Механизм образования монолитных соединений твердых тел
Пусть даны два одинаковых монокристалла с идеально гладкими поверхностями.
|
Рис.1. Механизм образования монолитных соединений |
Казалось бы, что образование монолитного соединения из них возможно (рис.1,а) при любой температуре и без приложение внешней энергии. Для этого достаточно было бы сблизить их на расстояние соизмеримое с параметром кристаллической решетки Δ и тогда между сопряженными атомами возникают связи, границы исчезают и произойдет сварка. В действительности же для соединения поверхностей требуется затрат энергии из вне. Почему?
Дело в том, что внутри кристалла атом удерживается симметрично направлениям силам связи, а те, которые находятся по краям – неуравновешаны, так как отсутствует связь с одной стороны, что вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла (рис.1,б).
Каждому устойчивому состоянию системы соответствует определенная минимальная энергия атома. Переход из одного состояния в другое возможен только при преодолении энергетического барьера, поэтому при перемещении атома внутри кристалла ему требуется W0, а для выхода наружу Wn, причем W0< Wn, следовательно для соединения двух монокристаллов в один необходимо приложить энергию из вне – тепловую. Эта энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающая между поверхностными атомами. Когда расстояние между ними будет равно межатомному расстоянию решетки кристалла, возникнут квантовые взаимодействия между поверхностными атомами (электронных оболочек атомов). После этого общая энергия системы начнет снижаться и появится выигрыш энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения. Эта энергия называется энергией активацией. Следовательно, сблизить атомы до их взаимодействия можно путем увеличения температуры. при которой происходит плавление.
Двухстадийность процесса сварки
Сварку и пайку относят к двухстадийному процессу образования прочных связей. Двухстадийность характерна для микроучастков соединяемых поверхностей (рис 2).
1-я стадия: обозначается А – это физический контакт.
2-я стадия: Б – химическое взаимодействие.
Физический контакт – это сближение соединяемых веществ на расстояние, необходимое для подготовки поверхностей взаимодействия (например, выдавливание окисной пленки при сварке трением или смачивание жидким металлом при сварке давлением).
Химическое взаимодействие – это является дальнейшей стадией физического контакта и заканчивает процесс образования прочного соединения.
Получению монолитного сварного соединения мешает 2 фактора:
свариваемые поверхности имеют микронеровности; даже при тщательной обработке контактирование не идет по всей длине, а в отдельных точках; качество сварного соединения будет выше, если контакт есть на большей части соединяемых поверхностей;
|
Рис. 2. Двухстадийность процесса сварки |
свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как на любой поверхности адсорбируются атомы внешней среды.
Для получения качественного сварного соединения поверхность надо активизировать. Активизация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, которая необходима:
для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды;
для повышения энергии поверхностных атомов, чтобы они могли совершать работу выхода.
Такая энергия активизации может быть сообщена в виде:
теплоты (термическая активизация);
упругопластической деформации (механическая активизация);
электронной, ионной и т.д. (радиальная активизация).