающих металл

снова

во3вращающихся

него. Благодаря этому

процессу по-

верхность

металла покрь|вается

двойнь:м

электрическим слоем:

минус

облако

электронов

и плюс

дь!рки

верхних

слоев

металла

(за

снет покинув1пих металл

свободнь:х электронов).

||лотность

электрического

заряда

двойного

электРического слоя

непостоянная

во всей поверхности и зависит

от ее микрогео-

метрии.

Ёаибольший

потенциал концентрируется

на

остриях

микровь|ступов.

йдеальйо

чистая

металлическая

поверхность

мо}кет созда_

ваться

не

только

в вакууме.

Фна

сушествует короткие моменть!

в_ремени

(мальте

лоли

сё:|ундь' в изломе металла

у1л.и

первь1е

мгновения

после

его

механичёской обработки. Ёа воздухе

все

ми-кровь|ступь|

впадинь1

металлической поверхности

мгйовенно

покрь|ваются

окиснь1ми

пленками'

так>ке слоями адсорбиро_

ванньтх

молекул

водь|,

газов

'{ировь|х

веществ.

качестве

примера

рассмотри]\{^условия

для

образоъаъ||1я

ад-

сорбирован,'''

*','{й}'^у',р,''9_^:'',

при

ра3личнь1х

усло-

ъйях.

|зз,',""''"'#Ёй Ё;'й'

г!зов_

-изв

е"тно'

нто

число

мол

екул'?'

ударяющихся

оо

''"й'

!6,'рхности

с'

равно

|де

-давле}1ие

мм

рт'

ст';

молекулярная

масса;

температура'

Фтсюда

легко

пока3ать'

что

при

атмосферном

давлении

об

н#:й"^ъ'ж}'1|}1'#фЁ'#:/#н31ы:'1у^#{"##

ъЁ1Ё;,:н:;

##3

т##жд.}н%й

й'"'й

"9-

_ч:*'

атмосфер

но*

д'''

"*"'

дг'''л"'

ч:::,',;'му

обр

азованию

моно-

молекулярн'''''',":Ё'р"^',,,'*

у^'ловиях

йоверхность

металла

имеет

сложную

'"Ё1Ёф

{!сороир'Ёаннь1х

слоев'

Фбь:чно

Ё8'{'

0Бё:

ттильной

,''.р*"'!";;'";;;ъ;;}'

"91

окислов'

прочно

св

язаннь|е

с метадлом.

и*

"'лй',|

д'"'"''""

т1ескольких

десятков

ангстрем'

Ёад

слоям"

''"!'?_,-'."'"*''""

''_{'й^ретнь1х

условий

могут

присутство'.",

,д!Бр-оц"',,,'"

сл-ои

газов

водь1'

Ба

внешнеи

поверхност,

*''у^!-!'?й"

,р'"утствовать'адсорбшионнь[е

слои

полярнь1х'

,"''',р",'1

мол6куй-о_р!й"й,",""

йеществ

(смазка'

масло).

ц,р'"ь'"';;;;';""у'

{'''1'у",

3начительнь1х

размеров'

1олщина,

,'"''й'й,"",*"''',^т^й''*"ния

наслоений'

могут

быть

азл

и,,,'*'

?-'"^'"6

"*'"'

''!''*'^й]

'нешней

ср

едь1'

Фдн

ако

первьпй

слой

на;;';;;,''.

'о,',,'_.'."'''

из

окисной

пленки

('й"'

'о)-

прилегаюший

металлу'

Фкисньтй

слой'

непосредственн-о

представля",

.'6'а

'р,{й'Б"

лок_ръ1тие'^

структурно

'тодько

ещ9

подстр

аи

в *'*""]й

?'!

?р

""'

.''''!йй

р'Ё6''у

ч":з**1

|1о

мер

оста

оксид""."

Ё,Б

й1

йБг

,л'131

11'|'

еЁо

кр

ис|

алл

ич-еское

стр

ое-

ние

умен,''"""

6^'{рБЁ",'|9:бР.1;''аниЁ'

поскольку

сам

окис-

ньтй

слой

',у*'-"'"!рй'''*

д{1

у''х(ения

металлических

ка_

тионов

кислороднБтх

молеку'

";;6;;'

друг

другу

[3'

|2'

29,

40,

63 1.

'16

гп9т{иттё с- металлом

отрицатель'

Фкисньтй

слой

сохраняет

11а

-щ2нице

металлом

о1

ньтй

потен''',',Ё'{й,

'''''''""',,'''

потенциала

самого

ме-'

алл

а.

ар

у*н,'#

й;

'}й'й'''

,'?р|""

становится

электропо'

о х(ит

ел

ь [{

,,'

;

,"дй

о,

т::т'!Ёг;у1.$;ъ?

'";*;}

:**

:|я

ж:;ь

1','1ъ##%н#:"

т;;;;

обр

аз

ом,

иёленньт

металл

покрь1вается

двумя

лвоиный

элект!инескими

слоями;

такова

".'

"'.Б!}"

электринеская

структура'

толщину

'"й"й,*

пленок

,"'у!,,"Б'

'п!ёд'л'",-яевозможно;

1олщина

невидимь1х'

1'-ё''

',''"""!!Б'р^'1','*'

окиснь|х

пленок

на

механически

обработаннь1х

,"'"'р'*""'""1

::'

превь|шает

10_6'см.

|{вета

побе'калост"

^"'.'',,ь1х

деталях

составляют

Рт;с'

10.

[1оверхноспть !|[епалла на воз0цхе:

слой металла' пластически

не

деформированнь:й;

поверхностньтй слой полностью

разориентирован-

нь1х

кристаллов с

прослойками

окислов;

окиснь:й

слой,

характерная полярность границ

(внутренних

вне!шних),

также полярность верхних

слоев

показаны

3наками

адсорбированный

слой кислородных

ионов

нейтральнь1х

молекул

воздуха;

елой водя-

нь!х

молекул;

слой жировых

молекул;

иони-

3ированнь1е

пь1левые частицы

слой

толщиной

(4-:-50)

10_6

см,

а вполне

3аметная

окалина измеряется

толщиной

у>ке

более 5.10_6 см.

1(роме окиснь1х пленок'

металлические

поверхности

всегда покрь|ть1

)кировь|ми'

газовь1ми молекулами и парами водь|.

]олщина

таких

покрь:тий

разлитна.

Ёа-

пример'

пленка

паров водь1

составляет

50-100 молекул.

}(ировьте

слои

имеют

еще боль:шую толщину. ||осле промь1вки

замаслент{ого

металла бензт;ном слой орга_

-с

.',4

нических

молекул составляет 1-5 мкм и только при особо

тща-

тельной

обработке

растворителями

сохраняется

х{ировая пленка

толщиной

10-100 молекул. ||олностью

удалить

маслянь|е

покрь|тия

с металла практически нево3мо'(но никакими

раство-

рителями'

поскольку

адсорбционная связь )кировь|х

молекул

металла

представляет

собой свя3ь чисто электрическую. |!оляр-

нь|е

)кировь!е

молекульт образуют с

металлом

двойной

электриче-

ский

слой,

что и обеспечивает весьма прочную свя3ь

металла

пленки

одномолекулярной толщинь1.

}{ировьте молекуль1 обладают еще одним вшкнейшим свой-:

ством:

глубоко

проникать

во все микротре']1инь!

на

поверхности

металла.

||ри

этом одномолекулярнь|е

}кировь]е слои внутри

ще-

лей

оказь!вают

сильнейтпее

расклинивающее

давление.

Ёапример,

вершинах

щелей

тпириной порядка 10_6

мм

распорное

давление

)кировьтх

молекул

мо}кет

достигать

величин' близких к пределу

текучести

металла.

арактерно'

что сварка

металла' 3ачище}{ного' но 3ахватанного

руками'

оказь1вается

нево3можной,

поскольку на

металле

остается

>кировой

слой

толщиной

более

чем в одну молекулу.

Физическое

состояние

тонких поверхностнь1х

слоев суще-

ственно

меняется

после

всевозмо'(ньтх

ёпособов

обработки.-9ти

слои

имеют

неодинаковьте

свойства

в связи

разлин'ттой

степенью

вел_ичинь1

их

деформации. |1осле механической обработки тллифо_

ванием

поверхнос}нь1е

слои

в значительной степени насыщень1

с-гр^у]<црнь'ми

дефектами

(дислокат{иями,

вакансиями

др.)

1:']'*РР''ельно'

йаходятся'

в особом

физико-химическом

состоя-

ни14.

акое

состояцие

поверхности

не мо}кет

не

сказаться

на

-л|

н.

о.

|(азаков

свойстве

этого

слоя'

такх{е

на

_ки*нетике

ра3личнь1х

процессов'

',''",,'щих

пр11

последующ"*

11:ч:',*

йсследова,"

9й'й*й"*'''

состояния

поверхностнь1х

слоев

отличается

о'',''и''й'"'*''",'

тонкой

структурь1

поверхностеи

соответствен}1о

,',!й'.'щими

при

этом

трудностями'

Рассмотрен"у'

йй*

"ожную

структуру

поверхностнь1х

слоев

можно

н ар

уш

ить

р'{,7*"{'*и

ф!азинеским':а'Ёоздейётви

ями'

апр

и_

й.Б,

!.,

,|ц*

*у : ::

*##}*,#}

ж:'Ёг

ж|;ж

ц}жш;

ционньтх

слоев

водь|

:^'.}':::'::; ;;;: ;;йй!'"'

,'."

'".

||р

диф-

]''й*'щ." разряде

можно

испарить

фузионной

сварке

";;;;

не

то'йько

удалить'

но

предотвратить

последующ."

,'',"-йБ",""

пове!хностного

загрязнения'

этих

поз"ц"й

о',,ш'и-

}{;;;'"";;;Ёр'"."{"',куум'

[8'

15'

|6'

22'

)о'

Б;,

34,

43,

50]'

€войства

,'.ууй}'как

3ащитной

средьт

первую

очередь

опре-

деляются

''',*""'й'м

остаточнь1х

газов

сварочной

камере'

Ёизкий

вакуум

(";;;;

"йй};'!;')-,'1,'"*

защйтнь-тм

свойствам

*а**р*жн#*$я;:;',:жж:х^""':

Ёагрев

сварит

диссоциаци.а

,"ййрением

окислов'

,ййй!''

.:4ч1*:"'

Фсо-

бенно

легко

у,'''Ё'{#.;ь;;й;:

хар'ак''ерн',

что

удаление

га3ов

их

соединен"и

прБ"Ё*'д'"

не

т'ль*о

по*ерхнос'и'

определен-

нь|х

услови"*

с"рЁй""|Бй*'р''ура)

уменьйается

их

содер)кание

во

внутренних

-_'б'"*а*

металла'

'Б

результате

улучшаются

физико-механические

свойства

самого

металла'

}}4з

опьтта

",,"!{й''

что

пр^и^^н^тр',Ё

низколегированной

или

гл

ер

одист'и'"''

}',1]й"

?бо]с1оо'€

идимое

кислен

ие

полностью

отсутствует

у*'

"Ё#

Ё?]р"й'й3:

}'0'-

мм

рт'

ст'

то

х{е

время

при

этих

д','.,й'й

'ё*,"р'"уче

*а

поверхности

свариваемь|х

деталей

.",'",'1,#"|'Б}!]'1'"7':

-2оА

(т'

появляются

видимь1е

микроско,

''"*"'_,'ё,.'

окислов'

Бо

избе>кание

_их

возникно_

вения

следует

у*Ёййй",

остаточное

давление

до

10-_5

мм

рт'

ст'

||ри

больш"*

'йБ*!''""

*р'*а

требуется

еще

более

ни3кое

остаточное

давление'

3ная

преде'";;;

раствори1'1о.:::''|^'^

металле

при

а'гмосфер-

ном

давлен'"

!р'ф*ую

*'л_"*"у*'

*'"ш"нтрацию

газа

ме_

талле'

мож-но

";;й;

;р"*-р19!.''#ъъ}1Ё.-],т

##{:};;#;1

]""!^р',,'й

камере,

обеспечиваютт\

51/52:

(р'|р')'|''

',"#,;##шжж:

1]?',"'.

мох{но

на

примере

техниче_

ского

титана.

|[редельная^р''','р"*'1{ь

к'слорода^в/титане

при

атмосферно*д,.йБй[7тоо''р,!.."'*.-й.'авляёт18%помассе'

.[.опустимое

содер]кание

кислор!:д"

;

';;;;;

принимают

не

более

0'15%

по

массе'^|1одставля"

''и

"е!",йй,'

!анное

вь|рах(ение'

Рцс,

11.

А4еханцческцй

конпак!г!

лей

0епа-

.'1-_

/!\

!р

к--

АА.

получим

критическое парциальное

давление

кислорода

Ра:5.10_2

мм

рт.

ст. Б перес-

чете

на

давление

во3духа

это

буАет соответ-

ствовать

около

2,5.10_1

мм

рт.

ст. Фднако

степень

вакуума' т. е.

минимальное,остаточ-

ное

давление

воздуха, при котором

вообще

тте

наблюдается

образования пленки

окис-

лов

на

поверхностях свариваемьтх

деталей,

устанавливают

пока

экспериментально.

Фдновременно

ра3ру1пением

и испарением

пленок

при на-

греве

вакууме определеннь|е

части пленки

могут

бьтть

уАалень:

3а

счет

диффузии

окислов внутрь материала

(растворяться

в одном

из

т\'1еталлов)

либо превращаться

в отдельнь1е

1шаровиднь|е

ча-

стиць]'

обладающие значительно

мень1пей

поверхностью.

9истьте

металлические поверхности' приведеннь1е

сопри-

косновение

давлением,

образуют контакт. Б отдельнь:х

микро-

вь1ступах'

благодаря

локали3ованнь1м в них

давлениям'

пре-

вь11{1ающим

предел текучести' поверхностнь|е кристалльт

с6ли-

)каю1'ся

на

расстояния

лорядка

ра3меров

ме}като1!1нь|х

расстояний

в кристаллической

решетке.

1аким

образом,

осуществляется

кон-

такт'

которь:й принято назь]вать

фактинеским.

Фсобенность

состоя-

ния металлических

кристаллов в

контакте-во3мо)кность

мгновен_

ного

их схвать|вания

образования

тем

самь|м

непрерь|вной

кри-

сталлической

структурь1 вокруг

границь|

фактинеского

контакта.

||онятие

фактинеского

контакта

довольно

1пирокое.

|1оскольку

сбли>кение

поверхностнь1х

кристаллов

на

расстояния

порядка

ра3меров

кристаллической

ре1петки

формирует

нера3ъемную

непрерь|вную

кристаллическую структуру' то

следует

считать'

нто

фактинеский

контакт

мо'{ет

бьтть и

разъемнь|м'

и монолитнь|м'

отличие

от

фактинеского

контакта мЁханический

контакт

пред-

ставляет

собой

только

ра3ъемное

соединение

толщиной

гранич-

нь|х

слоев

от

долей

микрометра

до

долей

миллиметра.

3лектринеский

контакт

это

любой

фактинескйй,

нерез ко-

торчй

пропускается

электрический

ток.

свариваемь|й

контакт

это любой механический

разъемньтй'

превращеннь:й

прот:,ессе

сварки в нера3ъемньтй

фактинеский.

для механических

контактов

принять1

следующие

терминь1

и-

_обозначения

(рис.

11): [А,

площад,

элементарного

(еди-

111ного)

микроконтакта,

обусловленная

ра3мерами

формой

9/|ементарнь!х

микровь1ступов

(гребештков)

волньт

шероховатости;

Фактическая

площадь

касаг1!1я' определяемая

суммирова_

нием

всех

/1-элементар|]ь]х

микроконтактов:

А,:

А'А,;

3,:

Ра:с.

12.

[7ракпш'аескш''?у,':::^::м{конпакпшрованшя

в0лн!'спых

шерохо-

'{й"*-

"'',,

л|1цеск

повер

носпе

А,

контур}{ая

площадь

контак""'_

1,#;;##;;н:?&"уй

й".''-"

всё'

отдельнь1е

элеп{ентарнь1е

площадь

..*"р

'[{

*.^р

''.'й::^ч:'

об у

словлен

дейст'вующим

давлением

,',,'!]'Ё"1й

,','рхности

(рис'

12'

а-е);

А,

но'

минальная

площад;,";.рБд"',"|"*

-ра'йёр.*"

соприкасающихся

деталей

1напри*ер]'дй!'Б,'.ующихся

стБр>кней

это

площадь

их

поперечно.о

с"{е!'ия;'

-.^',.,итип!ю1цие

пове]

отдельньт-

6;;;;;,

9лучаях_^:о_нтактир

ующие

пов-ер

х11ости

настолько

хорошо

й!ййй'о'!'ь[ваются

друг

1.'лР}гу'

что

контакт

ос

уществл

я.'.

р'"'"Ё;{,'

,',

".',.йй,'а

тол

|т|о

11]ер

хов

ать1м

поверхностями'

б;;;;*'частном

''у,!Ё'й*Ё'

о,'",

!рис'

12'

а)'

А':

А''

Фпьгтньте

даннь1е

Ё.

Б.

Аемк

шна

тц|1'

Б'

1(рагель:1:::'

[23'

50]

пока3ь1вают'

что'1'''д''*''""',*"й'ф"

й'р'*'вать1х

поверх-

ностях

по

мере

у,"'"','"

"д,,'"Б'й'щей

|ильт

значительно

быстр

ее

астет

-"'};Ё;;;'йфг

й"131й'ББ''

не

средние р

а3мер

ь1

площадок

.'*,''Ё'}"'"

"й'

дЁ"

тс-19йии

с'ари,ае*ого

ко!1такта'

Ф9€3!А11Ф:

".'о*'й"й"'

_у''',,."|

^,"_!'',.'

силу

сдавливания'

но

средн,','

'#,.|'']уру

,_:*:::'''и

контакта'

случае

у;;;;ъ

'й

'у'ру''.'йЁ!й,"'''' контакта

из-за

больших

,,,'''#'й*"'

*е''6

.1ла'йй!"'''"

деформашия'

воз-

оастающая

"",#'Ё]Ё"}й'й';;;1,^19!

р'"{

оуд''

йроисхоАить

Ао

|ех

,ор,

,'..

'.!ру'*Ё

ур,,,',Ёй',.'",

сопротивлением

местконта',,,"]^Ё.,];;.;';,."йй?"_о'ктической''площади

контакта

Р6

на

!",й"''"у'

',"'^',уБ__"

'р'д'''м

текучести

ма-

териала

*при

с)катии

от'

не

булет

равняться

прило>кенной

на-

грузке-.Р,

т.

е. Р

Р|с'о''

где

с1

коэфициент,

характери-

зуюший

)кесткость

неровностей.

условиях

комнатнь|х

температур

отно11]ение

площади

фак_

тического контакта

номинальной

площади

Р6|Р,

уменьшается

увеличением

нагру3ки.

1/170 000

1/10 000

100

300

|70о

!/ |30

|[о современнь|м

представлениям

при сварке

металлов

спла-

вов

без

расплавления

пластическая

леформация

преследует

три

3адач|4:

разругпение

удале}тие

результате

пластического

течения

поверхностнь1х

слоев

металла хрупких

поверхностнь1х

окиснь!х

пленок

загря3нений;

2) сбли>кение

свариваемь|х

по-

верхностей

для

обеспечения

"т|уч1пего

контакта

и' следовательно'

более

эффективного

атомного

взаимодействия;

обеспечение

достаточно

интенсивной

активации последующих

объемных

про_

цессов

(лиффузии,

рекристаллизации).

|!ри

лиффузионной

сварке в

вакууме или

среде

инертного

га3а'

когда чистота

атмосферь1

очень велика

окисление

деталей

при

нагреве практически

отсутствует'

отпадает

необходиштость

де-

формации,

вь1зь|вающей

значительное

течение

металла.

.[1,ля

созда_

ния

максимального контакта

мех(ду поверхностями

соприкосно-

вения'

необходимого

при образовании

фактинеского

(истинного)

контакта'

деформация

ну)кна

только

для

смятия

микронеровно-

стей

тлероховатостей

на свариваемь1х

поверхностях.

|1оэтому

основное

назначение

ус'1лия

с)катия

вь1звать

микро-

пластическую

деформацию'

со3дать

максимальнь:й

контакт

мех{ду

поверхностями

соприкосновения'

необходимый

для

образования

фактинеского

контакта

ра3вития

взаимной

диффузий.

поверхностях

контактирования

фронт

лиффузии

опреде-

ляется

рельефом

свариваемь|х поверхностей:

со

сни>л.(ением

ка-

чества

обработки

образу-

ются

локальнь1е

зонь1 по_

вьттшенной

диффузии,

ко_

торь]е

сохраняются

по

мере

удаления

от поверх_

ности

контактирования

(рис.13).

,*:,

^'';

!,!змененце

коэффацнен-

гп^а

оиффузни

пракон|:пакгпной

:!|!

3авцсц'14ос!п!1

о1п

внешней

1'!?р.!:',

;

рассп!оян!]е

о!]!

еранш-

чь!

конпакпцрованця:

мкм;

2*10

мкм;

3-!5

м{(м

+|)

Рцс.'

14.

€хема

птеплово2о

росшш-

реншя

мепаллов

в у3кой

приконтактной

зоне

хотя

наблюдаются

раз-

;;;;

величине

коэффи-

ц'"'"'

диффузии

при

рач1-1_

!'й

,'д.'"''ке

повер

хностеи-'

;;ъ;;

*",'''л,,ьт'

€

увели_

'","**

расстояния

от

поверх-

"Б"!й

"6,'актирования

коэф_

ф,ш'"""

д,фу:11^.:"_

:**:

}ж"#"*жщ#Ё'#,};;;;,{Б;,::"3;:{#"##];''}йх::''

;;;;;;;"

;бр

аооткй

сохраняетс"_

ч^::

Ат9мьт

.р"',''й"

Б'"

время

совеошают

колебательнь1е

дви_

)кения

относитель"''Б],"','ё,"'*

,'''?ййй

р''"'ке'

Ампли_

туда

этих

*',.б,,йй,Ё"'"'"!"]

зи

межатомного

расстояния'

|1ои увеличении

'й,"р'"уры

ампл.у:уда

колебаний

атомов

воз_

Ё'"!

'Ё"

р,

.йЁ"

йБ

й',^.'"''"

^*'':*и;.}"'*;'шй:

";:*:

"";;;;ъ;";

амплитуда

тепловь1х

}::::

атомного р^"."',.Б'

-Р'""

'*''"'ул,'

колебаний увеличивает

кинетическу'

,'{Ё,ц'.',,у'

'"'ф*'

атомов'

что

приводит

|"|,.у,'р'!доченности

атомов

металле'

йзменение

р'"''й'й,

м_е)кду

'^'{"ц,*"

ростом

темпера_

турь1г1'.',,,,й"я':.йФренкеля,.]Бй,,,,'1тарис.|4.для

каждой

""'."р''уЁ,/

или

соотве'"',у'ш"'

ей

уровня

энергии

!ьт';,',}*1?^;ъ{*:#:ъ$г*й$;*нц?;:}:йг#Ё!#3;

энерги

'',

'"''',1*й''г!^'

1 ар

а*'ер'щЁ;

аи6ольшее

сбл

ижение

;ж'т{'Ё;#

%:","#

{ ;!

;.}}}'."+ж:

]ц##.";"*

прямой

кр;;ъ;";;э:::)#н#;;}у;ф#ъ*#,;.?;",::;1""1}1;#т:}:

нжЁ;"н"'-?::ж;,'#";;;.;;.:.""'й":жу::з:!'']}!',.*..'

оасстоянию

,',

,,Бй''

'л.,'

,.'д'й'.',ь1;

вправо

частиць1

от-

'клоняютс"

."',']ЁЁ"",;;"';;;;:

!'!й'',*у

сйль:

притяжения

растут'",'."*'"",

й*

"й','

":1:{:::;ия'

г|оэтому

при

во3раста-

нии

темпер

а"ур,:

среднее

а'-'"ч11'Б_-йе>кд}

шентрами'

соседних

атомов дол)кно

увеличиваться'

что

',р"'!''',ет

тепловое

рас_

бине

приконтактной

зонь1

измен"""",

ф,''чнь1т\[

образом;

слу_

чае

'|редвар'"*',*''Б-Б'"'"р''''гического

полирования

поверх'

ностей

ко

ост

*;йу;;;

уу::у :,.х

"1ж:

-ж$;;

,''"#"11|

ширение.

1(оэффишиент

линейного

расширения

определяется

из

накло}1а

коивой

0с

вертикали'

1ай

как

угол',й^^''"^

касательнь1х

для

'!д"',н,:х

у,.""'',_|;;й

0с

вер'ий-али

[э4'

соответствуюш1их

возрастаютт1им

значениям

температурь1'

непрерь1вно

увеличи-

вается'

коэффишиент

линейного

расширения

ростом

температурь]

возрастает.

€редний коэффг:циент

линейного

рас1ширения

12-!1 \

т2-|'

где-!-,

и |т

длина

образца

при температурах

и 7у

йстиннь:й

коэффициент

лийейного

расширения

&.:

а|

а[т

|{оэфициент

объемного

расширения

3с.

3то

равенство

не

является справедливь|м

для

поликристаллов

монокристаллов

всех

кристаллографинеских

систем'

кроме кубинеской.

.&1еталль:

кубинеской

ретттеткой

расгпиряютсй

при нагреве и3отропно;

металль1

с некубинеской

регшеткой

часто

расширяются'

а|'изо-

тропно.

|{аиболее

ва>кньтй

ре3ультат

повь11пения

температурь1

твердого

тела

увеличение

в нем

скоростей

диффузии.3то

относится как

к самодиффузии'

так

и к

диффузии

атомов

легирующих

элементов.

€корости

физинеских

и химических

и3менени}а,

осуществляемь|е

лиффузионнь1м

путем'

могут

бьтть

во

много

раз

увеличень1

за счет

относительно

небольш.:ого

увеличения

температурь:.

1емпература

ускоряет

перераспределение

атомов

при

сбли>кении

отдельнь|х

микроучастков

контактной

поверхности.

Рост

температурь1

спо-

собствует

уве-личению

несовер1пенств

кристалличе!ко"й

струк-

туре'

это

облегчает

ра3витие

релаксационнь|х

процессов'

в том

числе

дифузионнь:х.

3кспериментально

установлено'

что

при

низких

температуре

скорости

диффузии

соединение

получается

низкого

качества'

а'

чрезмерное

увеличение

температурь1

вь|3ь|вает

вь1сокие

скорости

{|ФФтзии

и прйводит

росту

3ерна

пр}1

сварке

однороднь|х

ме-

:1{{',

или

образованию

интерметаллического

слоя

при сварке

ра3нороднь1х

металлов'

что

ухуд]1|ает

механические

свойс}ва

соединения.

.'..-!р, ч'агреР9

них{е

температурь1

рекристалл

143А\\АА, но

обеспе-

:::::щ"й

лиффузию

-атомов

и молекул,

затрудняются

процессь|

:'::.:*,

поверхностей

от

окислов

разлиннь:х

загрязнений,

}:]д:т".я

условия деформации

микровь!ступов

и' самое

глав_

п(-,е'

достаточной

степен-и

не

развиваются

процессь|

рекристал_

*1'-'1]]: _"риводящие

образов}"".

'бщ'*

3ерен в 3оне

соедине-

]1_]

однороднь|х

металлов

необходимое

условие

для

получения

};::::":11"'"

соединения

т.е'черфура

рекристалл".ац""

тр

#:::':м^е_таллов' ]о

Ааннь:м А.

А.^

Бо.|вара,

зависит

от темпера-

..тРь:-

т1-/[€Б,г[ения

7,,':-

(0,35-:-0,45)

7,,'.

.'ведение

примесей

в'

мет)лл

1легиров!Ёие)

увелинивает

тем-

[1ературу

рекристалли3ации:

:-.0,ъ+-0,8)

?,,,

сплава.

1акие