Эдуард Сергеевич Каракозов
СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ
*** 1976 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Эффективность применения разнообразных способов соединения в твердой фазе определяется правильным выбором одного из способов при решении конкретной технологической задачи.
Важнейшим условием правильного выбора способа сварки является знание физико-химических процессов, протекающих в зоне соединения. В данной книге наиболее подробно были проанализированы два способа сварки: сварка давлением с подогревом и сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием. Выбор этих способов сварки в качестве объектов исследования не был случайным и определялся следующими их особенностями. Сварка давлением с подогревом характеризуется низкой интенсивностью силового воздействия, относительно высокой температурой и большой длительностью процесса. Это позволяет последовательно анализировать процессы, протекающие на различных стадиях. Причем, изменяя параметры сварки, можно обеспечить разную степень полноты развития каждой стадии, т. е. возможно проведение кинетических исследований каждой стадии в отдельности и выявления контролирующих механизмов процесса в целом и постадийно. Таким образом, сварка давлением с подогревом является способом, при котором процессы релаксационного характера на стадии объемного взаимодействия могут развиться до установления равновесия. Сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием, отличающаяся ничтожно малой длительностью процесса, является способом, при котором процессы релаксационного характера на стадии объемного взаимодействия ограничены схватыванием контактных поверхностей без последующего развития в зоне соединения процессов рекристаллизации или гетеродиффузии. По интенсивности силового воздействия и длительности процесса сварка давлением с подогревом и сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием представляют собой крайние случаи способов соединения в твердой фазе. Все остальные способы по интенсивности силового воздействия и длительности процесса расположены между этими двумя способами. При всех остальных способах соединения металлов в твердой фазе развитие процессов релаксационного характера на стадии объемного взаимодействия может происходить в разной степени и иметь различные проявления. Исследования, основанные на гипотезе о трехстадийном характере процесса образования соединения между металлами в твердой фазе, и изучение кинетических закономерностей развития каждой стадии в отдельности позволили установить следующее. Пластическая деформация металла в зоне контакта при сварке давлением с подогревом описывается теми же уравнениями, что и ползучесть. При этом необходимо учитывать непрерывное уменьшение контактного давления по мере развития процесса. Ввиду того, что параметры сварки устанавливаются без учета релаксационных свойств металла в зоне контакта и непосредственно в процессе сварки не регулируются, в пластическую деформацию вовлекаются объемы металла. Поэтому сварку давлением с подогревом можно характеризовать как процесс с низкой степенью локализации пластической деформации металла в зоне контакта. Все это приводит к резкому увеличению длительности образования полного физического контакта и величины объемной пластической деформации. Интенсивность процесса активации контактных поверхностей и образования межатомных связей (схватывания) зависит от частоты выхода дислокаций в зону физического контакта, определяемой скоростью деформации, и площади активного центра, определяемой физико-химическим состоянием поверхности. При низкоинтенсивном силовом воздействии с подогревом до Т 0,5ТПЛ скорость роста схватывания по мере развития процесса снижается из-за деформационного упрочнения металла в зоне контакта и связанного с ним уменьшения частоты выхода дислокаций и площади активного центра. Это приводит к резкому увеличению длительности процесса активации всей контактной поверхности и величины объемной пластической деформации. При высокоинтенсивном силовом воздействии скорость деформации металла в зоне контакта необходимо ограничивать так, чтобы длительность активации всей контактной поверхности была больше длительности релаксации напряжений, но меньше общей длительности процесса взаимодействия. При сварке одноименных металлов с низкоинтенсивным силовым воздействием и подогревом при Т 0,5 Ггш стадия объемного взаимодействия должна быть завершена образованием общих зерен в зоне соединения за счет развития рекристаллизационных процессов. Возможность образования общих зерен по всей зоне соединения за счет развития рекристаллизационных процессов определяется степенью завершенности первых двух стадий. Если в зоне соединения нет несплошностей, т. е. участков, на которых не успели произойти процессы образования физического контакта и активации контактных поверхностей, рекристаллизация происходит беспрепятственно путем миграции границ зерен через первоначальную плоскость контакта и в зсне соединения образуются общие зерна. Если зона соединения содержит несплошности большого размера, то они являются эффективными барьерами для миграции границ зерен. Уменьшение их размеров за счет пластической деформации и самодиффузии приводит к тому, что они становятся малоэффективными барьерами для миграции границ зерен. При этом в зоне соединения образуются общие зерна. На процесс соединения металлов в твердой фазе решающее влияние оказывают величина сопротивления деформации свариваемых металлов и их релаксационные свойства, определяющие интенсивность процессов возврата. Поэтому любые технологические приемы, обеспечивающие уменьшение или предотвращение деформационного упрочнения металла в зоне соединения при сварке, позволяют резко сократить длительность образования качественного соединения, повысить воспроизводимость результатов, получать прецизионные соединения, снизить необходимые усилия и температуру сварки, рекомендовать строго определенные оптимальные параметры процесса. В зависимости от особенностей конкретного способа сварки процесс получения качественного соединения может быть завершен схватыванием контактных поверхностей, образованием в зоне соединения общих зерен или образованием новой фазы, свойства которой определяют свойства сварного соединения. Естественно, что степень развития этих проявлений релаксационного характера может быть различной. С позиций физико-химических процессов, происходящих при соединении металлов в твердой фазе, достаточно просто решается вопрос выбора способа сварки применительно к различным сочетаниям свариваемых металлов. Для сочетания металлов, образующих по равновесной диаграмме состояния новые хрупкие фазы, не могут быть использованы способы сварки, предусматривающие длительное нахождение свариваемых металлов при высокой температуре (имеется в виду непосредственное соединение металлов без применения промежуточных прокладок). В этом случае необходимо использовать способы сварки с высокоинтенсивным силовым воздействием. Действительно, получить качественное соединение меди с алюминием или титана с алюминием с помощью диффузионной сварки не представляется возможным. Однако данные сочетания металлов успешно можно соединять, как это было показано ранее, с помощью магнитно-импульсной и холодной сварки. Знание физико-химических процессов, происходящих при соединении металлов в твердой фазе, позволяет также ответить на вопрос о том, какие свойства сварного соединения можно ожидать при использовании того или иного способа сварки. Ясно, что когда процесс образования качественного соединения даже между одноименными металлами ограничен схватыванием контактных поверхностей, то такие соединения, имея прочность при статическом растяжении на уровне основного металла, будут иметь низкие значения вязкости и пластичности, так как в зоне соединения остается структурный надрез. Поэтому сварные соединения, полученные сваркой взрывом или холодной сваркой, имеют низкие значения вязкости и пластичности. Однако, если аналогичные соединения между одноименными металлами получать с помощью диффузионной сварки, то при определенных параметрах режима вязкость и пластичность сварных соединений могут быть на уровне основного металла. В данной главе не ставилась задача рассмотреть все возможные аспекты разработки технологии соединения металлов в твердой фазе. Такая задача, по-видимому, вообще не может быть решена даже в рамках очень крупной монографии, ибо слишком велико число частных задач и возможных технологических решений. Решение вопроса, вероятно, состоит в том, чтобы технологическую задачу решать не эмпирическим путем, не методом последовательных приближений, а методом научного анализа и последующего эксперимента. Адсорбция: физическая 17, 115, 117, 118 химическая 17—19, 34, 118, 132 Активация контактных поверхностей 10. 15, 53—67, 119, 124, 125, 155— 158, 168 --------кинетика 10, 53 модель 53 Активированное состояние 13, 15—18, 20, 21, 64 Активные центры 10, 19, 53—67, 70—72, 125—128, 132, 148, 155 расчет числа 55—67, 124—127, 138, 155 Барьерный слой 70, 127, 128, 132, 138, 140 Ван Бюрена уравнение 124 Ван-дер-Ваальса силы 7, 10, 14, 15, 17 Гесса закон 32, 36 Гетеродиффузия 119, 166 Границы зерен 167—173, 178—180, 186, 192 миграция 172, 173, 192—195, 212—214 Дефекты кристаллической решетки 20 — структуры сварного соединения 175—180 второго типа 175, 179, 208, 209, 212—214. первого типа 175, 179, 180, 186, 208, 213 Деформация: критическая 104, 221, 222 пластическая 22, 41, 42, 83—85, 86, 97, 124, 138, 147, 183, 217 — ползучесть (объемная) 73—85, 88, 99, 108, 124 — приконтактной зоны 83—88, 108, 153, 173, 178, 180, 193, 213 — скорость 94, 95, 103, 104, 172, 191, 213 статическая 107, 108, 173, 191—214 циклическая 87, 108, 214—221 Деформационное воздействие 83—85, 108, 109 — упрочнение 40, 41, 83—87, 99, 108, 109 Дислокации: плотность 20, 21, 44, 70, 114, 124, 127, 128, 132—142, 155 поле упругих напряжений 53, 54, 58, 70—72. 127, 132, 149 поток 20, 132—142 расчет напряжений 54, 58, 70—72 скорость движения 54, 60, 61, 127 частота выхода 24, 53—55, 61, 62, 70 энергия 21, 53, 54, 60, 132 — поля напряжений 21, 53, 132 — ядра 58—60 Диффузия 31, 82 — объемная 185, 188, 190, 208, 213 — по границам зерен 82, 83, 156, 171, 208, 233 Дорна метод 43, 48, 49 Зегера модель пластической деформации 149 — теория деформационного упрочнения 41—42 Качество сварных соединений 86, 213 Кислород: в металлах 16—18 в титановых сплавах 87, 100—117 Металлографический анализ 148, 158, 163—170, 175—214, 229 высокотемпературный 175—214 — метод 191, 197, 209 Разупрочнение 216 Рекристаллизация 112, 169—172,187, 195 — движущая сила 169, 170 — обработки 172, 191—196, 206, 213 — собирательная 170—172, 195, 196, 206, 207, 212 Релаксационные процессы 119, 166 Релаксация напряжений 149—157, 178, 246—249 Рентгеноструктурный анализ 31, 229, 233 Объемное взаимодействие 10, 11, 31, 119, 250, 251 Окислы металлов 18—27, 37, 100, 209—214, 232 диссоциация 19, 209 устойчивость 23—27, 32, 209, 210 Окисные пленки 19, 100, 115—117, 209—233 Остаточные газы 33, 35, 101—103 Охрупчивание 100 Очаг взаимодействия 55 Пластичность поверхностных слоев 40, 177 Ползучесть 40, 43, 73—91, 219—221 — кинетические кривые 77—81, 88— 92, 96 — неустановившаяся 43, 44, 83, 94 -— скорость 81—96, 231 — установившаяся 40 Потенциальная энергия системы атомов 14, 15, 183, 184 Потенциальный барьер 15, 53, 54, 58 Прочность сварного соединения 70, 86, 119—214, 221, 225—227 --------высокотемпературная 98,175—214 --------кинетика роста 98, 121, 175—215 --------на отрыв 180 Самодиффузии 82, 83, 156, 171, 185, 188, 190, 208 — зернограничная 82, 83, 156, 171, 208 Сверхпластичность 221—223 Силовое воздействие при сварке 221—252 низкоинтенсивное 119—142,249—251 среднеинтенсивное 142—152 высокоинтенсивное 152—166,248—251 Сотовые конструкции 85—88, 100—108 технология изготовления 85, 107 Структура зоны соединения 172- 214, 221—227, 232—234 Схватывание 13, 18, 53, 67—72, 119, 133, 249, 250 — движущие силы 13—22 — кинетика 53, 131 —133 — модель гипотетическая 14, 16 — скорость 250 — энергетические характеристики 13—22 Температурный коэффициент 170 роста прочности 188, 213 ----------ударной вязкости 213 Трехстадийность процесса 10, 11, 38— 72, 166 Ударная вязкость 175, 182—191,213—214, 217—221, 223, 224, 225, 257—260 Упрочнение материала 107, 180—182 деформационное 107, 215, 221, 226, 250 приконтактное 107, 186, 215, 250 Физический контакт 10, 19, 20, 35—53, 73—85, 87—108, 111—118, 186, 213, 214, 230, 233—235 — — кинетика образования 38—40, 9.3-97, 105—108 методика определения 39, 110 расчет площади 38, 39, 52, 53, 88, 97 Флуктуации термические 20 Фрактографический анализ 39, 158 — метод 39 Функция активации 65 Хемосорбция 17, 18, 32, 33, 35, 117 Химические связи 16, 22, 26, 54 Химическое взаимодействие 14, 17, 20, 36, 57, 120, 127, 158 Электросопротивление контактное 108—118 кинетика изменения 111—118 Энергетический барьер 54, 55, 58, 132, 149 Энергия активации 13, 14, 80—84, 90—97, 131, 171, 207—204 десорбции 17, 19 кажущаяся 16, 21, 22, 82, 131, 208 контактных поверхностей 21, 54, 55, 57, 80 образование дефекта решетки 20, 82 --------физического контакта 42, 49, 70, 83, 84 , 96, 97 пластической деформации 51, 54, 71, 83, 84, 86, 90—94, 213 роста зерен 207, 213, 214 самодиффузии зернограничной 82, 83, 156, 171, 208 --------объемной 185, 188, 190, 208, 213 уменьшения площади активных центров 70, 71, 125 Ювенильная поверхность 14, 17, 19 |
