5

ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ДЕЛА

Лекция 2

Строение металлов. Физика образования монолитного сварного

соединения

СЛАЙД 2Металлы – кристаллические вещества, обладающие металлическим блеском, высокой пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью.

Металлы и сплавы делятся на чёрные (железо и сплавы) и цветные.

Сплавы – вещества, полученные сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами.

Сплавы железа с углеродом содержанием до 2.14% называются сталями.

Сплавы железа с углеродом содержанием свыше 2,14% называются чугунами.

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру.

Кристаллические вещества бывают монокристаллическими и поликристаллическими.

Металлы являются в основном поликристаллическими веществами, т.е. состоящими из множества небольших кристаллов называемые зёрнами.

Каждое зерно является монокристаллом. Зёрна разделены между собой границами.

СЛАЙД 3 Под микроскопом при увеличении в 50 раз и выше структура сталей видна в виде тёмных и светлых зёрен. Светлые зёрна называются ферритом.

СЛАЙД 4 Феррит или - железо имеет объёмноцентрированную кубическую решётку. Это твёрдый раствор железа с углеродом. Атомы углерода располагаются в междоузлиях решётки.

Тёмные зёрна – перлит – смесь феррита и цементита. Цементит – химическое соединение железа с углеродом Fe₃C и виден под микроскопом в виде чёрных пластин или зёрен.

Виды связей между атомами и молекулами в веществе.

СЛАЙД 5

Во всех веществах существуют следующие виды элементарных связей:

ковалентная, ионная, межмолекулярная и металлическая. Ковалентная связь существует между одинаковыми атомами газов азота N₂, водорода Н₂, алмаза, кремния, германия. Атомы объединяются внешними электронами.

СЛАЙД 6 Ионная связь – связь, при которой одни атомы отдают внешние электроны, а другие их присоединяют. Образуется молекула, состоящая из двух ионов NaCl.

Межмолекулярная связь – связь, которая устанавливается между молекулами, например, жидкостей или при смачивании веществ.

Металлическая связь – связь между ионами атомов кристаллической решётки и облаком свободных электронов.

Механизм осуществления монолитных соединений

Металлы представляют собой систему, состоящую из ионов кристаллической решётки, взаимодействующей с электронным облаком свободных обобществлённых электронов. Поэтому, чтобы соединить две части металла, этим двум частям необходимо сообщить энергию, т.к. в свободном виде они отталкиваются электронными облаками.

Когда атомы двух частей сблизятся на межатомные расстояния, образуется монолитное соединение.

СЛАЙД 7 Сварка, как процесс соединения частей, представляет двухстадийный процесс. На первой стадии происходит сближение атомов на расстояния, достаточные для межатомного взаимодействия, т.е. на деформацию электронных облаков.

СЛАЙД 8

На второй стадии устанавливается прочная химическая связь, т.к. облака вокруг кристаллической решётки под действием движения атомов частично расходятся, и образуется общая кристаллическая решётка.

СЛАЙД 9 Сближение атомов при сварке плавлением осуществляется вследствие адгезии (смачиваемости) поверхности тел жидким металлом и активации поверхности соединяемых частей нагревом.

Жидкий металл растекается по поверхности свариваемых тел и обеспечивает соприкосновение и перемешивание металла соединяемых изделий с присадочным металлом. При затвердевании расплавленного металла образуется прочная металлическая связь.

При сварке давлением сближение атомов достигается в результате совместной упругопластичной деформации соединяемых материалов в контакте.

Длительность образования связей при этом значительно больше, чем при сварке плавлением.

СЛАЙД 10 Сближению двух поверхностей твёрдых тел мешают неровности и загрязнения, находящиеся на них. Из-за неровностей соприкосновение поверхностей происходит в нескольких точках (рис. 1). Если в этих точках и возникают связи, то они разрушаются при снятии сил давления.

1. 2

Рис.1. Процесс образования сварного соединения при сближении двух тел.

1- до пластической деформации, 2- после пластической деформации и нагрева.

Чтобы соединить два тела необходимо сгладить неровности на их поверхности, удалить посторонние атомы. Сглаживание поверхностей достигается путём механической обработки. Выравнивание поверхности можно осуществить путём деформации неровностей или путём их расплавления.

Пластичные металлы с малой твёрдостью (свинец) достаточно прочно соединяются даже при незначительном сжатии. У конструкционных сталей твёрдость настолько велика, что поверхность действительного соприкосновения незначительна. Для их соединения в холодном состоянии необходимо усилие в несколько сотен тонн.

На процесс соединения значительно влияют загрязнения соприкасаемых поверхностей. Окислы, жировые плёнки, адсорбированные молекулы газов, почти мгновенно образуются на свежезачищенной поверхности металла под воздействием окружающей среды.

При повышении температуры в месте соединения деталей амплитуда колебаний атомов увеличивается. Тем самым улучшаются условия для получения общего электронного облака и создаются атомарные связи в пограничном слое соединяемых деталей. Чем выше температура нагрева, тем меньшее давление требуется для осуществления сварки, а при температуре нагрева до температуры плавления необходимое давление становится равным нулю.

Таким образом, процесс сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. СЛАЙД 11 Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий:

- освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, окислов, адсорбированных газов;

- энергетическая активация поверхностей атомов, облегчающая их взаимодействие;

- сближение свариваемых поверхностей на расстояние, сопоставимое с межатомными расстояниями.

Сварка плавлением сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов, основным из которых является тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния. Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования металла в расплавленном состоянии.

5