Книги, научные публикации Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | -- [ Страница 1 ] --

МНСТЕРСТВО ОСВТИ НАУКИ УКРАпНИ Укранський державний морський технчний унверситет мен адмрала Макарова В.В. КВАСНИЦЬКИЙ СПЕЦАЛЬН СПОСОБИ ЗВАРЮВАННЯ Рекомендовано Мнстерством освти

науки Украни як навчальний посбник Миколав 2003 УДК 621.79 ББК 34.641 К 32 Рекомендовано Мнстерством освти науки Украни як навчаль ний посбник. Лист № 14/18.2-967 вд 10.05.2002 р.

Рецензенти: доктор технчних наук, професор В.Д. Кузнецов;

доктор технчних наук, професор Ю.М. Лебедв;

кандидат технчних наук, доцент Г.П. М'яльниця.

Науковий редактор - доктор технчних наук, професор В.Ф. Квасницький.

В.В. Квасницький К 32 Спецальн способи зварювання: Навчальний посбник. - Мико лав: УДМТУ, 2003. - 437 с.

ISBN 5-87848-096-4 Посбник укладено вдповдно до програми курсу "Спецальн способи зварювання" призначено для студентв спецальност "Технологя та устат кування зварювання", нших кораблебудвних машинобудвних спецально стей. Вн може бути корисним також для аспрантв молодих спецалств.

УДК 621. ББК 34. й Квасницький В.В., ISBN 5-87848-096-4 й Видавництво УДМТУ, ВСТУП Зварювання - один з провдних технологчних процесв, який широко застосовуться в рзних галузях господарства. Ефективнсть машин, енергетичних установок, багатьох нших виробв значною м рою визначають конструкцйн матерали, що постйно вдосконалю ються та створюються х нов марки класи. У судно- та машинобуду ванн розширються застосування високомцних та високолегованих сталей, сплавв алюмню, титану, мд тощо як в однордних, так в рзнордних сполученнях. Успшне використання цих матералв за безпечуться розвитком зварювального виробництва.

Подальше пдвищення ефективност зварювального виробництва може бути досягнуте як за рахунок удосконалення снуючих способв зварювання, так застосування нових. Наприклад, вдом високоефек тивн способи зварювання суднокорпусних конструкцй струмами ви соко частоти [63], при яких продуктивнсть прац зроста в 5Е6 разв у порвнянн з механзованими способами електродугового зварюван ня, а також вдпада необхднсть використання електродв, флюсв зварювальних дротв. Наслдком розвитку снуючих дугових способв мпульсно-дугове зварювання. Велику роль у суднобудуванн вд гра термчне рзання, за допомогою якого переробляться близько 80 % всього металу. За трудомсткстю термчне рзання склада 10Е20 % загального обсягу робт у суднокорпуснооброблювальному виробництв [23]. Найбльш широко застосовуться повтряно плазмове рзання, яке замнило газо-кисневе. Використання тонколис тових матералв сприяло розвитку мкроплазмового рзання зварю вання. У суднобудуванн розширються застосування лазерно оброб ки металв [157].

Ремонт суден кораблв на плаву, будвництво морських гдротех нчних споруд, пдводних трубопроводв рзного призначення, осво ння континентального шельфу важко уявити без пдводного рзання та зварювання.

Важливе значення для Украни ма енергетика. Ефективнсть енер гетичних установок знаходиться в прямй залежност вд параметрв робочого тла. Наприклад, розрахунки та досвд експлуатац газотур бнних установок показують, що пдвищення температури газу перед турбною з 820 до 1050 С дозволя подвоти потужнсть та пдвищити економчнсть без змни габаритв [48]. Пдвищення температури робочого тла пов'язане з виробництвом високожаромцних дисперс нозмцнених, композитних та неметалчних матералв, як неможливо з'днати електродуговим зварюванням. При виготовленн ряду деталей застосування електродугового зварювання неможливе за конструкцй ними особливостями.

В енергетиц та новй технц використовують тугоплавк метали та х сплави, що мають високу хмчну активнсть щодо газв та над звичайно чутлив до перегрву при зварюванн. У приладобудуванн, радоелектронц, новй технц, нструментальному виробництв необ хдн прецизйн способи зварювання з обмеженою температурою на грвання.

Виршення перерахованих та багатьох нших проблем стало мож ливим завдяки розробц спецальних способв зварювання. Створен для зварювання певних матералв або конструкцй, ц способи вияви лися бльш ефективними, нж традицйн електродугов та електрокон тактн, також при виготовленн деталей, вузлв конструкцй, що зви чайно вироблялися за допомогою традицйних способв. Разом з тим спецальн способи зварювання змнили уявлення про здатнсть мета в до зварювання: багато з них перейшли з розряду металв, що пога но зварюються, у розряд металв з доброю або задовльною здатнстю до зварювання.

Головним недолком електродугового зварювання вдносно не велика концентраця енерг в дуз та недосконалсть захисту металу вд взамод з азотом та киснем. Тому досить тривала дя високих тем ператур при недостатньому захист металу може призвести до втрати ним важливих властивостей (пластичност, мцност, корозйно стй кост, стйкост проти переходу в крихкий стан тощо). Значн розмри шва зони термчного впливу зумовлюють велик витрати електрично енерг та значн пластичн деформац зварних конструкцй. - недо ки значною мрою можуть бути усунут при використанн джерел тепла з високою концентрацю енерг (електронний та лазерний промен), управлнням процесами плавлення переносу металу та фор мування шва, застосуванням вакуумного захисту, а також зварювання в твердому стан.

У другй половин двадцятого столття створено десятки нових способв зварювання. Теоря, технологя та обладнання багатьох з них висвтлен в монографях та наукових статтях. У даному навчальному посбнику детально розглянути вс способи та х використання немо жливо. Тому, по-перше, посбник мстить досить великий список те ратури, що полегшу самостйну роботу студентв та знайомить х з рзними поглядами авторв. По-друге, в посбнику детальнше висвт лено поширен способи зварювання тиском та плавленням, як дозво ляють найбльш ефективно виршити проблеми з'днання спецальних сталей сплавв, кольорових та тугоплавких металв, композицйних та неметалчних матералв, створення спецальних деталей конструк цй в особливих умовах та з використанням рзномантних джерел теп ла. За фзико-хмчними, тепловими металургйними процесами, тех нологю та обладнанням ц способи, як правило, суттво вдрзняють ся вд електродугового й електрошлакового зварювання, що склада ють основу курсу "Зварювання плавленням", та контактного зварю вання, що склада основу курсу "Зварювання тиском".

Розвиток та впровадження багатьох спецальних способв зварю вання спорднених технологй вдбувалися завдяки прац радянських та укранських вчених, а також особисто Президента Нацонально академ наук Украни академка Б.к. Патона. Серед органзацй провд ну роль у розвитку багатьох з цих способв вдграв нститут електро зварювання мен к.О. Патона НАН Украни.

Посбник написано вдповдно до програми однойменного курсу в УДМТУ. Вперше такий курс лекцй лабораторних занять був уведе ний у МВТУ мен М.Е. Баумана академком Г.О. Нколавим та про фесором М.О. Ольшанським. В УДМТУ вн викладаться вже деклька десяткв рокв вдгра важливу роль у пдготовц нженерв для ряду провдних пдпримств Украни.

Автор висловлю щиру подяку науковому редактору проф.

В.Ф. Квасницькому, рецензентам проф. В.Д. Кузнецову, проф.

Ю.М. Лебедву та доц. Г.П. М'яльниц за цнн зауваження та поради при пдготовц посбника.

1. ТЕОРЕТИЧН ОСНОВИ ЗВАРЮВАННЯ ТИСКОМ У промисловост найбльш поширеним способом зварювання тис ком контактне зварювання, а при виготовленн автомоблв цей спо сб основним. У суднобудуванн контактне зварювання застосовують у цехах добудови при виготовленн круглих прямокутних сталевих вентиляцйних труб, сток, рат, а також шухляд, щитв, шаф та нших виробв з алюмнвих сплавв. Застосування контактного зварювання може значно зрости в заготвельних та основних цехах пдпримств (стикове зварювання набору, полотнин тощо). Точкове зварювання по шару рдкого клею використовують у виробництв цлого ряду кле зварних конструкцй.

Спецальн способи зварювання тиском, як розглядаються в посб нику, суттво вдрзняються вд контактного зварювання. Вони теж уже вийшли за меж лабораторй без них неможливе виготовлення багатьох важливих вузлв конструкцй. Наприклад, у суднокорпусо будуванн часто необхдно до сталевого корпусу приварювати надбу дови, рубки, труби, лера з легких алюмнво-магнвих сплавв. Па лубн надбудови довжиною в клька десяткв метрв виготовляють з сплавв АМг5В чи АМг61, а корпус - з стал 09Г2 чи 10ХСНД. Алю мнй з залзом утворюють крихк нтерметалди FeAl3, Fe2Al5 тощо.

Безпосередн зварювання плавленням алюмнвих сплавв з сталлю не да позитивних результатв. Одним з способв виготовлення стале алюмнвих корпусних конструкцй х з'днання за допомогою бме талчних вставок. Бметалчн вставки встановлюють мж елементами конструкц з рзнордних металв. При такому способ надбудова з'д нуться з алюмнвою частиною вставки звичайними способами зва рювання плавленням, а корпусна сталь зварються з нержавючою сталлю аустентними електродами за технологю, передбаченою для зварювання хромонкелевих сталей з вуглецевими. Вибр режимв зва рювання ведуть з урахуванням того, що бметал у зон стика не пови нен нагрватися вище 450 С, щоб уникнути утворення нтерметалдв та розшарування вставки. Цим способом можна з'днувати рзнордн метали, отримуючи з'днання стиков, тавров, кутов та внапусток.

Розроблено технологю виготовлення та органзовано промисло вий випуск бметалчних листв АМг6 + сталь 12Х18Н10Т зварюван ням прокаткою вибухом. Бметалчн листи товщиною 3,5Е11,0 мм випускають площею до 1,3 м2. Зварювання тиском застосовують для одержання бметалчних листв труб, що мають нш сполучення ма тералв, наприклад: алюмнй + Ст3, титан + сталь, мдь + сталь, ла тунь + сталь, нержавюча сталь + вуглецева сталь.

Спецальн способи зварювання тиском (дифузйне, тертям, холод не, ультразвукове тощо) дозволяють значно розширити можливост виготовлення зварних деталей та конструкцй. Наприклад, дифузйне зварювання у вакуум дозволя здйснити так зване прецизйне зварю вання, тобто одержати конструкц з заданими розрахунковими розм рами та з металв, що характеризуються надзвичайно високою актив нстю до газв;

ультразвуковим зварюванням з'днують детал елект ронно радоелектронно технки т. н. Звичайно кожний з спецаль них способв зварювання ма певну найбльш ефективну сферу засто сування. Для кожного способу характерн сво параметри режиму та особливост зварювання. Завдяки цьому було висунуто досить багато гпотез зварювання тиском: плвочна, енергетична, рекристалзацйна, дифузйна, електронна та нш, але вони базувалися на дослдженн певних процесв та х впливу на зварювання, причому процеси вивча лися на рзних структурних рвнях. Тому в посбнику перед розглядом теоретичних основ зварювання тиском наведено коротк вдомост про будову металв сплавв.

1.1. Будова металв сплавв Склад будова матералв для зварних конструкцй визначають х властивост та технологю обробки, у тому числ зварювання та паяння.

Розглядаючи будову матералв, можна говорити про його макро- мк роструктуру, атомну кристалчну структуру. Кнцевою ланкою в рар хчнй послдовност структур електронна. Кожна з перерахованих структур вплива на властивост матералу. Вплив на властивост мате ралу електронно структури опису теоря електронних станв, криста чно - динамка раток, атомно - теоря точкових дефектв дислока цй, мкроструктури - теоря границь зерен. Вплив макроструктури ви значаться клькстю характером макродефектв у матерал, наприклад пор, трщин тощо. Перерахован структури знаходяться у взамозв'язку та взамод [1,137]. Аналз кожного рвня структури може бути зробле ний тльки на основ структури бльш глибокого рвня.

Завдання технологчного процесу зварювання - створення мж атомних зв'язкв мж елементами, як з'днуються в конструкц, тобто утворення в результат електронно взамод енергетично стйких електронних конфгурацй. Наприклад, при зварюванн будь-якого сплаву або чистого металу в зон з'днання повинна бути структура, характерна для цих матералв. Оскльки структуру можна розглядати на рзних рвнях, то в центр уваги будуть рзн процеси. При вивченн з'днань на мкроструктурному рвн предметом дослджень будуть границ зерен, на атомному рвн - фзична мкронеоднорднсть, на макроструктурному рвн - стан поверхн та макродефекти. Встанов лення мжатомних зв'язкв можливе тльки при зближенн поверхонь, що з'днуються, на мжатомн вдстан, а цьому перешкоджають нерв ност, шорсткост забруднення поверхонь. - перешкоди повинн бу ти усунут. Якщо мж поверхнями встановлюються мжкристалтн мжатомн зв'язки, тобто зв'язки мж зернами з рзним кристалографч ним орнтуванням, то з'днання буде поступатись основному металу за мцнстю, особливо при високих температурах. Для забезпечення рвноцнност з'днання й основного металу за механчними властиво стями, у зон з'днання повинн утворюватися спльн зерна мж еле ментами, як з'днуються. У зон зварювання не повинно бути також дефектв кристалчно структури: пористост, фзично хмчно мк ронеоднордност тощо. Таким чином, на властивост з'днань впли вають електронна, атомна, кристалчна, мкро- макроструктури мета лу, що утворюються в зон зварювання.

1.1.1. Електронна структура атомв твердих тл. Стан та енергя електронв в атом визначаються чотирма квантовими числами: п - го ловне квантове число, що визнача енергю розмр електронно орбта л та спвпада з номером пероду елемента в Перодичнй систем еле ментв Д.. Менделва;

l - орбтальне квантове число, що змнються вд 0 до п - 1 визнача енергю, орбтальний момент клькост руху форму орбтал;

ml - магнтне квантове число, що змнються вд Цl до 1 +l;

ms - спнове квантове число, що ма тльки два значення: + -.

2 Електронн оболонки, як мають головн квантов числа n, як до рвнюють 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, позначаються вдповдно буквами K, L, M, N, О, P, Q. Орбтальн квантов числа l, як дорвнюють 0, 1, 2, 3, 4, позначаються вдповдно s, р, d, f, q. Сукупнсть електронв з однако вим значенням l визнача пдгрупу (пдрвень) дано оболонки. Напри клад, оболонка п = 2 ма дв пдгрупи типв: s, p. У показнику типу пдгрупи вказуться число електронв у пдгруп. Наприклад, електро нна конфгураця алюмню записуться так: 1s2 2s2 2р6 3s2 3р1.

Вдповдно до принципа заборони Паул, в атом не може бути двох електронв з однаковими всма чотирма квантовими числами.

Тому загальна кльксть електронв на певнй оболонц l=n- Nn = 2 +1) = 2n2.

(2l l= Для головних квантових чисел n = 1, 2, 3, 4, 5, 6;

кльксть елект ронв на заповнених оболонках склада вдповдно 2, 8, 18, 32, 50, 72, а в пдгрупах за типами - вдповдно s2, р6, d 10, f 14, q18.

Заповнення електронв починаться з найнижчих дозволених рв нв, цей стан характеризуться значенням енерг, що називаться енергю Ферм (рвень Ферм). При абсолютному нул вс рвн, нижч рвня Ферм, заповнен, а вищ - вльн. При пдвищенн температури внаслдок збудження частина електронв переходить на рвн, вищ рвня Ферм.

Заповнення пдоболонок даного електронного рвня вдбуваться за правилом Гунда (Хунда): спочатку неспареними електронами тльки потм утворюються пари електронв з протилежними спнами. Звдси виплива досить висока стйксть не тльки цлком заповнених, але й наполовину заповнених електронних пдрвнв, наприклад p3, d 5, f 7.

Стацонарним станам атомв вдповдають визначен величини енергй, але при поглинанн квантв свтла збльшенн енерг частина електронв переходить на бльш вддален рвн (збудження атома).

Перехд електронв з верхнх рвнв на нижн супроводжуться випромнюванням квантв енерг, частота якого визначаться з рв няння М. Планка:

c E = E2 - E1 = h = h, (1.1) де Е - енергя випромнювання;

Е2 - енергя електрона на верхньому рвн;

Е1 - енергя електрона на нижньому рвн;

- частота випром нювання;

h - постйна Планка;

с - швидксть свтла;

- довжина хвил випромнювання.

Рвняння (1.1) ма важливе значення для лазерно технки.

Вдповдно до принципа невизначеност Гейзенберга, точне по ложення та мпульс електрона визначити неможливо. Частину просто ру, в якй моврнсть знаходження електрона дорвню 0,9, називать ся орбталлю (якщо ймоврнсть прийняти за 1,0, то простр перетво рються на нескнченнсть).

При зварюванн доводиться мати справу не з зольованими ато мами, а з твердими тлами та рдинами. При зближенн атомв утво ренн твердого тла взамодя атомв вплива на електронн рвн. Коли зближення досяга мжатомних вдстаней у твердому тл, енергетичн електронн рвн перекриваються розщеплюються. пх кльксть у зон зроста, а ширина зони залишаться постйною. При цьому д прин цип заборони Паул. Розщеплення рвнв призводить до утворення майже безперервних енергетичних смуг. У реальних твердих тлах, де кльксть атомв склада 1023 смЦ3, число рвнв у зон ма той же поря док. Розподл рвнв та розширення енергетично смуги спочатку вд буваться у валентних електронв. Внутршн електронн рвн можуть розщеплюватися тльки при подальшому зближенн ядер.

Розщеплення енергетичних рвнв валентних електронв унаслдок взамод атомв визнача енергю зв'язку атомв у кристалах та багато властивостей твердих тл.

Електронна теоря твердого тла у свому розвитку пройшла декль ка етапв: класична теоря вльного електрона Друде Лоренца, кван това теоря вльного електрона Зоммерфельда, зонна теоря Блоха для руху вльних електронв у перодичному пол кристалчно ратки, конфгурацйна модель електронно структури речовини.

Ступнь заповнення дозволених зон та величина розриву мж ни ми визначають властивост твердого тла як провдника, делектрика або напвпровдника. В золятор вс зони, як мають електрони, запов нен, а розрив мж зонами (ширина заборонено зони) склада 5Е10 еВ. При цьому електрони не можуть прискоритися зовншнм полем та подолати енергетичний бар'р. Тльки при дуже сильних по лях частина електронв може отримати енергю, достатню для перехо ду в розмщену вище порожню зону (зона провдност), що призводить до втрати делектричних властивостей тла.

Напвпровдники, як золятори, мають порожн та заповнен зо ни, але ширина заборонено зони, на вдмну вд золяторв, мала склада 0,1Е1,0 еВ. Навть невелике теплове збудження може перевес ти електрони через цей бар'р у зону провдност, кристал ста пров дником. Введення в напвпровдник атомв нших елементв також може рзко змнити його провднсть, причому механзм впливу може бути рзним. Наприклад, розглянемо провднсть кремню (IV група) при додаванн фосфору (V група) та ндю (I група). При малих кон центрацях атоми фосфору та ндю замщують у кристалчних ратках атоми кремню. При цьому фосфор ма на один валентний електрон бльше, а ндй - на один менше, нж кремнй. Зовншн електронн конфгурац кремню - 3s23p2, фосфору - 3s23p3, ндю - 5s25p1. У кри сталах кремню атоми-домшки прагнуть пристосовуватися до зв'язкв основного кристалу чотири електрони фосфору використовуються для зв'язку, а один електрон ста зайвим переходить у зону провдно ст, що збльшу провднсть кремню.

При додаванн ндю до кремню для забезпечення зв'язку в атома ндю недоста одного електрона, вн може запозичити його в атома кремню. При цьому у валентнй зон кремню ста на один електрон менше, тобто виника дрка, яка ефективним носм електричного струму, провднсть кремню зроста.

Домшков атоми фосфору або ншого елемента з V групи нази ваються донорами або домшками n-типу, а домшки ндю або ншого елемента з групи називаються акцепторами або домшками р-типу.

Донорн домшки вносять електрони в зону провдност, а акцеп торн домшки вносять дрки у валентну зону.

У провдникв (металв) верхня зона (зона провдност) заповнена приблизно наполовину. Пд дю зовншнього електричного поля електрони отримають додаткову енергю перейдуть на один з рвнв, який був порожнм, що забезпечу провднсть струму.

Зонна теоря дозволя пояснити багато закономрностей та вла стивостей твердих тл, але застосування до d-перехдних металв не да задовльних результатв. Тому для цих металв розроблялася кон фгурацйна електронна модель [119].

Згадамо, що, залежно вд заповненого в даного елемента елект ронного рвня (валентн електрони), його вдносять до s-елементв, р-елементв, d-елементв або f-елементв. До s-елементв належать H, He, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra;

до p- або sp-елементв - B, C, N, O, F, Ne, Al, Si, P, S, Cl, Ar, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, In, Sn, Sb, Te, , Xe, Tl, Pb, Bi, Po, At, Rn;

до d-елементв - Sc, Ti, V, Cr, Mn. Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg;

до f-елементв - лантаноди та актиноди.

Елементи групи мають зовншню електронну конфгурацю s1 та валентнсть +1, групи - конфгурацю s2 та валентнсть +2. Однак в елементв пдгрупи Cu ( група) Zn ( група) оболонка d10 не стйка, хоча повнстю заповнена. п електрони можуть брати участь в утво ренн зв'язку, атоми можуть проявляти валентност, вдмнн вд ука заних вище. Тому ц елементи вднесен до d-елементв. Вони можуть залишатися s-елементами.

У d-перехдних металв розмщена нижче валентно оболонки d-оболонка заповнена частково, що обумовлю особлив властивост цих металв. Основна особливсть електронно структури перехдних металв поляга в близькост (п - 1)d, ns i np енергетичних рвнв, на приклад, 3d, 4s i 4p, у зв'язку з чим d-електрони значною мрою беруть участь в утворенн зв'язку. У твердих кристалах енергетичн рвн d-оболонки розщеплюються розширюються в частково заповнен смуги, як перекриваються s-смугами.

Детальний огляд рзних моделей електронно будови твердих тл наведено в робот [119]. Найбльш складним виявилося пояснення вла стивостей d-перехдних металв. Л. Полнг запропонував модель, згд но з якою в конденсованому стан елементв d-електрони подляються на два типи з рзною участю в утворенн зв'язкв. Аналогчн погляди у В. Юм-Розер В.К. Григоровича. М.. Корсунський, Я.к. Генкн та нш припускали можливсть снування трьох груп d-електронв: усу спльнених електронв, електронв, що забезпечують валентн зв'язки в гратц та нертних до участ в зв'язку. У роботах Еренрайха Ф.М. Гальперна розглянуто модель нейтрального атома в кристал.

Спочатку ця модель була запропонована Вгнером Зейтцем у вигляд комрково схеми розрахунку енергетичного спектра лужних металв.

У нй була введена умова електронейтральност комрки з радусом ВгнераЦЗейтца. Вс ц модел дають можливсть оцнити рзн власти вост металв, але не дозволяють описати кнетичн процеси, оскльки вимагають багатоелектронного аналзу електронейтральност атомно комрки, локалзац електронв у кристал, стабльност електронних конфгурацй.

Питання електронних конфгурацй та х стабльност розгляда ються Г.В. Самсоновим та його спвробтниками в робот [119] з на ступними припущеннями:

- валентн електрони в конденсованому стан речовин снують у вигляд двох пдсистем - частково локалзованих та усуспльнених;

- частково локалзован електрони повинн описуватися в набли женн конфгурацйних флуктуацй на кожному вузл ратки в межах коротких характеристичних промжкв часу;

- енергетично найбльш стйкими станами вльн, напвзаповне н та повнстю заповнен електронн конфгурац (атомна стабль нсть), а напвзаповнен конфгурац, крм того, найбльш ефективн при утворенн мжатомних зв'язкв (зв'язуюча стабльнсть);

- стабльнсть електронних конфгурацй функцю головного квантового числа електронв, як х утворюють.

Концепця конфгурацйно локалзац електронв використовува лася ранше в модел С.В. Вонсовського та н. У всх цих моделях еле ктронн стани твердого тла вважаються близькими до атомних, але х флуктуац вдповдають умовам зонно модел. Конфгурацйна мо дель органчно включа ефекти зонно структури.

Атомна стабльнсть електронних конфгурацй характеризу схильнсть конфгурацй до збудження, зв'язуюча стабльнсть конт ролю сили мжатомно взамод в кристал. Пдвищення стабльност електронних конфгурацй обумовлю рст нертност елементв та енерг зв'язку. Для d-елементв зв'язуюча стабльнсть електронних конфгурацй та енергя зв'язку ростуть з збльшенням головного кван тового числа.

В енергетичному вдношенн для sp-елементв найбльш стабль ною s1p3 (квазстйка) та s2p6 конфгурац. З збльшенням головного квантового числа зв'язуюча стабльнсть sxpy конфгурацй пада.

Для d-елементв найбльшу атомну стабльнсть мають стани d 0, d 5, d10, причому стйксть d 5 вище нж d10, а d10 вище нж d 0. Для оцнки вдносно стабльност d п конфгурац запропоновано параметри [119]:

5 - nd P0 = 100%;

0 nd 5 ;

(1.2) nd P5 = 100 % ;

10 - nd P5 = 100 %;

5 nd 10, (1.3) nd - P10 = 100 % ;

де nd - кльксть локалзованих d-електронв в атом металу.

- параметри отримали назву статистично маси атомв з ста бльними d 0, d 5, d10 конфгурацями (скорочено СМАСК d 0, d 5, d10).

Розподл (s+d)-валентних електронв на усуспльнену частково локалзовану пдсистеми здйснено в ряд робт на основ експеримен тальних дослджень. Чим бльшою статистична маса d 5-станв, тим бльша кльксть локалзованих електронв мцнший мжатомний зв'язок. СМАСК перехдних металв наведено в табл.1.1.

Таблиця 1.1. Статистична маса атомв з стабльними електронними конфгурацями d-перехдних металв СМАСК, % Метал Р0 Р5 Р Скандй, Sc 84 16 Титан, Ti 57 43 Ванадй, V 37 63 Хром, Cr 27 73 Залзо, Fe 0 46 Кобальт, Co 0 18 Нкель, Ni 0 6 трй, Y 78 22 Цирконй, Zr 48 52 Нобй, Nb 24 76 Молбден, Mo 16 84 Лантан, La 77 23 Гафнй, Hf 45 55 Тантал, Ta 18 82 Вольфрам, W 6 94 з даних табл.1.1 видно, що, наприклад, у нобя з п'яти валентних електронв 3,8 локалзован, а 1,2 усуспльнен. Електрони в s-стан усуспльнен та послаблюють зв'язок.

Конфгурацйна модель речовини використовуться для оцнки процесв адсорбц, дифуз, сублмац та нших, як вдграють важли ву роль у з'днанн металв.

Електронна структура твердих тл визнача енергю зв'язку атомв у кристалах. Основними типами зв'язкв у твердих тлах онний, ко валентний, молекулярний (Ван-дер-Ваальса) металчний, однак зви чайно хмчн зв'язки комбнован мають промжний характер.

1.1.2. Сили зв'язку в твердих тлах. Експериментальн досл дження та теоретичн розрахунки показали, що характер мжатомно взамод визначаться будовою зовншнх електронних оболонок атомв [10]. На зовншнй електроннй оболонц атома утворються електронна конфгураця, яка близька до електронно конфгурац зо вншнх електронних оболонок атомв нертних газв. Внаслдок цього зменшуться енергя кожного атома вся система в цлому ста термо динамчно стйкою. Тому для яксного розгляду природи сил зв'язку в твердих тлах достатньо проаналзувати стани валентних електронв при взамод атомв на досить близьких вдстанях (порядку 10Ц10 м).

Ця взамодя ма характер обмну електронами мж атомами. Цей об мн вдбуваться безперервно, протягом усього часу снування криста ла. Для його здйснення необхдно, щоб електронн орбтал (квадрат модуля хвильово функц) рзних атомв перекривалися.

онний зв'язок. Ус онн кристали являють собою хмчн сполу ки. онний зв'язок утворються мж атомами двох видв: одн з них легко втрачають електрони, утворюючи катони (позитивно заряджен они), нш - легко приднують електрони, утворюючи анони (негати вно заряджен они). онний зв'язок виника лише мж атомами най бльш електропозитивних елементв (елементи груп Перодично системи) електронегативних елементв (VI та VII груп).

Класичним представником онних кристалв кам'яна сль NaCl.

зольований атом натрю (Z = 11) ма електронну конфгурацю 1s22s22p63s1, а атом хлору (Z = 17) - 1s22s22p63s23p5. При зближенн цих атомв натрй легко вдда 3s1-електрон, утворюючи стйку конф гурацю она 1s22s22p6, аналогчну атому неону, а хлор придну цей електрон, утворюючи стйку конфгурацю она 1s22s22p63s23p6, ана логчну атому аргону. Мж утвореними онами виникають кулонвськ сили притягання, як на близьких вдстанях урвнюються силами вд штовхування мж електронними оболонками сусднх атомв. - сили визначають стйксть онного кристала.

Внаслдок сильно електростатично взамод мж онами встано влються мцний зв'язок. Звичайно для онних кристалв характерн висок температури плавлення, мцнсть, твердсть, крихксть, теплота сублмац, дамагнетичн властивост.

Ковалентний (гомеополярний) зв'язок. Цей зв'язок виника мж атомами з однаковою або майже однаковою валентнстю внаслдок усуспльнення парою атомв (рдше - бльшою клькстю) валентних електронв з протилежно спрямованими спнами утворенням стйких електронних конфгурацй. На вдмну вд онного зв'язку, коли елект рони переходять вд одного атома до ншого виника значна асимет ричнсть розподлу зарядв, при ковалентному зв'язку суттвого пере розподлу зарядв не вдбуваться. Наприклад, у фтору з електронною конфгурацю 1s22s22p5 при зближенн двох атомв, що мають 2p еле ктрони з протилежними спнами, виника спльна електронна орб таль. Електрони, як знаходяться на нй, одночасно належать обом атомам. Внаслдок тимчасового запозичення електрона сусднього атома в кожного атома утворються електронна конфгураця 1s22s22p6, аналогчна атому неону, забезпечуться стйксть молекули фтору F2.

Бльшу кльксть електронв усуспльнюють атоми алмазу. Вуг лець ма електронну конфгурацю 1s22s22p2. В алмаз кожний атом вуглецю ма чотири найближчих сусднх атоми з конфгурацю ва лентних електронв 2s22p2 волод парою валентних електронв спльно з кожним з цих чотирьох атомв. У результат на його зовнш нй електроннй оболонц забезпечуться структура стйкого октету 1s22s22p6. В утворенн зв'язку беруть участь ус всм s- p-електронв унаслдок sp3-гбридизац (2s- 2p-орбтал змшуються). Ковалентн зв'язки, за винятком водню, визначаються об'днанням атомних хви льових функцй s- p-станв.

Для кристалв з ковалентними зв'язками характерн висок тем пература плавлення, теплота сублмац, твердсть, пружнсть, крих ксть. За електричними властивостями ковалентн кристали належать до напвпровдникв та делектрикв, але в деяких металах також зу стрчаться значна доля ковалентного зв'язку [10].

Молекулярний зв'язок (Ван-дер-Ваальса). Це слабкий електро статичний зв'язок, обумовлений силами притягання мж миттвими еле ктричними диполями, як виникають унаслдок руху електронв в ато мах молекулах. При зближенн атомв електрони кожного з них зм щуються вдносно ядра. Внаслдок координац руху електронв в елект ронних оболонках та ндуктивного перерозподлу зарядв вдбуваються взамна поляризаця атомв зТявляються сили Ван-дер-Ваальса.

Сили Ван-дер-Ваальса дють у рзних кристалах незалежно вд природи атомв, але вони досить слабк. При наявност значно сильн шо мжатомно взамод (онного, ковалентного або металчного зв'яз ку) ц сили практично не вдграють няко рол.

Для молекулярних кристалв характерн низьк температури плав лення теплоти сублмац та висок коефцнти термчного розши рення.

Металчний зв'язок. Цей зв'язок обумовлений валентними елек тронами. Вони слабко зв'язан з атомом, рвномрно розподляються та легко рухаються в простор мж атомами, як з'днуються в кристал.

Електрони усуспльнюються не деклькома атомами кристала, як у випадку ковалентного зв'язку, а всма атомами, тобто утворюють еле ктронний "газ", що заповню весь кристал. За теорю вльного елект рона Друде, позитивн они металу, як виникли внаслдок втрати ва лентних електронв, утворюють кристалчну гратку. Взамодя мж онами та валентними електронами визнача стйксть ус системи.

Утворення металчного зв'язку в кристалах обумовлено двома принципово важливими явищами [10]:

1. Кожний атом набува структури попереднього нертного газу виникають вдповдн зменшенню енерг сили притягання.

2. Колишн валентн електрони атомв стають усуспльненими, тобто утворються електронний газ, що належить усьому кристалу.

Наприклад, атом натрю ма в зольованому стан електронну конфгурацю 1s22s22p63s1 , вддавши до складу електронного газу диний валентний 3s-електрон, набува стабльно структури атому неону 1s22s22p6. Це призводить до енергетичного виграшу: кулонвсь ка взамодя колективзованих електронв з атомними залишками утриму перш в об'м кристала.

Електронний газ компенсу сили вдштовхування мж онами зв'язу х у тверде тло. Бльшсть металв мають щльно упакован кристалчн ратки: кубчну гранецентровану (г.ц.к. ратку) гексого нальну щльно упаковану (г.щ.у. ратку). Перехдн тугоплавк метали (хром, молбден, вольфрам, ванадй, тантал) мають кубчну об'мно центровану ратку (о.ц.к. ратка). Таку ж ратку ма залзо до темпера тури 910 С. У кристалах цих елементв, крм металчного зв'язку, д також ковалентний зв'язок, зумовлений електронами внутршнх не зайнятих оболонок.

Таким чином, метал складаться з двох пдсистем: легко та важ ко. Легка пдсистема - це колишн валентн електрони атомв металу, що дуже рухлив миттво реагують на будь-яке електромагнтне по ле. Важка пдсистема - це атоми, як в процес виникнення металчно го стану речовини втратили сво валентн електрони. У кристалчних металах вони знаходяться у вузлах кристалчно ратки. В аморфних металах вони не утворюють у простор правильних геометричних структур, але деяк ознаки порядку в х розташуванн снують. В обох випадках атоми перебувають у постйному рус. Оскльки валентн електрони стають спльними для вс важко системи, то металчний зв'язок не носить направленого характеру, чим обумовлена пластич нсть та здатнсть металу до деформування.

У металах сну три види явищ, що пов'язан з х будовою [10]:

явища, в яких легка пдсистема (електронний газ) проявля сво вла стивост автономно (електропровднсть при низьких температурах, парамагнетизм вльних електронв тощо);

явища, в яких важка пдсис тема (атоми) проявля сво властивост значною мрою незалежно вд електронного газу (пластичн властивост, ратков тепломнсть та теплопровднсть, теплове розширення тощо);

явища, суть яких поля га в сильнй безпосереднй взамод легко важко пдсистем (елек тропровднсть, надпровднсть, електрофзичн властивост у високо частотних полях).

Наведена вище класифкаця фзичних явищ у металах умовною, оскльки не можна вдокремити одну пдсистему вд ншо. Наприклад, висока пластичнсть металв обумовлена самою природою металевого стану, а саме - неспрямованстю металчних зв'язкв. Але така класи фкаця дозволя видлити основн риси характерн особливост явищ. Вдповдно видляють електронн властивост металв (термо електронну емсю, надпровднсть, електричний опр тощо), як обу мовлен самою електронною системою та взамодю з раткою.

Валентна зона металв мстить незайнят рвн безпосередньо над рвнем Ферм. При передач електронам незначно енерг вони можуть переходити на незайнят рвн, тобто збуджуватися. Низька енергя збу дження електронв обумовлю тепло- та електропровднсть металв.

Усуспльнення валентних електронв у металах призводить до то го, що в твердому стан металу вони займають бльш низьк енергети чн рвн, нж в зольованому атом, забезпечують енергю зв'язку твердого тла аналогчно до утворення хмчного зв'язку.

1.1.3 Кристалчна структура твердих тл. Пд кристалчною структурою розумють таке розмщення атомв (онв, молекул) у кристал речовини, яке вдповда перодичному повторенню певного "узору" в трьох вимрах. Основна особливсть кристалчного твердого тла поляга в тому, що будь-який конкретний об'м речовини можна отримати послдовною прибудовою до вже снуючо речовини елемен тарно комрки кристалчно ратки. Отже, для геометричного опису певно деально кристалчно структури досить знати елементарну комрку.

Кристалчна структура описуться за допомогою моделей криста чно ратки, яка ма розмщення в певнй закономрност точок, на вколо яких коливаються атоми в кристал. Кожна точка при цьому ма однакове оточення та вузлом ратки.

снують теор досконало (деально) недосконало (реально) структури. Теоря деально структури певною мрою може бути опи сана електронною структурою речовини. Оскльки закономрне роз мщення атомв вдповда бльш рвноважному стану, то вс тверд тла повинн були б мати кристалчну будову. Однак снують аморфн тла (наприклад, скло), як мають розмщення атомв, характерне для рдкого стану. - тла можна розглядати як сильно переохолоджен рдини, в яких спостергаться лише ближнй порядок. При швидкост охолодження бльше 106 К/с аморфний стан можна зафксувати в ме талв (металеве скло).

Математично доведено, що можна 14-ма рзними способами роз мстити точки в простор, кожна з яких буде мати однакове оточення.

Бльшсть металв мають порвняно прост кристалчн структури, так, як кубчна об'мноцентрована (о.ц.к.), кубчна гранецентрована (г.ц.к.), гексагональна щльно упакована (г.щ.у.).

Для рзних типв раток важлив так характеристики, як коорди нацйне число, атомний радус, щльнсть упаковки. Координацйне число показу кльксть найближчих сусднх атомв дорвню для о.ц.к. - 8, г.ц.к. - 12, г.щ.у. - 12.

Атомний радус визначаться як половина вдстан мж найближ 3 чими сусдами в кристал дорвню для о.ц.к. - a, г.ц.к. - a, 4 де а - ребро куба.

Вдносна щльнсть упаковки показу долю об'му, зайнятого сферичними атомами в об'м вс структури, склада для о.ц.к. - 68,1 %, г.ц.к. - 74,0 %.

Атомн радуси деяких елементв наведено в табл.1.2.

Таблиця 1.2. Атомн радуси деяких елементв Атомний Атомний Атомний Елемент Елемент Елемент радус, радус, радус, Al 1,43 Hf 1,58 Rh 1, Ag 1,44 Ir 1,36 Ru 1, Au 1,44 K 2,31 Si 1, Be 1,11 Li 1,52 Sn 1, C 0,72 Mg 1,60 Ta 1, Co 1,43 Mo 1,36 Ti 1, Cd 1,49 Na 1,86 Th 1, Cr 1,25 Ni 1,25 Tl 1, Cs 2,63 Os 1,34 V 1, Cu 1,28 Pb 1,75 W 1, Fe 1,24 Pd 1,38 Zn 1, Ge 1,23 Pt 1,38 Zr 1, Примтка. 1 = 110Ц10 м.

Для позначення розмщення площин використовують ндекси Мллера. Для цього в одиницях довжини ребра куба а визначають вд рзки, як вдска площина на всях x, y, z, беруть числа, обернен дов жин вдрзкв. Дал приводять отриман дроб до спльного знаменни ка. Чисельники цих дробв ндексами Мллера, як записуються в квадратних дужках. Наприклад, площина вдска на осях, вдповдно, 1 вдрзки 3, 2, 1. Обернен числа будуть:,,1, дроб з спльним зна 3 2 3 менником:,,, а мллервськ ндекси [2 3 6]. На рис.1.1 наведено 6 6 ндекси деяких площин кубчних кристалв.

Рис.1.1. Мллервськ ндекси деяких площин кубчних кристалв Тип кристалчно ратки можна передбачити за числом валентних електронв, вднесених до числа атомв, як утворюють кристалчну структуру [31]. Емпрично встановлено, що для стабльност о.ц.к. рат ки потрбно мати 1,0Е1,75 електрона на атом, г.ц.к. ратки - 2,25Е Е3,0, г.щ.у. ратки - 1,75Е2,25.

Ус лужн метали мають один електрон на атом утворюють о.ц.к.

ратку. Наприклад, вльн атоми K i Na мають зовншню електронну конфгурацю s2p6s1, а в кристал перетворюються в он Ме1+ з зовнш ньою оболонкою p6, здатною до збудження. При зближенн онв р-орбтал перекриваються та утворються шсть спрямованих обмнних зв'язкв, орнтованих уздовж всей координат, як показано на рис.1.2.

Рис.1.2. Обмнн зв'язки з зовншнми р6-оболонками (а) та утво рення о.ц.к. ратки (б) а б Таким чином, в о.ц.к. металах на неспрямований металчний зв'я зок (усуспльнення s-електронв взамодя електронного "газу" з она ми) накладаються спрямован вздовж ребер куба ковалентн зв'язки, як можуть стотно знижувати пластичнсть навть викликати крихксть.

При переход вд лужних до лужноземельних елементв групи електронна концентраця валентних електронв зроста до двох на атом. Якщо енергя р-електронв недостатня для перекриття р-орбталей, то утворюються енергетично бльш вигдн щльн упаков ки. Так, Be Mg мають г.щ.у. кристали, а Ca Sr - г.ц.к. Пдвищення енерг при нагрванн Ca Sr достатньо для перекриття р-орбталей та утворення о.ц.к ратки.

Перехдн метали групи Sc, Y, La мають три валентних елект рони зовншню конфгурацю d 1s2, пд якою знаходиться заповнена р6-оболонка. При низьких температурах унаслдок неповно онзац вдсутност перекриття р-орбталей вони мають г.щ.у. ратку. При тем ператур, яка близька до температури плавлення, енергя електронв зроста, проходить повна онзаця р-орбтал перекриваються, що призводить до появи о.ц.к. ратки.

Перехдн метали IV групи Ti, Zr, Hf мають зовншню електронну конфгурацю d 2s2 з чотирма валентними електронами над заповненою р-оболонкою. При низьких температурах р-орбтал не перекривають ся ц метали мають г.щ.у. ратку, а з пдвищенням температури вони переходять в о.ц.к. структуру.

Метали V групи V, Nb, Ta мають зовншню електронну конфгу рацю d 3s2 або d 4s1 з п'ятьма валентними електронами, а метали V групи Cr, Mo, W мають конфгурацю d 5s1 або d 4s2 з шстьма валент ними електронами. Вс ц метали мають стабльн s2p6-оболонки.

Зближення таких онв у результат взамод з усуспльненими зовнш нми електронами призводять до перекриття р-орбталей та утворення о.ц.к. структур.

Коли кльксть електронв у незаповненй оболонц атомв d-перехдних металв бльше шести, вддлення х усх ста енергетич но невигдним. Тому вищ групов валентност металв VII - VIII груп у неорганчних з'днаннях не реалзуються. Перехдн метали VII гру пи Mn, Tс, Re мають зовншню електронну конфгурацю d 5s2. У зв'яз ку з стабльнстю d 5-оболонки при утворенн металчно структури, вддлення см електронв неможливе. Тому марганець проявля стаб льну валентнсть 2+, а Тс Re - 4+Ц6+. Марганець утворю ряд склад них кристалчних структур, як при 1134 С переходять в о.ц.к. кри стали, а Тс Re мають г.щ.у. ратки.

У перехдних металв VIII групи заповнються друга половина d-оболонки при наявност одного або двох s-електронв. Атоми Fe мають зовншню електронну конфгурацю d 6s2, Co - d 7s2, Ni - d 8s2, Ru - d 7s1, Os - d 6s2, Pd - d 10, Pt - d 9s1. Атом залза в кристал вдда s2-електрони та они, що утворюються при цьому, мають конфгурацю d 6. - орбтал можуть перекриватися за аналогю з р6-орбталями призвести до утворення о.ц.к. ратки - -залза. У промжному н тервал температур вдсутнсть перекриття d-орбталей забезпечу г.ц.к. ратку -залза.

У металчному стан он кобальту, як залза нкелю, двовалент ним (Со2+), що свдчить про х однакову концентрацю усуспльнених електронв (два електрони на атом ). У цьому випадку он кобальту ма електронну конфгурацю d 6s1, а он нкелю - d 6s2 з зовншньою сферично симетричною s-оболонкою, що обумовлю утворення щль них упаковок. Кобальт утворю щльно упакован гексагональну та кубчну - -модифкац, а нкель - г.ц.к. структуру.

Цкаво вплива кобальт на структуру залза. Розчиняючись у зал з, атоми кобальту можуть вддавати не два, а три електрони з утво ренням ону Со3+ з зовншньою d 6-оболонкою. Це сприя утворенню о.ц.к. кристалу, тобто кобальт стаблзу структуру, яко вн сам не ма. Тому в систем FeЦCo кобальт пдвищу температуру перетво рення.

Наявнсть жорстких зв'язкв в о.ц.к. ратках обумовлю схиль нсть тугоплавких металв V, VI груп до окрихчування, що залежить вд домшок укорнення, величини зерна тощо. Домшки вкорнення, наприклад, они H+, N3+, C4+, B3+, що мають мал сферичн оболонки з радусами 0,15 (N3+, C4+) 0,20 (B3+) можуть бути захоплен в об ласть перекриття двох р-орбталей (див. рис.1.2), де вони мцно утри муються внаслдок утворення стйкого зв'язку з парою електронв з антипаралельними спнами. Так утворються ще бльш жорсткий три центровий двоелектронний зв'язок по ребру комрки. Такий зв'язок може давати атом кисню з радусом 0,3 та великою спордненстю до електронв, що знижу пластичнсть металв.

Енергя мжатомного зв'язку визнача термодинамчн та механч н властивост металв. Температури теплоти плавлення, теплоти ви паровування, пружн модул, твердсть металв великих перодв з збль шенням атомного номера при переход вд лужних одновалентних ме талв до металв VI групи (хрому, молбдену та вольфраму) сильно зростають унаслдок збльшення концентрац усуспльнених електро нв вд 1 до 6 ел/атом та пдвищення ефективного заряду онв. При переход до металв VIIЦVIII груп указан показники знижуються вна слдок зменшення концентрац усуспльнених електронв. Температу ри плавлення елементв рзних груп показано на рис.1.3.

Рис.1.3. Температури плавлення елементв Усуспльнен електрони чтко вдрзняються вд локалзованих у надпровдному стан нижче критичних температур. Внаслдок спново взамод вони утворюють "газ" з двоелектронних "молекул" руха ються в ратках без розсювання, чим обумовлена х надпровднсть.

1.1.4. Дефекти кристалчно структури твердих тл. Значн вд мнност властивостей реальних кристалв вд теоретичних властиво стей деальних кристалв обумовлен дефектами кристалчно будови.

Дефекти в кристалчнй структур подляються за формою розмрами на точков, нйн, поверхнев об'мн. Утворення, будову властиво ст цих дефектв описано в роботах [137].

Точков дефекти являють собою ваканс в кристалчних ратках дислокован атоми, тобто атоми в мжвузллях ратки, а також чужорд н атоми замщення проникнення (вкорнення).

До нйних дефектв належать ланцюжки вакансй, прониклих атомв, а також дислокац, тобто дефекти з макроскопчними розм рами в одному напрямку.

До поверхневих дефектв належать границ фаз, зерен, субзерен, тобто дефекти з макроскопчними розмрами в двох напрямках, а до об'мних - дефекти з макроскопчними розмрами в трьох напрямках.

Точков дефекти. Ваканс та атоми вкорнення дефектами атомних розмрв. Ваканс можуть виникати в результат переходу атома (она) з свого нормального положення в ратках у мжвузлля чи на поверхню кристала. Комбнацю ваканс та она в мжвузллях називають парою Френкеля. Наявнсть тако пари вдповда вимогам електронейтральност, яких потрбно завжди дотримуватися. В онно му кристал вимога електронейтральност задовольняться також при екввалентнй клькост анонних катонних вакансй. Комбнацю анонно та катонно вакансй називають парою Шотк. Якщо в метал утворються ваканся, то вдбуваться одночасне видалення позитив ного она та електронв, що компенсують його заряд.

Ваканс можуть виникати в будь-якй структур мстяться у всх кристалах.

Утворення ваканс означа розрив зв'язкв якогось атома, що ви мага витрати енерг. Якщо ваканся утворються при переход атома на поверхню, то при цьому вдбуваться розрив z парних зв'язкв з сусднми атомами в об'м вдновлення половини таких зв'язкв на z поверхн, тобто. У такй модел енергя утворення ваканс дорв ню енерг сублмац Е = zw, де z - число найближчих сусдв;

w - енергя парно взамод, що за розрахунком повинна складати при близно 3 еВ. Однак з врахуванням природи металчного зв'язку, змни електронно структури, а також незначного зближення атомв навколо ваканс, квантовомеханчний розрахунок да енергю утворення вакан с приблизно в 3 рази менше, тобто близько 1 еВ. Для мд Ev = 0,9Е1,2 еВ, для алюмню Ev = 0,75 еВ. При кмнатнй температу р середня енергя (kT = 410Ц21 Дж або 0,025 еВ) значно менше енерг утворення ваканс тому утворення ваканс можливе тльки в резуль тат велико флуктуац енерг. Вдносна моврнсть перебування атома з енергю, яка перевищу енергю основного стану на величину Ev Ev, дорвню exp -, а отже, у кристал з числом N атомних вузлв kT кльксть вакансй Ev n = N exp. (1.4) kT Як показали експерименти, ця закономрнсть добре пдтверджу ться.

n Рвноважна концентраця вакансй у мд при кмнатнй температур N 0,9 n 0, дорвню exp- = 10-16, а при 1000 С = exp- 10-4, 0,025 N тобто рзко зроста.

Закономрнсть (1.4) справедлива для утворення дислокованих атомв. Це можуть бути атоми основи сплаву або домшки, що пере ходять з поверхн кристала в об'м займають мсця в мжвузллях.

Оскльки атом проника в область, де велик сили вдштовхування, то енергя кристала зроста. Енергя проникнення власних атомв велика сяга 5 еВ для г.ц.к. г.щ.у. структур, а тому х утворення значно менш моврне, нж вакансй. При невеликих розмрах домшкових атомв енергя х проникнення мала. Невелик атоми водню, вуглецю, кисню та азоту легко утворять дефекти проникнення в ратках металу, як показано на рис.1.2. Атоми водню можуть, наприклад, зайняти на вть ус мжвузлля цирконю.

Утворення вакансй атомв проникнення (вкорнення) показано на рис.1.4.

а б Рис.1.4. Схема утворення дефектв структури:

а - утворення атома проникнення з одночасним утворенням вакансй;

б - утворення зольованого атома проникнення У реальних кристалах виникнення вакансй полегшуться наявн стю нших дефектв. Джерелом вакансй можуть бути пори, границ зерен, блокв або субзерен. Блоки - це длянки кристала, в яких кри сталчн ратки повернут (розорнтован) на невелик кути (хвилини) одн вдносно нших. Джерелами стоками вакансй дислокац по верхня кристала.

Точков дефекти, як виникають у результат флуктуац енерг при певному стан, рвноважними характеризуються рвноважною концентрацю. Разом з тим, у метал можуть снувати нервноважн концентрац, як виникають унаслдок опромнення важкими нейтраль ними частками (нейтронами), важкими легкими зарядженими част ками (протонами, електронами) чи рентгенвськими променями, у ре зультат загартування, унаслдок холодно деформац, в нтерметал дах при вдхиленнях вд стехометричного складу, а також у дифузй них парах при наявност нескомпенсованих дифузйних потокв.

Точков дефекти, взамодючи мж собою з ншими дефектами, можуть утворювати комплекси або анниглювати (знищуватися).

Надлишков ваканс обумовлюють додаткову енергю в кристал, яка пропорцональна енерг утворення концентрац вакансй. Вакан с та дислокован атоми викликають спотворення ратки в радус близько п'яти мжатомних вдстаней навколо дефекту.

Спотворення кристалчно ратки виника також при замщенн атомами домшок атомв металу-основи (розчини замщення), оскль ки чужордн атоми за свою природою розмрами вдрзняються вд атомв основи.

Лнйн дефекти. Прикладами нйних дефектв у кристалах мо жуть бути ланцюги вакансй або домшкових атомв. Найбльш харак терним нйним дефектом дислокац. Можлив два граничних ви падки дислокацй - крайов дислокац гвинтов. Хоча кожна конкрет на дислокаця явля сполучення цих двох видв, описати дислокац зручнше для граничних видв [135,137,138].

Утворення крайово дислокац можна представити як уведення в якийсь об'м кристала зайво атомно напвплощини (рис.1.5).

а б Рис.1.5. Схема утворення крайово дислокац в простому кубчному кристал:

а - поперечний перерз кристала контур Бюргерса навколо крайово дислокац;

б - перспективне зображення Поблизу нижнього краю ц напвплощини зосереджен спотво рення раток. Лня спотворення, що проходить уздовж краю зайво напвплощини, називаться дислокацю. Область поблизу дислока цйно н, де спотворення найбльш, називаться ядром дислокац.

Атоми, розташован безпосередньо над крам зайво напвплощини, знаходяться в стан стискування, а безпосередньо пд крам зайво на пвплощини - у стан розтягування. Така дислокаця ма знак "+" зо бражуться. Негативна дислокаця утворються при введенн зайво атомно напвплощини знизу зображуться.

Важливою характеристикою будь-яко дислокац вектор Бюр герса, тобто вектор, який визнача одночасно величину напрямок атомного зсуву. Для крайово дислокац вектор Бюргерса перпенди кулярний н дислокац величиною, кратною параметру ратки.

Вектор Бюргерса визначають за допомогою контура Бюргерса (рис.1.5,а). Контур Бюргерса проводиться через атоми в ратках у двох взамно перпендикулярних напрямках з використанням у кожному з напрямкв векторв одн т ж потужност, але протилежного знаку, тобто проходячи послдовно шлях в одну, а потм у протилежну сто рону. У досконалих ратках контур Бюргерса замкнутим прямокут ником, тобто останнй з векторв приходить у початкову точку. Кон тур Бюргерса навколо крайово дислокац ма розрив, величину на прямок якого визначають вектор Бюргерса в дислокац.

Локальне розширення ратки бля крайово дислокац пд зайвою напвплощиною називаться дилатацю. Дилатаця у точц визна чаться як b = sin, (1.5) r де b - вектор Бюргерса;

r - радальна вдстань вд дано точки до н дислокац;

- кут, обумовлений за схемою рис.1.5,а.

Утворення гвинтово дислокац можна пояснити таким чином.

Взьмемо досконалий кристал зробимо в ньому тонкий розрз на де яку глибину, а потм зрушимо кристал з одн сторони надрзу щодо ншо на одну мжатомну вдстань знову змкнемо атомн ряди, що знаходяться з обох сторн вд розрзу. Вид такого кристала показано на рис.1.6. з рисунка видно, що вздовж краю розрзу виника ня спо творень, яка називаться гвинтовою дислокацю.

а б Рис.1.6. Схема утворення гвинтово дислокац (а) контур Бюргерса навколо гвинтово дислокац (б) Поблизу гвинтово дислокац атоми знаходяться на гвинтовй по верхн, яка починаться з одного краю кристала закнчуться на н шому краю. Напрямок гвинта може бути як правостороннм, так л востороннм, а крок гвинта вд одного до деклькох мжатомних вд станей на повний оборот гвинта. Поблизу центра гвинтово дислокац виника скручування або зсув ратки, що зменшуться по мр вдда лення вд центра дислокац.

Величини зсуву атомв на гвинтовй поверхн щодо свох почат кових мсць у досконалому кристал визначаються рвнянням b Uz =, (1.6) де Uz - величина зсуву вздовж ос z, спрямовано вздовж дислокац;

b - вектор Бюргерса;

- кут вд поверхн розрзу або вд будь-яко ос, перпендикулярно дислокац.

з рвняння (1.6) виплива, що змна кута на 2 призводить до змни величини зсуву на величину вектора Бюргерса b. Для гвинтово дислокац вектор Бюргерса паралельний ос дислокац на вдмну вд крайово, для яко вектор Бюргерса перпендикулярний н дислокац.

Розглянемо розрахунок енерг Uд, необхдно для утворення дис локац. Це легко зробити для невигнуто гвинтово дислокац, при йнявши кристал за пружне тверде тло. Повернемося до описано вище схеми утворення гвинтово дислокац (див. рис.1.6). Для зсуву одн частини кристала вдносно ншо на вдстань b необхдна дя сил р, розподлених по поверхн зсуву. Робота цих сил дорвню енерг дислокац:

Uд = pdFb, (1.7) де dF - елементарна длянка д сил. Припустимо, що дислокаця зна ходиться в центр кристала (див. рис.1.6). Будемо розглядати кристал як такий, що складаться з набору концентрично розташованих цилн дричних оболонок, одну з яких показано на рис.1.7,а.

а б Рис.1.7. Цилндрична оболонка навколо дислокац (а) розгорнення (б) Якщо товщина оболонки мала, то геометрична форма не гра с тотно рол в розрахунку сили, необхдно для зсуву [135]. Тому розгор немо оболонку в пластину (рис.1.7,б) розрахумо зсувну деформацю пластини. Щоб викликати зсув на величину b у цилндричнй оболонц радуса r (вдстань вд центра дислокац), необхдна дя на одиницю площ сили f:

Gb f =, (1.8) 2r де G - модуль зсуву.

Сила f нйно зроста вд нуля до максимального значення зале жно вд величини зсуву в рвнянн (1.7) набува середнього значення сили, яка д в процес повного зсуву на величину b, тобто:

1 Gb p = f = ;

(1.9) 2 4r Gb Uд = dF. (1.10) 4r Оскльки dF = dzdr, то енергя дислокац довжиною l r1 l Gb Uд = (1.11) 4r dzdr r0 Gb2l r або Uд = ln, (1.12) 4r r де r1 - радус област кристала, в якй поширюються спотворення його будови вд дислокац;

r0 - радус ядра дислокац.

Наявнсть безлч дислокацй призводить до х взамод взамно компенсац пружних деформацй бля них. Пружн деформац вд кожно дислокац займають область, обмежену приблизно середнми вдстанями мж дислокацями. Експериментально встановлено, що середня вдстань мж дислокацями в кристал склада приблизно мжатомних вдстаней такий же порядок ма величина r1 [135].

В ядр дислокац теоря пружност не застосовна, але област зов н ядра дислокац, де деформац описуються нйними рвняннями теор пружност, настльки велик, що ефектами в ядр дислокац в бльшост випадкв можна знехтувати. Тому величину r0 можна визна r чити рвною одному-двом мжатомним вдстаням, a 5103.

r Якщо b = 2,5, G = 1011 Н/м2, то Uд = 410-9 Дж/м, тобто на 1 м довжини дислокац. У розрахунку на мжатомну вдстань уздовж н дислокац (бля 2,5 ) енергя дислокац складатиме 1010Ц19 Дж або бля 6 еВ. Для рзних матералв енерг гвинтових дислокацй склада ють вд 3 до 10 еВ на одну мжатомну вдстань. У табл.1.3 наведено значення енерг дислокацй для деяких металв. Розрахунки виконано за рвнянням (1.12) [135].

Таблиця 1.3. Модул пружност та енерг дислокацй на мжатомну вдстань уздовж дислокац для деяких матералв Модуль пружност Модуль зсуву Енергя дислокац Матерал E10Ц10, Н/м2 G10Ц10, Н/м2 Uд, еВ Al 2,5 2,85 3, Сu 6,0 7,56 5, Si 16,7 7,9 W 50 15,1 Змщення атомв поблизу крайово дислокац бльш складн, нж у випадку гвинтово дислокац, але рвняння для енерг крайово дис локац аналогчне рвнянню (1.12) [137]:

Gb2l r Uд.к = ln, (1.13) 4(1- ) r де - коефцнт Пуассона.

Величина енерг крайово дислокац приблизно така ж, як гвин тово. з табл.1.3 видно, що енергя утворення дислокацй велика. То му х кльксть не залежить вд температури, а визначаться поперед ньою механчною термчною обробками. Фактор Больцмана при не високих температурах (kТ = 0,025 еВ при кмнатнй температур) не ма суттвого значення.

Дислокац являють собою мал центри внутршнх напружень у матерал, як можна описати в прямокутних координатах х, у, z або в цилндричних r,, z, де в будь-якому випадку всь z збгаться з на прямком н дислокац, а всь х для крайово дислокац - з напрям ком вектора Бюргерса. Рвняння для розрахунку напружень навколо крайово гвинтово дислокацй наведено в робот [137].

Розрзняють два основних види руху дислокацй, назван перепов занням ковзанням.

Переповзанням крайово дислокац називаться просування зай во напвплощини всередину кристала або витягування назовн. Пе реповзання пов'язане з дифузйними процесами. У випадку просуван ня дислокац всередину кристала вона поглина з кристала додатков атоми, у випадку просування назовн - ваканс.

Площина, що показана на рис.1.8, в якй лежить ня дислокац, називаться площиною ковзання. Якщо дислокаця поглина атоми з кристала, то вона рухаться вниз вд площини ковзання, а якщо по глина ваканс - вверх вд ц площини.

Рис.1.8. Площина ковзання крайово дислокац Можлив наступн чотири механзми переповзання дислокацй [135]: 1) за рахунок аннигиляц вакансй, як знаходяться бля зайво напвплощини;

2) за рахунок виникнення вакансй у ратках поблизу дислокац, коли атом переходить на край зайво напвплощини;

3) за рахунок переходу на край зайво напвплощини атомв, як знаходять ся в мжвузллях ратки;

4) за рахунок переходу атомв з краю зайво напвплощини в мжвузлля ратки. В усх цих випадках переповзання дислокац носить прямолнйний характер.

Переповзання крайово дислокац шляхом переходу окремих атомв з кристала на границю зайво напвплощини показано на рис.1.9,а, а шляхом переходу атомв у кристал з нижнього краю зай во напвплощини - на рис.1.9,б.

а б Рис.1.9. Переповзання дислокац шляхом додавання атомв до зайво напв площини (а) та шляхом переходу атомв зайво напвплощини в кристал аннигиляц вакансй (б) Переповзання гвинтово дислокац явля собою складний рух, у результат якого вдбуваться розширення спрал в радальному на прямку.

Ковзання крайових дислокацй, на вдмну вд переповзання, вд буваться безпосередньо в площин ковзання не пов'язане з дифузй ними процесами. При цьому атоми ядра дислокац роблять невелик перемщення (рис.1.10). Зайва напвплощина з'днуться з частиною сусдньо атомно площини, що знаходиться пд площиною ковзання, а верхня частина сусдньо площини ста зайвою напвплощиною. Рух дислокац вд одн гран кристала до ншо пд дю напружень зсуву виклика змщення одн частини кристала щодо ншо (рис.1.11).

Рис.1.10. Ковзання дислокац Рис.1.11. Рух крайово дислокац вд одн гран до ншо Ковзання можливе для гвинтових дислокацй, але оскльки век тор Бюргерса знаходиться в тй же площин, що дислокаця, то вона може ковзати в будь-якому напрямку. Для гвинтово дислокац харак терна наявнсть сходинки на поверхн кристала в двох кнцевих точках дислокац, при рус дислокац сходинка рухаться за нею.

Наявнсть точкових дефектв вплива на механчн властивост металв унаслдок зменшення числа мжатомних зв'язкв, а також на рух дислокацй. Наявнсть дислокацй у металах рзко знижу напру ження, як викликають пластичну деформацю, тобто зсув атомв з од ного мсця ратки в нше. Деформаця кристала буде пружною тльки у випадку невеликих зсувв атомв, що складають малу частину парамет ра ратки щодо свох сусдв. Таким чином, важлив не тльки наяв нсть дислокацй, але хня рухливсть. В ядр дислокац атоми сильно змщен щодо свох нормальних положень, тому деяк з них можна перемщати один за одним при невеликих напруженнях. З збльшен ням ядра дислокац в порвнянн з параметром ратки напруження зсуву, необхдн для перемщення дислокацй, зменшуються. Разом з тим, рухливсть дислокацй залежить вд х щльност закрплення, тобто наявност бар'рв для дислокацй. Як бар'ри використовуються легуюч елементи або х сполуки, що видляються як надлишков фази.

Найбльшу мцнсть ма метал, в якого щльнсть дислокацй дуже мала, наприклад, вирощен монокристали у вигляд "вусв" або метал з високою щльнстю дислокацй, що досягаться рзними видами тер мчно механчно обробок. Вплив щльност дислокацй на мцнсть металв показано на рис.1.12.

Рис.1.12. Залежнсть мцност металв вд щльност дислокацй (схема за .А. Однгом та А.А. Бочваром):

1 - теоретична мцнсть;

2 - мцнсть "вусв";

3 - реальна мцнсть металв;

4 - змцнен метали;

5 - чист метали Ефективним способом пдвищення мцност термомеханчна механко-термчна обробки. При термомеханчнй обробц метал де формуться в област високотемпературно фази пдляга полморф ному або фазовому перетворенню при охолодженн. Механко термчна обробка поляга в створенн в матерал полгонально струк тури шляхом деформування наступно стаблзац отриманого струк турного стану при температурах, як не перевищують температуру початку рекристалзац.

У процес пластично деформац металв, у тому числ при зва рюванн тиском, дислокац розмножуються, деформаця здйснють ся за допомогою дислокацйного механзму. Дислокац в твердому тл взамодють як мж собою, так з домшковими атомами, ваканс ями та ншими елементами структури. Мж паралельними крайовими чи гвинтовими дислокацями одного знаку дють сили вдштовхуван ня, а мж дислокацями рзного знаку - сили притягання.

Наявнсть дефектв кристалчно структури при зварюванн ти ском вплива як на дифузйн процеси, що досить важливо для зварю вання з пдгрвом, так на механчн властивост з'днань, особливо в результат комплексно д деформац термчно обробки.

Утворення та взамодя дислокацй як мж собою, так з бар'ра ми руху зумовлю властивост металв, а також процеси з'днання в твердому стан. При зварюванн тиском пластична деформаця металу рзко збльшу кльксть дислокацй, зроста х щльнсть та хаотичне зткнення, що перешкоджа рухов дислокацй, збльшу опр пластич нй деформац та мцнсть металу.

Поверхнев дефекти. Найбльш характерними поверхневими де фектами границ зерен у полкристалчному матерал. Структура такого матералу явля собою безлч кристалв або зерен, орнтованих довльним чином. Розмщення атомв на поверхн залежить вд орн тац ц поверхн вдносно центральних всей симетр. Для наочност на рис.1.13 наведено деальну будову поверхн металу з г.ц.к. ратками при рзнй орнтац поверхн.

з рис.1.13 видно, що площини з рзною орнтацю мають рзну щльнсть атомв. Тому прошарок атомв на границ мж зернами явля собою область спотворених атомних раток (рис.1.14). Ця область ма ширину в клька атомних шарв забезпечу перехд мж сусднми зернами з рзною кристалографчною орнтацю атомних раток. По верхн, як обмежують зерна, звичайно не вдповдають граням кри стала, а мають випадкову форму. Наприклад, границя може проходити мж зернами, як мають кристалографчну орнтацю [100] та [111], тобто розорнтован пд великими кутами (рис.1.14,а). У металах, по ряд з великокутовими снують малокутов границ, розорнтован пд невеликим кутом (у клька градусв). Так границ складаються в сер крайових дислокацй (рис.1.14,б).

[111] [100] [110] Рис.1.13. деальна будова металево поверхн, орнтовано по рзних площинах г.ц.к. ратки:

1 - перший шар атомв;

2 - другий шар атомв Особливим випадком великокутових границь двйников грани ц. При цьому кристалчн ратки одного зерна дзеркальним вдо браженням раток ншого зерна (рис.1.14,в).

Двйников границ утворяться як у процес росту кристала, так в процес пластично деформац при механчнй обробц. Поверхнева енергя двйникових границь значно менша поверхнево енерг зви чайних границь. Двйники дуже стйк навть при високй температу р не завжди зникають.

У процес обробки металв, особливо високотемпературно, гра ниц зерен змнюються. При цьому можлив процеси рекристалзац, полгонзац та мграц границь. Полгонзаця призводить до утво рення ще одного виду поверхневих дефектв - полгонзацйних гра ниць. Полгонзаця супроводжуться чтко вираженою змною струк тури. Дислокац, як знаходяться в метал, у процес вдпалу перегру повуються частково анниглюють. Надлишков дислокац пд дю власних полв напружень утворюють "стнки" дислокацй одного зна ку, тобто дислокацйн чи полгонзацйн границ. Таким чином, пд полгонзацю розумють такий перерозподл дислокацй, при якому утворюються вльн вд дислокацй област кристала, як вддлен одна вд одно полгонзацйними границями. Швидксть полгонзац кон тролються процесом переповзання дислокацй шляхом захоплення або видлення вакансй на краю зайво напвплощини.

а б Рис.1.14. Границ зерен, розорнтованих пд великими (а) малими (б) в кутами та двйников (в) В нтервал температур високо дифузйно рухливост атомв ме талу (Тсолдуса - Трекристалзац) вдбуваться мграця границь кристалтв.

Механзм термчно активовано мграц границь поляга в переходах окремих атомв або групи атомв через границю з ратки одного криста та (який зменшуться) до ратки ншого кристалта (який зроста).

Швидксть мграц границь зерен при заданй температур визнача ться орнтацю зерен вдносно границ мж ними, оскльки саме вд цього залежить ширина, структура та енергетична стабльнсть гра ниць [27]. снують нш види поверхневих дефектв, наприклад, дефек ти упакування, коли спостергаться порушення чергування атомв, характерного для ратки даного кристала.

Роль дифузйних процесв у змн геометр кристалв наочно по казу змна поверхн металу. На рис.1.15 зображено поверхню сплаву FeЦCr псля високотемпературно обробки [99].

Рис.1.15. Поверхня сплаву FeЦCr псля термчно обробки при високй темпе ратур;

Дифузя атомв при нагрванн призводить до утворення на поверхн маленьких граней, як розпзнаються методами електронно мкроскоп (рис.1.15). При пдвищенн температури гран стають ще бльшими.

На рис.1.15 показано будову та змну деально металево поверх н. Насправд реальна поверхня твердого тла залежить вд багатьох факторв перш за все - вд способв обробки.

1.1.5. Технчна поверхня металв сплавв. Поверхня твердих тл може бути отримана рзними видами обробки характеризуться, в основному, двома факторами: геометричним фактором або рельфом фзичним станом.

У машинобудуванн прийнято рельф поверхн визначати хвиля стстю шорсткстю. Хвилястсть характеризу геометрю поверхн в макроскопчному, а шорстксть - мкроскопчному масштабах. Шорст ксть поверхн характеризуться класом чистоти. Максимальна висота мкронервностей склада при чистовй обробц рзцем - 10 мкм, шл фуванн - 6,3 мкм, полруванн - 0,4 мкм. Крок канавок, що залишають ся рзцем при чистовй обробц, звичайно склада 150Е320 мкм.

Шорстксть металевих поверхонь визначають по профлограмах.

Наприклад, на рис.1.16 показано профлограми поверхонь алюмнво сталево деталей безпосередньо псля х обробки точнням () псля деформування мкровиступв притисненням до плитки Йогансона ().

а б Рис.1.16. Профлограми поверхонь алюмнво (а) сталево (б) деталей Умовно видляючи макро- мкрогеометрю поверхн, можна представити у вигляд двох кривих: криво макрогеометр типу хвил частотно криво шорсткостей, що накладаться на криву хвил (рис.1.17). Хвилястсть та шорстксть поверхонь залежать вд способу х обробки. Поверхня моделються у вигляд конусв, прамд або сфе ричних (елпсодальних) виступв.

Рис.1.17. Схема хвилястих шорсткуватих поверхонь Фзичний стан поверхонь твердих тл характеризуться наявнстю на них рзних забруднень. деально чиста металева поверхня, вльна вд оксидних плвок адсорбованих молекул газу чи рдини, може бу ти створена тльки в особливих умовах, наприклад, у глибокому ваку ум. Реальна металева поверхня ма рзн забруднення, схему розта шування яких показано на рис.1.18 [51].

Рис.1.18. Схема розташування рзних забруднень на металевй поверхн:

А - глибинний шар;

Б - приповерхневий шар;

В - оксидна плвка;

Г - адсорбований шар газових молекул;

Д - адсорбований шар молекул води;

Е - адсорбований шар жирових молекул;

к - онзован пилов частки Безпосередньо до металево поверхн приляга оксидний шар, що зберга на границ з металом негативний потенцал. Зовншнй шар оксиду електропозитивним адсорбу гази, особливо негативн они кисню. Товщина шарв оксидно плвки та адсорбованих часток може бути рзною залежно вд умов. При збльшенн витримки металв на повтр товщина оксидно плвки зроста, досягаючи певно величини, якщо плвка щльна. У цьому випадку спочатку окиснювання металу йде швидко, а при певнй товщин оксиду практично закнчуться. Рст оксидно плвки може бути описаний параболчною або логарифмч ною залежностями:

yn = Kt + A ;

(1.14) y = ln(Kt), (1.15) де y - товщина оксидно плвки;

K, А - постйн;

t - час окиснювання;

n - показник степеня, рвний 2 (парабола) чи 3 (кубчна парабола).

Псля утворення первинного шару оксиду подальший його рст визначаться дифузю онв металу кисню через цей шар. Наведен вище рвняння (1.14), (1.15) справедлив для окиснювання чистих ме талв змнюються при наявност домшок нших елементв.

Якщо вдношення об'му оксиду до об'му металу, з якого утво рився оксид, менше одиниц (окиснювання лужних лужноземельних металв), то оксидний шар пористий, не ма захисних властивостей процес окиснювання в час описуться нйною залежнстю y = Kt + A. (1.16) Оксидн плвки, що утворюються при окиснюванн, умовно под ляються на тонк (до 400 ), середн (400Е5000 ) та товст (бльш 5000 ). При всх способах зварювання в твердому стан проводиться зачищення поверхонь, в момент зварювання на них маються тльки тонк оксидн плвки. Наприклад, на вуглецевих нержавючих сталях при витримц х протягом деклькох днв при кмнатнй температур на повтр товщина оксидно плвки склада 25Е30.

Процес окиснювання металв залежить вд температури. з пдви щенням температури швидксть росту оксидно плвки зроста може бути описана рвнянням dy H = Aexp-, (1.17) dt RT де А - постйна;

H - енергя активац процесу окиснювання;

R - ун версальна газова постйна;

Т - абсолютна температура.

Для процесу зварювання стотне значення ма не тльки товщина оксидно плвки, але й термодинамчн фзико-механчн властивост.

На яксть зварювання вплива також товщина шару адсорбованих забруднень. Навть ретельна обробка розчинниками не дозволя цл ком видалити маслян плвки, тому що мж ними поверхнею сну електричний зв'язок. Органчн забруднення особливо ускладнюють зварювання в твердому стан, якщо воно здйснються при кмнатнй температур.

Нервност поверхонь наявн на них забруднення перешкоджа ють утворенню з'днань повинн видалятися при зварюванн.

Способи усунення цих перешкод рзн для рзних способв зварю вання. - перешкоди легко усуваються при зварюванн плавленням.

При зварюванн без розплавлення для усунення цих перешкод у бль шост випадкв використовуться пластична деформаця металу в зон зварювання пд дю певних зусиль, що подну рзн способи зварю вання в групу способв "зварювання тиском".

1.2. Термодинамчний аналз процесу зварювання тиском 1.2.1. Загальн уявлення про взамодю речовин. У твердому метал атоми займають сво мсця у вузлах кристалчних раток х по ложення характеризуються мнмумом потенцально енерг. Розгляне мо двоатомну модель твердого тла та змну потенцально енерг при зближенн двох пдготовлених до зв'язку атомв утворенн хмчного зв'язку мж ними (рис.1.19). При зближенн атомв спочатку переважа ють сили притягання, що виникають унаслдок електростатично вза мод атомв (енергя притягання Uприт), а потм з'являються сили вд штовхування (енергя вдштовхування Uвдш), що ростуть швидше сил притягання. Повна потенцальна енергя U дорвню сум Uприт Uвдш:

U = Uприт + Uвдш.

Рис.1.19. Змна потенцально енерг двох атомв залежно вд вдстан мж ними Сила взамод мж атомами dU P =. У рвноважному стан dr атомв рвнодюча сил притягання вдштовхування дорвню нулю, dU тобто P = = 0, на вдстан r dr встановлються мцний хмчний зв'язок. При стискуванн тако сис теми зовншнми силами виникнуть сили вдштовхування, а при розтягуванн - сили притягання. У випадку зближення часток пд впливом притягальних сил система втрача ене ргю, виконуючи роботу над зовншнм середовищем. Така змна енер г прийматься негативною. При зближенн часток, як вдштовху ються, виконуться робота зовншнього середовища над системою та енергя системи зроста, а збльшення енерг вважаться позитивним.

Запишемо рвняння потенцально енерг взамод одновалент них атомв [135]:

e2 h U = Uприт + Uвдш = -1,5 + 0,02807, (1.18) r mr в загальному вигляд U = -A r-1 + B r-2, (1.18,а) де h - постйна Планка;

m - маса електрона;

r - вдстань мж онами;

е - заряд електрона.

Залежно вд типу взамод повну потенцальну енергю можна представити в бльш загальному вигляд [139]:

U = - r-n + r-m, де - константи, що характеризують сили притягання вдштовху вання;

m n - постйн для даного типу взамод, причому m > n.

Розглянутий випадок взамод двох зольованих атомв не може бути поширений на взамодю поверхонь твердих тел. Атоми внутрш нх шарв речовини знаходяться в середньому пд однаковим впливом з боку навколишнх атомв. Силове поле внутршнх атомв з усх бо кв однаково скомпенсовано такими ж полями сусднх 12 атомв у гранецентрованих гексагональних ратках та 8 атомв в об'мно центрованих ратках. Силове поле поверхневих атомв не скомпенсо вано. Поверхнев атоми твердих тл пддаються втягуючй д внутр шнх атомв. Асиметричний характер сил притягання поверхневих атомв створю для них умови, що абсолютно вдрзняються вд умов внутршнх атомв. Електронн оболонки поверхневих атомв дефор муються полем раток ("замикаються" на об'м), зв'язки поверхневих атомв з нижчерозташованими бльш сильн, нж т, котрими обмню ються атоми в центр кристалчних раток. З ншого боку, поверхнев атоми виявляють схильнсть до встановлення додаткових зв'язкв з атомами чи молекулами, як пдходять до поверхн. Ця схильнсть по в'язана з прагненням поверхневих атомв до вдновлення симетр си лового поля.

Втягуюча дя внутршнх атомв на поверхнев обумовлю поверх неву енергю тл та снування сил поверхневого натягу, а наявнсть у поверхневих атомв вльних сил зв'язкв причиною адсорбц.

Особлив властивост поверхневих шарв речовин виявляються на будь-якй поверхн роздлу фаз. Якщо величина поверхн речовин по рвняно мала, то вплив поверхневих властивостей проявляться слаб ко. Однак з зростанням поверхн в результат збльшення ступеня ди сперсност або пористост речовини, х вплив проявляться все силь нше ста значним у речовин з сильно розвинутою поверхнею. На приклад, спкання металевих порошкв, тобто зварювання окремих дисперсних часток, обумовлються тенденцю до зменшення вльно поверхнево енерг.

Для спрощення спочатку розглянемо з'днання двох деальних монокристалв А В одн речовини. Припустимо, що обидва криста ли розсчен по кристалографчних площинах [100] (х атомн ратки когерентн) поверхн абсолютно рвн чист (ювенльн поверхн).

Змну потенцально енерг системи при зближенн кристалв показа но на рис.1.20.

Рис.1.20. Змна потенца льно енерг двох деаль них кристалв залежно вд вдстан мж ними Поверхнев атоми обох кристалв мають деякий надлишок вльно енерг (позначимо величину вльно енерг на одиницю поверхн Fп), що залежить вд природи речовини, температури та навколишнього середовища. Величина вльно енерг залежать також вд кристало графчно орнтац поверхн.

При зближенн монокристалв мж ними виникають сили мжатом ного притягання Ван-дер-Ваальса. Змна потенцально енерг системи пд дю сил Ван-дер-Ваальса вдбуваться по кривй 1. Зближення на вдстань вдбуваться довльно, потенцальна енергя досяга мнмаль ного значення, причому E1 < 2Fп. Мцнсть з'днання кристалв вднос но мала й обумовлена значенням енерг зв'язку Ван-дер-Ваальса Е = 0,8Е8,0 кДж/моль, а утворення такого типу зв'язку можна розглядати як встановлення фзичного контакту поверхонь, як з'днуються [54]. При подальшому зближенн поверхонь виникають сили вдштовхування, для подолання яких необхдн витрати енерг, потенцальна енергя системи зроста по вй глц криво 1. Для проткання в точц А процесу елект ронно взамод мж атомами обох поверхонь перекриття електронних орбталей при низьких температурах необхдно пдвести енергю Еа (енергю активац). з пдвищенням температури кристала середнй р вень енерг системи пдвищуться необхдн витрати енерг зменшу ються до Ea (уявна енергя активац). Енергетичний порг Ea малий, тому надлишок вльно енерг поверхневих атомв може бути достатнм для довльного проткання процесу утворення металевого зв'язку. Умови проткання процесу ще бльш полпшуються з пдвищенням температури, однак одержання ювенльних поверхонь практично неможливе.

Розглянемо з'днання напвреальних кристалв, поверхн яких атом но гладк, а кристалчн ратки когерентн. Атоми поверхневого шару, що мають вльн зв'язки, здатн адсорбувати на поверхн твердого тла гази пари нших речовин, наприклад, олй. з парв утворються масляна плв ка, яка мстить у соб велику кльксть полярних молекул, що нейтрал зують неврвноважен сили притягання поверхневих атомв металу. Ад сорбця супроводжуться зменшенням вльно енерг системи, тому реа льна поверхня завжди вкрита адсорбованими газами, а також може мати плвки олй вологи. Тльки очищенням поверхонь у глибокому вакуум перед зварюванням можна видалити адсорбован атоми кисню.

Розглянемо змну енерг системи, яка складаться з металево по верхн двох атомв кисню, у функц х вдстан до поверхн. Запро понована Леннардом Джонсом даграма для ц система аналогчна даграм, зображенй на рис.1.20, для зближення деальних кристалв [99]. Ця даграма да яксне уявлення про змну енерг системи при адсорбц. Точка М1 вдповда положенню стабльно рвноваги неди соцйовано молекули кисню з енергю Е1 на вдстан r1 вд поверхн (фзична адсорбця), коли взамодя газу металу не супроводжуться стотними змнами в електроннй структур молекул. Недисоцйован молекули кисню утримуються на поверхн металу силами Ван-дер Ваальса, легко перемщуються в мсця з меншою потенцальною енер гю можуть бути повнстю видален при нагрванн.

Бльш сильна взамодя, яка вдповда вже хмчним зв'язкам, ви ника при хемосорбц газв (глка криво 2 вше точки А). На вдм ну вд фзично адсорбц, хемосорбця характеризуться великими теплотами, що в десятки разв перевищують теплоту фзично адсорб ц. Тому очищення поверхн металу вд адсорбованого атому кисню вимага дуже високих температур нагрвання.

Стабльнй рвноваз атома кисню з енергю E2 на вдстан r2 вд поверхн псля дисоцац молекули кисню, тобто стану хемосорбц, вдповда точка M2. Для переходу вд стану молекулярно адсорбц до атомно з рзницею енергй E2 - E1 необхдно перебороти енергетич ний бар'р Еа, тобто необхдна енергя активац хемосорбц кисню.

Для елементв з значною спордненстю до кисню енергя активац хемосорбц кисню дуже мала практично невимрна, про що свдчить активне утворення на поверхн цих елементв шару хемосорбованого кисню. При хемосорбц взамодя мж твердим тлом киснем вдпо вда хмчнй реакц. У цьому випадку вдбуваться досить сильна змна електронно конфгурац атомв кисню металу, яка необхдна для утворення мж ними валентного зв'язку. Слд зазначити, що для перехдних металв зв'язок мж металевою поверхнею та хемосорбова ним киснем значно сильнший, нж металу з киснем в оксид того ж стехометричного складу. Якщо в оксид зв'язок ма онний характер, то в хемосорбованому комплекс частково виявляться також ковалент ний характер [99].

Для одержання з'днання мж поверхнями двох кристалв, кожний з який зв'язаний з атомами кисню, необхдно встановити зв'язок без посередньо мж металевими атомами обох поверхонь. Для цього на самперед необхдн послаблення розрив зв'язкв металевих атомв одн поверхн з атомами кисню в хемосорбованому комплекс трансляця зв'язкв, що звльнилися, на металев атоми ншо поверхн.

Такий стан називають станом активац атомв поверхонь, що з'д нуються. Для переходу атомв металу в активний стан систем MeЦО необхдно надати деяку надлишкову енергю - енергю активац десор бц Ed, обумовлену рзницею ординат точок М2 А (див. рис.1.20).

Якщо на кожнй з поверхонь вдбудеться синхронний перехд атомв в активний стан, то, за умови видалення з зони з'днання атомарного кисню, мж поверхневими атомами обох кристалв виника стйка еле ктронна конфгураця, характерна для атомв у кристал. Енергя ком плексу змниться до мнмуму потенцально анерг в точц М2. Яксне уявлення про утворення з'днання да рис.1.25 (див. с.65). Безумовно, що значення енерг Е2 в точц М2 для систем МеЦО МеЦМе рзн.

Розрахунок часу утворення мономолекулярного шару газв для сухого повтря виконано в робот [5]. Якщо прийняти молекулярну масу повтря М = 29, то середня маса молекули буде 29 = 4,810-23 г. Отже, в 1 г повтря буде = 20, 6,02 1023 4,810- молекул. При утворенн мономолекулярного шару молекули газу роз ташован щльно шар можна розглядати як конденсовану фазу. Пи тома маса рдкого повтря = 0,88 гсмЦ3. Тод число молекул в 1 см рдкого повтря дорвню 20,810210,88 = 18,31021, а на 1 см2 поверхн 2 знаходиться ns молекул: ns = (18,31021) 7 1014.

Розрахумо час, необхдний для створення мономолекулярного шару. з кнетично теор газв вдомо, що на 1 см2 площини, внесено в газ, за 1 с вдбуваться nv ударв молекул (п - кльксть молекул в 1 см3 газу, v - середня арифметична швидксть руху молекул).

Число молекул в 1 см3 газу [45] p n = 9,656 1018, T де р - тиск, мм рт. ст.;

Т - температура, К.

При тисков 760 мм рт. ст. Т = 290 К n = 2,541019.

Середня арифметична швидксть молекул [45] 1 8RT T 2 14551 2 см/c, v = = M M де R - унверсальна газова постйна;

М - молекулярна маса.

При Т = 290 К для молекул повтря v = 4,6104 см/с.

Час утворення мономолекулярного шару.

4ns t =.

nv Згдно з даними [5], при р = 1 мм рт. ст. (1,3102 Па) t = 1,810Ц6 с, а при тиску р час утворення мономолекулярного шару 1,8 10-6 2,34 10- t = = (1.19) p(мм рт. ст.) p(Па) с.

Результати розрахункв за цю формулою наступн [5]:

р, мм рт. ст. (Па) t, c р, мм рт. ст. (Па) t, c 760 (9,8104) 2,410Ц9 10Ц5 (1,310Ц3) 0, 100 (1,3104) 1,810Ц8 10Ц6 (1,310Ц4) 1, 10 (1,3103) 1,810Ц7 10Ц8 (1,310Ц6) 10Ц2 (1,3) 1,810Ц4 10Ц10 (1,310Ц8) 1,8 Наведен обчислення мають загальний характер справедлив для фзично адсорбц будь-якого газу. Незважаючи на приблизний харак тер обчислень, останн показують, що мономолекулярний шар газв утвориться миттво. Тльки у вакуум не грше 10Ц7 мм рт. ст. час утворення мономолекулярного шару склада практично вдчутну ве личину.

Кнетика закрплення кисню на поверхн металу при низьких тем пературах обумовлена протканням трьох рзних процесв [99]:

1) утворенням плвки дисоцйованого кисню, адсорбованого на чистй поверхн (хмчна адсорбця);

2) закрпленням молекулярного кисню на поверхн попереднього шару (фзична адсорбця);

3) ростом плвки оксиду (реакця окиснювання).

Вплив температури на характер закрплення кисню на поверхн металв показано на рис.1.21.

Рис.1.21. Змна характеру закрплення кисню на поверхн металв залежно вд температури:

VO - об'м закрпленого кисню;

Т1 - температура зрдження кисню;

Т2 - температура зворотно дисоцац оксидв;

Т3 - температура повно десорбц При низьких температурах (А - область зворотно молекулярно десорбц) проткають перший другий процеси. При середнх темпе ратурах (Б - область зворотного утворення оксидно плвки, коли pO (MeO) < {pO }, де pO (MeO) - пружнсть дисоцац оксиду;

{pO } - 2 2 2 парцальний тиск кисню в систем) молекулярна адсорбця поступа ться мсцем утворенню росту оксидно плвки. При високих темпе ратурах у результат росту пружност дисоцац оксидв процес окис нювання послаблються при високих температурах (В - область не зворотно хмчно адсорбц, Г - область зворотно хмчно адсорбц) сну тльки хмчна адсорбця.

При зварюванн плавленням хмчна адсорбця кисню не вдгра рол, тому що температура зварювально ванни вища Т3. Для з'днання в твердому стан це одню з найбльш важливих перешкод. Встано влено [99], що для металв, як утворюють стабльн оксиди, процеси хмчно адсорбц власне окиснювання накладаються один на одний.

Уже при температур 0 С залзо, нкель мдь можуть покриватися плвкою оксиду. Передбачаться, що метал майже миттво покрива ться адсорбованою плвкою, але цей стан швидко переходить до ста ну оксидно плвки.

У робот [146] вдзначаться, що перший акт окиснювання поляга в утворенн она кисню його зчепленн з металом. Оскльки на поверх н чистого металу електрони слабко зв'язан з атомами, то кисень, який ма велику спордненсть з електроном, захоплю його. У результат утворяться негативний он кисню позитивний он металу. Мж обома онами виника хмчний зв'язок. Дал вдбуваться перерозподл заря дв мас на поверхн металу. Утворються змшаний металокисневий шар оксиду, вдбуваться нова адсорбця кисню. Як указано в робот [146], плвки на поверхн металу являють собою складне утворення, яке складаться з власне оксидно плвки, шару фзично адсорбованих га зв, олй вологи. При нагрванн (особливо у вакуум) фзично адсор бован речовини легко видаляються, а власне оксидна плвка термо динамчностйкою. При збльшенн витримки металв на повтр тов щина оксидно плвки зроста, досягаючи певно товщини, якщо плв ка щльна.

Органчн забруднення можуть суттво впливати на процес з'д нання тльки у випадках зварювання при кмнатнй температур або з невеликим нагрванням, наприклад при холодному зварюванн. У цьому випадку тонк шари олй, жирних кислот парафнв, що утри муються на поверхн адсорбцйними силами, набувають властивостей, як абсолютно вдрзняються вд властивостей т ж речовини, але не зв'язано з металевою поверхнею. Речовина граничного шару набува пружност твердого тла. Товщина граничного шару не мтуться мономолекулярним шаром, але чим вона бльша, тим менше проявля ться властивсть шару як пружного тла. У робот [3] встановлено, що при витсненн олйного шару з зазору мж двома дисками псля до сягнення деяко мнмально товщини шару, витснення ол ста прак тично неможливим. Тому при зварюванн без пдгрву потрбно ретельно знежирювати поверхн, що з'днуються.

В умовах зварювання з пдгрвом, як видно з рис.1.21, залежно вд температури пдгрву парцального тиску кисню середовища, в якому виконуться зварювання, основною перешкодою з'днання ме талв оксидн плвки та хемосорбований кисень.

Розглядаючи з'днання реальних поверхонь полкристалв до за значених вище перешкод, варто вказати на некогерентнсть атомних раток, геометричний фактор кристалографчн недосконалост атом но будови. Через наявнсть мкронервностей фзичний контакт роз виваться поступово на окремих длянках, де напруження найбльш.

На кнетику процесу з'днання стотно впливають спотворення припо верхневого шару, викликан його попередньою обробкою. Щльнсть дислокацй концентрац вакансй можуть значно вдрзнятися в по верхневих глибинних шарах.

При схоплюванн двох полкристалв зникають дв поверхн з ви вльненням енерг 2Fп утворенням по площин стику границ мж зернами з рзною кристалографчною орнтацю. Мж полкристала ми встановлються мжкристалтний мжатомний зв'язок. Як уже роз глянуто в п.1.1.4, на границ мж зернами шар атомв явля собою об ласть спотворених атомних раток. Крм того, утворена границя ма хмчн забруднення, як були на поверхнях до х з'днання. Тому мц нсть мжкристалтного мжатомного зв'язку нижча, нж внутршньо кристалтна. Це особливо позначаться на властивостях з'днань, якщо границя площинна. Для полпшення властивостей з'днань необхдне утворення мж полкристалами спльних зерен пдвищення мкроод нордност металу, тобто проткання процесв об'мно взамод - ре кристалзац дифуз.

При з'днанн рзнордних матералв, як утворять крихк прошар ки, об'мну взамодю необхдно пильно контролювати та обмежува ти, щоб уникнути окрихчування з'днань.

Таким чином, у загальному випадку можна видлити три стад утворення з'днання в твердому стан [75]:

1) зближення поверхонь, як з'днуються, на мжатомн вдстан та утворення мж ними фзичного контакту;

2) активаця контактних поверхонь, тобто утворення вльних зв'яз кв атомв поверхонь, як з'днуються, для хньо хмчно взамод;

3) об'мний розвиток взамод матералв, що з'днуються.

Видлення зазначених стадй бльш важливе для аналзу процесу, нж для встановлення послдовност тривалост стадй. Оскльки реаль н поверхн мають мкронервност, то х зближення вдбуваться не одночасно по всй площ з'днання. Тому на одних длянках процес з'днання може закнчуватися, а на нших лише починатися. Крм того, тривалсть кожно стад залежать вд фзико-хмчних властивостей матералв, способу зварювання та його параметрв. Наприклад, при зварюванн однордних чи близьких за властивостями матералв зближення поверхонь, що з'днуються, в умовах пластично деформа ц супроводжуться х активацю, тод за тривалстю послдовн стю обидв стад збгаються.

1.2.2. Аналз взамод мж металами. При з'днанн металв найбльшими перешкодами оксидн плвки шари хемосорбованого кисню. Для утворення металчного зв'язку необхдна активаця повер хонь, що забезпечу появу активних центрв. Згдно з матералами [25], активний центр можна уявити як частки з вльними валентностя ми. Дисоцаця або розчинення оксидв також супроводжуються роз ривом зв'язкв, тому ц процеси сам по соб можуть сприяти виник ненню активних центрв.

Дисоцаця оксидв. Напрямок та швидксть проткання реакцй окиснювання визначаються спордненстю реагуючих елементв до кисню, х концентрацю, температурою, парцальним тиском кисню.

Мрою хмчно спордненост елементв до кисню змна величини вльно енерг Гббса G (зобарно-зотермчний потенцал). У мета лург як мру спордненост до кисню часто використовують також пружнсть дисоцац оксидв pO (MeO). На рис.1.22 показано пружност дисоцац оксидв деяких елементв при температурах 1000Е1300 С [60]. Вони отриман за рвняннями робт [78,131]. Для газу СО показа но також пружнсть дисоцац в умовах видалення газв дифузйними насосами (СО*), що буде розглянуто дал.

Напрямок реакцй окиснювання залежить вд температури пар цального тиску кисню в середовищ {pO } [57,58]. Дисоцаця оксиду можлива тльки у випадку, якщо pO (MeO) > {pO }.

2 Парцальний тиск кисню в повтр при атмосферному тиску можна прийняти 0,21 ат 2104 Па. Отже, аж до температур плавлення на пов тр буде вдбуватися окиснювання елементв. Нагрвання у високому вакуум може призвести до дисоцац деяких оксидв, наприклад, мд, нкелю, але для елементв з високою спордненстю до кисню варто очкувати окиснювання й у цьому випадку. Якщо у вакуумну камеру повтря не натка, то по мр витрати кисню, що залишився, окисню вання буде уповльнюватися припиниться зовсм, коли парцальний тиск кисню в камер стане рвним пружност дисоцац оксидв.

При нагрванн у вакуум стотну роль можуть вдгравати так процеси, як сублмаця оксидв, х вдновлення розчинення.

Рис.1.22. Пружност дисоцац оксидв деяких елементв залежно вд температури Сублмаця оксидв. Розглянемо можливсть сублмац оксидв при нагрванн у вакуум. Цей процес можна представити рвнянням Me O (тв) Ме O (пара).

n 2 n m m m m Умовою сублмац перевищення тиску насичено пари оксиду над парцальним тиском пари того ж оксиду в газовй фаз. Тиски на сичених парв деяких оксидв залежно вд температури показано на рис.1.23 [60]. Розрахунки виконувалися за рвняннями роботи [79].

Згдно з матералами роботи [103], швидксть випаровування ре човини можна визначити за рвнянням M v = 5,833 10-2(p - p1), (1.20) T де v - швидксть випаровування, г/(см2с);

p - тиск насичено пари ре човини, мм рт. ст.;

р1 - парцальний тиск пари речовини в газовому середовищ, мм рт. ст.;

М - грам-молекулярна маса речовини;

Т - тем пература.

Рис.1.23. Залежнсть тискв насичених парв деяких оксидв вд температури Для випаровування у вакуум, коли пари речовини постйно вида ляються, швидксть випаровування знаходять за рвнянням M v = 5,833 10-2 p. (1.20,а) T Якщо тиск вимрювати в Па, то [92] M v = 4,4 10-4 p. (1.20,б) T Крив змни швидкост сублмац деяких оксидв залежно вд тем ператури наведено на рис.1.24 [60].

Знаючи швидксть сублмац v, товщину щльнсть оксиду, мо жна визначити час сублмац оксиду при безперервному видаленн парв:

t =. (1.21) v Рис.1.24. Залежнсть швидкост сублмац деяких оксидв вд тем ператури Залежнсть часу сублмац деяких оксидних плвок товщиною 30 вд температури показано на рис.1.25 [93].

Рис.1.25. Залежнсть часу (с) сублмац деяких оксидв тов щиною 30 вд температури (для нших товщин час сублма ц прямо пропорцйний товщин оксидно плвки) Наприклад, для сублмац плвки оксиду титана товщиною при температур 1200 С ( = 7,510Ц7 г/(см2с);

= 4,2 г/см2) необхд ний час t = 28 хв. Пдвищенням температури нагрвання до 1300 С можна зменшити час сублмац до деклькох хвилин.

Для оксидв алюмню час сублмац визначаться годинами практично сублмаця неможлива. Деяк нш оксиди можуть цлком випаровуватись за порвняно короткий час. Наприклад, для сублмац оксиду нкелю товщиною 30 при температур 1200 С (v = 210Ц7 г/см2;

= 7,45 г/см3) необхдний час t = 13 с. У робот [107] вдзначаться, що оксиди молбдену починають нтенсивно випарову ватися вже при 600 С, а оксиди вольфраму - при 800 С видалення цих оксидв не виклика проблем.

Аналз наведених даних показу, що при нагрванн у вакуум термодинамчно бльш моврним видалення оксидних плвок шля хом сублмац порвняно з х дисоцацю в конденсованй фаз.

Ступнь очищення поверхонь вд оксидв визначаться також ве личиною наткання у вакуумну камеру нових порцй кисню. При вд сутност наткання кисню при безперервному видаленн парв окси дв, згдно з принципом рухомо рвноваги, процес сублмац може проткати до повного видалення шару оксиду. Однак при снуючих способах з'днання металв у вакуум без х розплавлення такий про цес може бути реалзований не для всх оксидв. Найбльш важко ви даляються термодинамчностйк оксиди алюмню титану. Крм того, необхдно враховувати, що для видалення хемосорбованого кисню на перехдних металах необхдн бльш висок температури (див.

рис.1.21). Тривала обробка бльшост металв у глибокому вакуум при високих температурах забезпечу видалення з поверхн оксидного ша ру, але не завжди отримання ювенльно поверхн.

У робот [54] вдзначаться, що для неперехдних металв переваж ним утворення оксидв, тому що адсорбований кисень менш мцно зв'язаний з поверхнею металв. Для перехдних металв утворення мц ного хмчного зв'язку кисню з металом обумовлено наявнстю неза повненого d-електронного рвня, що забезпечу надзвичайно високу стабльнсть хемосорбованих шарв кисню. У цй же робот викладена методика розрахунку зобарно-зотермчного потенцалу комплексу хемосорбц, який позначимо ОМе. Розглянемо вдповдн процеси:

Me + O2 = MeO ;

Me + O2 = OMe ;

OMe MeO.

Якщо термодинамчн потенцали реакцй окиснювання, утворен ня хемосорбованого шару та переходу останнього в оксид, вдповдно, Gок;

Gхем;

Gпер, то можна записати:

Gок = Gхем + Gпер або Gхем = Gок - Gпер.

Значення зобарно-зотермчного потенцалу реакц утворення оксиду визначено в тератур, наприклад [79]. Значення Gпер при ймають рвним значенням зобарно-зотермчних потенцалв випаро вування вдповдних металв, оскльки перехд вд хемосорбованого комплексу в оксид зв'язаний з видаленням надлишкових атомв мета лу. З урахуванням останнього, значення Gпер знаходимо в тератур.

У робот [54] за викладеною методикою розраховано зобарно зотермчн потенцали утворення комплексв хемосорбц оксидв деяких перехдних металв. Результати розрахункв доводять, що ком плекс хемосорбц термодинамчно мцнший оксидв.

Розрахунки процесв дисоцац та сублмац оксидв показують, що для деяких металв, у першу чергу, неперехдних утворюючих термодинамчно немцн оксиди або оксиди з великою пружнстю па рв, при нагрванн у вакуум ц процеси можуть забезпечувати акти вацю поверхонь (утворення вльних металчних зв'язкв). Це пдтвер джуться також прямими експериментами по зварюванню мд та де яких нших металв [100]. Для активних неперехдних металв кисень в оксид та для перехдних металв кисень у комплекс хемосорбц за важа з'днанню навть при нагрванн у вакуум. У цьому випадку важ ливу роль вдграють процеси розчинення кисню в метал.

Розчинення кисню в метал. Для термодинамчного розрахунку взамод металв з урахуванням розчинення кисню з комплексу хемо сорбц в робот [54] наведено таке рвняння:

G = GMe + G[O]Me + G[O]Me - GOMe - GOMe, -Me де G - змна зобарно-зотермчного потенцалу процесу взамод металв;

GMe - змна зобарно-зотермчного потенцалу процесу -Me сублмац для випадку однордних металв, а для з'днання рзнорд них матералв GMe визначаться за рвнянням -Me GMe + GMe GMe = G[O]Me, G[O]Me - змна зобарно ;

-Me зотермчного потенцалу при розчиненн кисню в металах Me' Me", що визначаться за рвнянням G[O] = A + BT + RT ln N0, де N0 - атом GOMe GOMe на частка кисню в розчин;

- зобарно-зотермчн потенцали утворення хемосорбованого комплексу.

Вважаться, що у взамодю вступають дв поверхн з хемосорбо ваним киснем, а результатом взамод металчн зв'язки, як утвори лися мж поверхнями, розчинення кисню. Розрахунки показали тер модинамчну можливсть такого процесу [54].

Товщину видалено оксидно плвки за рахунок розчинення кисню в припущенн, що вона мтуться дифузю кисню в метал, можна визначити за рвнянням [17] 2 мs = Dt, (1.22) ок f де - товщина вилученого шару, см;

м - щльнсть металу;

ок - щльнсть оксиду;

s - маса кисню в одиниц об'му металу, насиченого киснем;

f - маса кисню в одиниц об'му оксиду;

D - коефцнт дифу з кисню в метал, см2/с;

t - час, с.

У робот [54] наведено розрахунки процесв розчинення кисню в мд нкел. У розрахунках використано результати процесу внутрш нього окислення при витримц зразкв сплаву з низьким вмстом легую чих елементв у порошку оксидв металу-основи. За даними роботи [54], час розчинення оксидно плвки товщиною 50 виявився дуже малим для оксиду нкелю вимрювався секундами в нтервал темпера тур 1000Е1200 С. Для мд час розчинення оксидв був ще меншим.

Отриман результати не слд переоцнювати, тому що розрахунки виконан для чистих металв х оксидв. При з'днанн сплавв розра хунки значно ускладнюються. Здатнсть сплаву до окиснювання ви значаться бльш активними до кисню елементами та х концентрац ю. Метали розчиняють, як правило, тльки власн оксидн плвки. Ок сиди ряду легуючих елементв термодинамчно стйк, х видалення визначаться активнстю металу - основи сплаву та насиченстю його киснем. Термодинамчний розрахунок такого процесу складний. Од нак прямими експериментами доведено, що в цьому випадку розчи нення оксидв ма мсце [89]. Детальне дослдження розчинення окси дних плвок при дифузйному зварюванн титану та його сплавв ви конано в робот [65].

Хмчна активаця поверхонь. Видалення оксидв може вдбува тися також при х взамод з деякими речовинами, як дають продукти реакц в газоподбному стан, що особливо ефективно при зварюванн у вакуум. До таких речовин належать вуглець його хмчн сполуки ти пу вуглеводнв, фтористого амоню, фторборату амоню тощо [59,93].

Взамодя оксидв металу, наприклад МеО, з вуглецем протка за реакцю MeO + C = Me + CO.

Реакця буде проткати вправо, якщо спордненсть вуглецю до кисню буде бльшою, нж у металу, тобто якщо pO (CO) < pO (MeO).

2 Пружнсть дисоцац газоподбного оксиду вуглецю (тобто рвно важний тиск кисню), на вдмну вд твердих оксидв металу, залежить також вд парцального тиску оксиду вуглецю СО. Для реакц дисоц ац оксиду вуглецю 2CO = 2C + O2 з рвняння константи рвноваги pO K = знаходимо p pCO lg pO (CO) = 2lg pCO + lg K. (1.23) p Якщо прийняти, що на окиснювання вуглецю витрачаться весь кисень, який в камер псля вакуумування, то парцальний тиск ок сиду вуглецю складатиме pCO = 2NO p, де NO - мольна частка ки 2 сню в газ;

р - тиск у камер.

Приймемо NO = 0,21, тод при вакуум 10Ц2 Па рСО = 4,210Ц3 Па.

У дйсност частка кисню значно менша залежить вд типу використо вуваних вакуумних насосв. Наприклад, при використанн дифузйних пароолйних насосв парцальний тиск кисню склада 4,510Ц7 Па [93].

Результати розрахунку за формулою (1.23) для температур 1000Е1300 С наведено на рис.1.26 (позначено СО*), з якого випли ва, що у всьому дапазон температур вуглець виступа як розкисню вач. Отже, реакця вдновлення металу вуглецем у вакуум повинна проткати вправо, забезпечуючи очищення металу вд оксидв.

Взамодя оксидв з фтористим амонм, фторборатом амоню починаться з моменту х дисоцац (нами встановлено, що при швид кост нагрвання 25 С/хв атмосферному тисков температура почат ку дисоцац NH4F склада 250 С, а фторборату амоню - 350 С):

2NH4F = N2 + 3H2 + 2HF.

Руйнування оксидв може проходити в результат утворення лет ких фторидв металу (при наявност вологи), а також у результат вд новлення деяких металв воднем. Наприклад, широко вдома реакця SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O, що використовуться навть у побут при нанесенн надписв на склян вироби.

Аналогчн реакц можуть проткати за участю оксидв фторбо рату амоню.

Найбльш труднощ у видаленн кисню та оксидв з стика вини кають при зварюванн без пдгрву, коли для активац поверхонь не обхдна глибока пластична деформаця металу.

1.2.3. Аналз взамод металв з неметалами. При з'днанн ме талв з хмчними сполуками металв, зокрема з оксидами, нтридами або карбдами, х взамодя поляга в утворенн мцних зв'язкв, в ос новному, ковалентного типу. Наприклад, розглянемо взамодю мета в з оксидами за рвнянням Me + Me O = Me O + Me.

Проткання ц реакц праворуч можливе, якщо змна зобарно зотермчного потенцалу (енерг Гббса) менше нуля.

Розглянемо взамодю деяких металв оксидв [54]: температури плавлення металв значення зобарно-зотермчних потенцалв реак цй утворення х оксидв наведено в табл.1.4, а значення цих же потен цалв деяких оксидв, що основою або часто входять до складу ке рамчних матералв, - в табл.1.5.

Таблиця 1.4. Температури плавлення деяких металв значення G утворення х оксидв Значення G0, кДж/моль Метал Тпл, С Формула оксиду 1000 С 1800 С Ti 1668 TiO2 Ц795 - Zr 1852 ZrO2 Ц858 - V 1900 V2O3 Ц607 - Nb 2415 NbO Ц577 - Тa 2996 Ta2O5 Ц586 - Cr 1875 Cr2O3 Ц523 - Mo 2610 MoO2 Ц356 - W 3400 WO2 Ц356 - Ni 1453 NiO Ц251 - Со 1453 CoO Ц293 - Al 660 Al2O3 Ц837 - Таблиця 1.5. Значення вльно енерг Гббса G0 утворення деяких оксидв G0, кДж/моль Формула оксиду 1000 С 1800 С ВeO Ц962 - ZrO2, Ц858 - Cr2O3 Ц523 - SiO2 Ц640 - МgО Ц920 - Al2O3 Ц837 - СаО Ц1004 - ThO2 Ц1004 - VO2 Ц858 - Найбльшу спордненсть до кисню мають елементи, при окисню ванн яких значення G0 найменш. У цьому випадку оксиди най бльш стйкими.

Для взамод металв з оксидами кращ умови сполучення мета в з найбльшою спордненстю до кисню (G0 - мнмальне) та ок сидв термодинамчно найменш мцних (G0 - максимальне). Це мож на пролюструвати схемою, показаною на рис.1.26 [54].

Наведену схему не можна абсолютизувати, тому що при взамод металв з керамкою можливе утворення оксидв рзних стехометрич них складв, що вплива на термодинамку процесу повинно врахову ватися в розрахунках. Однак у випадку такого врахування вибр з'д нуваних матералв лише за х активнстю не гаранту якост з'днань.

Мцн з'днання забезпечуються при поступовому переход вд металу до керамки через промжн прошарки. Тому при аналз взамод необ хдно враховувати термодинамчну можливсть утворення т або ншо промжно фази. Наприклад, з'днання мж залзом склом утворються при наявност перехдного шару оксидв. Термодинамчн розрахунки показують, що Fe3O4 та Fe2O3 з SiO2 не взамодють, але взамодя FeO з SiO2 термодинамчно можлива. Тому взамодя оксидв залза Fe3O4 та Fe2O3 з SiO2 також термодинамчно можлива, якщо забезпечуться участь у реакц чистого залза з утворенням FeO.

Рис.1.26. Вплив спордненост металв до кисню на активнсть взамод металв з оксидами Варто пам'ятати, що термодинамка, дозволяючи той чи нший процес, не да його кнетики. Наприклад, взамодя Fe3O4 з SiO2, не зважаючи на термодинамчну можливсть процесу за розглянутим ви ще механзмом, може не вдбуватися через недостатню швидксть ди фуз залза в оксиднй плвц Fe3O4. Тому аналз взамод матералв необхдно проводити з використанням розрахункових методв, як враховують рзн аспекти процесу.

1.3. Утворення фзичного контакту поверхонь при з'днанн металв Контакт твердих тл завжди дискретний, фактична площа контак ту склада тльки незначну частину номнально. Зближення повер хонь на мжатомн вдстан може бути досягнуте в результат пластич но деформац зминання наявних нервностей та шорсткостей.

Розрахунок фактично площ контакту виконуться з певними припущеннями щодо фзичних властивостей геометр виступв. Для зварювання важливо визначити необхдн для забезпечення контакту по всй поверхн тиск, температуру, вд яко залежать механчн вла стивост матералв, тривалсть процесу. При зварюванн з нтенсив ним силовим впливом (активна деформаця) високими ступенями деформац, наприклад, при зварюванн холодному чи тертям, визна чаться тльки тиск стискування, при зварюванн вибухом - потуж нсть заряду. Тривалсть процесу склада секунди дол секунд, але за рахунок великих пластичних деформацй фзичний контакт поверхонь гарантуться. Тиски стискування вибираються залежно вд опору ме талу пластичнй деформац. Опр деформац визначаться температу рою процесу ступенем змцнення металв при деформац. Опр де формац може значно перевищувати границю текучост металу, тому тиск при холодному зварюванн склада сотн МПа. При зварюванн тертям за рахунок нагрвання металу до пластичного стану тиски змен шуються приблизно на порядок.

Слд вдзначити, що при холодному зварюванн, зварюванн ви бухом, тертям тощо тиск ступнь деформац визначаються не тльки необхднстю забезпечення фзичного контакту поверхонь, але х ак тивац. У контакт повинн вступати енергетично пдготовлен для утворення зв'язкв атоми, тому що по закнченн пластично деформа ц закнчуться процес зварювання.

Для способв зварювання з низьконтенсивним силовим впливом тривалсть стад утворення фзичного контакту може бути значною визначаться за розрахунками. Розрахунки рунтуються на аналз зминання макровиступв на поверхнях за рахунок повзучост та з ура хуванням способу ступеня чистоти механчно обробки поверхонь, а також змни дйсних напружень при деформац виступв.

Повзучсть (безперервна деформаця при постйному напруженн, меншому границ текучост металу) характеризуться деформацю, що залежить вд часу може мстити в соб пружну, в'язку та пластич ну деформац.

Макроскопчна деформаця повзучост часто характеризуться як пластична, а пружною деформацю в'язким плином нехтують. На мкроскопчному рвн пластична деформаця включа утворення нй ковзання, смуг ковзання, смуг деформац, складок комрково струк тури. На субмкроскопчному рвн пластична деформаця явля собою зародження, рух, розмноження взамодю дислокацй.

Повзучсть термчно активованим процесом. Локальне термчне збудження забезпечу додаткову енергю понад введену механчним шляхом, що призводить до подолання опору деформац при повзучо ст. Напруження визначають напрямок деформац повзучост. На ос & нов теор термодинамчно флуктуац швидксть повзучост в за гальному вид може бути представлена рвнянням [16] Hi(T, S), (1.24) & = (, T, S)i(T, S)exp Zi RT де функця Z залежить вд температури Т мстить частоту коливань, змну ентроп структурний фактор S. Останнй включа в себе так характеристики мкроструктури, як величина зерна, величина розпо дл часток одн чи бльше фаз, щльнсть, розподл та довжина дис локацй. Функця залежить вд температури структури, оскльки механзми повзучост температурно структурно чутлив. Величина Н дйсною енергю активац для -го процесу, який визнача швидксть повзучост та залежить вд температури структури. Якщо дючий механзм, що контролю повзучсть у визначених межах тем ператури, напружень структури невдом, то невдом точн види функцй Z , а отже, величина Н не може бути точно визначена.

Однак, пдтримуючи Z постйними, можна визначити уявну енер гю активац повзучост Нп, в яку можуть входити також нш члени, крм Н, яка буде наближатися до Н(T, S). Порвнюючи Нп Н для можливих механзмв, можна визначити, який з механзмв конт ролю процес повзучост.

Повзучсть металв подляють на низькотемпературну високотем пературну. При цьому вважають, що швидксть низькотемпературно повзучост визначаться механзмами, не пов'язаними з дифузю, на приклад, поперечним ковзанням, перетином дислокацй, тертям у рат ках, обумовленим силами Пайрлса. Швидксть високотемпературно повзучост контролються дифузйними процесами. Встановлено, що для багатьох металв таким процесом самодифузя. Важливим про цесом при усталенй повзучост рух вакансй. Типи та механзми де формац повзучост детально розглянуто в робот [16].

Повзучсть металв може бути представлена кривою повзучост, показаною на рис.1.27.

Деформаця 0 виника вдразу при навантаженн подну в соб пластичну пружну деформац. В нтервал часу вд 0 до t1 швидксть повзучост поступово зменшуться. Цей перод повзучост називаться першою або неусталеною стадю повзучост. Мж деформацями 1 2, тобто в перод вд t1 до t2, швидксть повзучост практично постй на. Цей перод називаться другим або усталеною стадю повзучост.

Псля деформац 2 швидксть повзучост постйно пдвищуться до деформац р руйнування металу. Перод зростаючо швидкост повзучост називаться третьою стадю повзучост.

Для зварювання практичний нтерес представляють тльки перш дв стад повзучост. Вплив температури на характер кривих повзучо ст показано на рис.1.28.

Рис.1.28. Вплив температури на Рис.1.27. Крива повзучост металв характер кривих повзучост Залежно вд температури, характер кривих повзучост змнються.

Вн залежить також вд рвня дючих напружень. Наприклад, при ве ликих деформуючих напруженнях важко розрзнити окрем стад процесу. При низьких напруженнях високих температурах повзу чсть металу вдразу починаться з друго стад [16].

Для визначення часу утворення фзичного контакту необхдно ма ти крив повзучост матералу в умовах зварювання задатися формою мкронервностей на його поверхнях. У робот [54] для стад неуста лено повзучост рекомендовано рвняння з роботи [11]:

& = At-n (1.25) або Eп(P), & = L0bt-n exp (1.25,а) RT & де - швидксть повзучост;

А - коефцнт, залежний вд температу ри напруження;

n - коефцнт, який може приймати значення вд до 2;

t - час деформац;

- частота коливань атомв;

L0 - шлях руху дислокацй до бар'ру;

b - модуль вектора Бюргера;

- постйний ко ефцнт;

Eп(P) - енергя активац пластично деформац при задано му напруженн;

R - унверсальна газова постйна;

T - температура.

У рвнянн (1.25,а) добуток t-n = визнача щльнсть рухомих дислокацй.

При температурах, близьких до точки плавлення, перша неусталена стадя повзучост не виявляться. Швидксть неусталено повзучост в цьому випадку залежить вд напруження наступним чином [16]:

& = A sin h, (1.26) де A", - постйн коефцнти.

При бльш низьких температурах, але вище 0,4Тпл, коли перед другою стадю повзучост спостергаться перша, залежнсть швид кост деформац вд низького напруження, характерного для дифузй ного зварювання, ма вигляд [16] & = An, (1.26,а) де n - постйний коефцнт, що для чистих металв ма значення в нтервал вд 4 до 6, а для сплавв - вд 2 до 4;

A - постйний коеф цнт, що залежить вд температури. Для великих напружень ця залеж нсть ма вигляд & = A exp(). (1.26,б) Залежнсть швидкост усталено повзучост вд низьких високих напружень можна виразити диним рвнянням [16]:

n & = A (sin h), (1.26,в) де A",, n - постйн коефцнти, що в загальному випадку залежать вд температури.

У роботах [59,60,147] при дифузйному зварюванн для стад усталено повзучост при температур Т використовуться рвняння Hп & = Bpm exp, (1.27) - RT де В - постйна, що визначаться природою матералу;

р - дюч на пруження (тиск при зварюванн);

m - постйна, що, залежно вд мате ралу, звичайно змнються вд 3 до 5;

Hп - енергя активац повзу чост, яка визначаться при дослдженн повзучост в умовах зварю вання [60].

Одним з експериментальних методв визначення енерг активац повзучост метод малих скачкв температури, при якому проводять дослдження повзучост [16]. Повзучсть дослджують при постйному напруженн температур T1, а потм рзко змнюють температуру до T2, яка може бути нижчою або вищою вд T1. Схема змни параметрв випробувань показана на рис.1.29 [60].

Рис.1.29. Схема змни параметрв процесу повзучост при визна ченн енерг активац за мето дом малих скачкв температури з спввдношення швидкостей повзучост безпосередньо перед змною температури псля визначають Нп:

& RT1T2 Hп = lg, & T2 - T1 & & де 2 1 - швидкост усталено повзучост вдповдно при темпера турах T2 T1.

Обладнання для визначення енерг активац повзучост стосовно дифузйного зварювання описано в робот [60]. У цй же робот визна чено для жаромцних сплавв ЭИ602, ЭИ826 ЭП99 параметри повзу чост, як складають вдповдно: Нп [кДж/моль] - 345, 372, 375;

m - 3,79, 3,73 3,81;

B - 7,2410Ц6, 6,0510Ц6 5,4610Ц6.

& Знаючи швидксть повзучост залежно вд параметрв режиму зварювання та необхдну величину деформац, визначають трива сть стад утворення фзичного контакту tф:

(1.28) tф =.

& Для визначення необхдно величини деформац залежно вд способу обробки поверхн задаються певною формою мкровиступв [147]. п можна визначити також експериментально , користуючись рвняннями (1.27) (1.28), варювати параметри режиму зварювання.

Зближення поверхонь на мжатомн вдстан призведе до мжато мно взамод, якщо х поверхнев атоми будуть мати вльн сили зв'яз ку (будуть активован).

При цьому утворяться мжатомн зв'язки - вдбудеться схоплю вання поверхонь.

1.4. Аналз дислокацйного механзму активац поверхонь З'днання матералв у твердому стан звичайно виконують з пд грвом. Холодне зварювання проводять без пдгрву, але з великими пластичними деформацями (55Е90 %). При холодному зварюванн оксидн плвки та нш забруднення руйнуються виносяться з зони з'днання разом з витсненим металом. Аналогчно видаляються за бруднення при нших способах зварювання з нтенсивною деформа цю, наприклад зварюванн тертям тощо.

При дифузйному зварюванн та нших способах з незначною пластичною деформацю велику роль вдграють дислокац, як ви ходять на поверхню при пластичнй деформац. У роботах [54,75] по казано, що утворення мжатомних зв'язкв (схоплювання поверхонь) вдбуваться на активних центрах, як являють собою мсця виходу дислокацй. Модель активного центру показано на рис.1.30 [54].

Активним центром, як показано на рис.1.30, дислокаця з полем пружних спотворень граток. Дислокац в кристалах створюють нав коло власних всей напруження стискування над площиною ковзання розтягування - пд нею. Дюч напруження викликають змщення ато мв. Змщення n-ряду атомв Rn дорвню [11] b rn (1.29) Rn = - arctg, 2 f де b - модуль вектора Бюргерса;

rn - вдстань ряду в площин a вектора Бюргера вд ядра дислокац;

f = - ширина 2(1- ) дислокац;

а - параметр гратки;

- коефцнт Пуассона.

Рис.1.30. Модель активного центру, утвореного при виход дислокац в зону фзичного ко нтакту Змщення атомних рядв викликають спотворення граток. Енергя спотворення n-го ряду одинично довжини [11] Q 4Rn Gb3 4Rn 1- cos 1- cos Un = =, (1.30) 82a b 82a b де G - модуль зсуву;

Q' = 2Q, а Q - повна енергя дислокац поля спотворень.

Якщо для розриву старих зв'язкв в активному центр потенцаль ний бар'р склада величину U (рис.1.30), то ц зв'язки можуть бути розрван на площ з радусом 2R(U ) a r = -, (1.31) 2(1- )tg b де R(U) - змщення для певного рвня енерг U, яке визначаться рв няннями (1.29) (1.30):

b 42a R(U ) = - arccos1- U ;

(1.32) 4 Q Q - повна енергя дислокац поля спотворень, що склада Q = Gb3.

Площа активного центру навколо дислокац 2R(U ) a S = - tg, (1.33) 2(1- ) b а число атомв в активному центр 2R(U ) a n = - tg. (1.34) a2 2(1- ) b У рвнянн (1.32) взамозв'язан повна енергя дислокац Q ве личина потенцального бар'ра U. Оскльки у функц arccos x значення х знаходиться в межах Ц1 х 1, то Q U. (1.35) 22a Рвняння (1.32) встановлю взамозв'язок мж повною енергю Q, що виноситься дислокацю в зону з'днання, величиною змщення потенцальним бар'ром U, який можуть перебороти атоми на вдстан r вд ядра дислокац.

За даними Ван Бюрена, Котрелла, Кттеля та нших, загальна енер гя ядра дислокац в будь-якому кристал за порядком величини дорв ню Gb3 на одну мжатомну вдстань уздовж вс дислокац, а енергя ядра дислокац на одну атомну площину склада 0,1Gb3. У робот [66] наведено значення повно енергя гвинтово дислокац на кожну атомну площину близько 8 еВ, а для крайово - у раз бльше, тобто 1- 11Е12 еВ. Енергя ядра дислокаця оцнються трохи менше 1 еВ.

Енергя Qp дислокац, що рухаться, визначаться рвнянням Q Qp =, (1.36) 1 c де - швидксть руху дислокац;

c - швидксть звуку (c 105 см/с).

На утворення активних центрв стотно впливають температура та деформаця. При пдвищенн температури та збльшенн пластично деформац число активних центрв зроста.

Найбльш важливими енергетичними характеристиками процесу активац енергетичний бар'р U, при досягненн якого в межах ак тивного центру вдбуваться розрив старих зв'язкв, та частота появи активних центрв на поверхнях, як з'днуються.

Для малих швидкостей деформування, наприклад при повзучост, згдно з даними роботи Ж. Фрделя [138], можна прийняти нйну за лежнсть щльност дислокацй вд величини деформац :

=, (1.37) L0b де L0 - вдстань мж бар'рами для руху дислокац.

Частота виходу дислокацй у цьому випадку визначаться рвнян ням [20] & =. (1.38) L0b З рвняння (1.38) виплива, що частота виходу дислокацй визна чаться нтенсивнстю пластично деформац з'днуваних металв.

Спльна пластична деформаця металв з близькими фзико механчними властивостями супроводжуться рухом виходом дисло кацй одночасно на обидв поверхн, що з'днуються. У момент виходу дислокацй вдбуваться схоплювання поверхонь.

При з'днанн рзнордних матералв схоплювання регламенту ться активацю бльш твердого матералу. Тривалсть пероду акти вац поверхн бльш твердого матералу ta можна оцнити за рвнян ням [147] 1 N Ea ta = exp, (1.39) (p,c) N0 kT де N0 - число зв'язкв на одиниц поверхн;

N - необхдне число розри вв зв'язкв (звичайно приймають N = (0,7Е0,9)N0);

Еа - енергя акти вац одиничного зв'язку, енергя активац руху дислокац, енергя активац утворення руху ваканс тощо залежно вд природи матер алу, типу хмчного зв'язку, а також механзму активац поверхн;

(р, с) - частота власних коливань атомв або частота перемщення дислокац;

- може змнюватись вд 1 до 1014 сЦ1, при швидкост пов зучост 10Ц6 сЦ1 для металв з г.ц.к. граткою змнються в нтервал 106Е1010 сЦ1;

р - тиск;

с - величина, яка характеризу склад та власти вост матералу.

Власне дислокацйний механзм активац здйснються при низь ких температурах для пластичних металв. з пдвищенням температу ри зроста роль термчно активац, питоме значення залежить вд ступеня швидкост пластично деформац. Пдвищення температури збльшу швидксть руху дислокацй частоту х виходу в зону фзич ного контакту, а також зменшу мцнсть зв'язкв мж атомами металу кисню в оксидах та хемосорбованому шар, тобто зменшу потенца льний енергетичний бар'р U.

Таким чином, термодеформацйн умови з'днання матералв у твердому стан забезпечують активацю поверхонь при виход на них дислокацй, поряд з розглянутими ранше способами активац повер хонь при дисоцац, сублмац, вдновленн металв з оксидв та роз чиненн оксидв. Роль питоме значення кожного з способв активац залежить вд способу зварювання, його особливостей та природи ма тералв, що з'днуються.

Процес схоплювання поверхонь - це, перш за все, взамодя мж поверхневими атомами матералв. При цьому утворюються мжкрис талтн мжатомн зв'язки, тобто границя зерен проходить по поверхн контактування. У випадку повно реалзац в контакт мжатомних зв'язкв, розсян фзичн хмчн мкронедосконалост менше впли вають на механчн властивост з'днань при статичному розтягуванн, але рзко погршують механчн властивост при динамчних наванта женнях та високих температурах. Тому, розглянувши вс властивост з'днань, принаймн однойменних або утворюючих тверд розчини матералв, робимо висновок про необхднсть об'мно взамод в зо н з'днання.

1.5. Об'мна взамодя з'днуваних матералв Об'мна взамодя металевих матералв призводить до усунення за рахунок дифуз фзичних хмчних недосконалостей будови мета лу в зон з'днання, утворення спльних зерен у контакт, релаксац внутршнх напружень тощо. У результат цього характеристики з'д нань можуть бути рвнозначними характеристикам основних металв.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |    Книги, научные публикации