Практическое занятие 1 Термодинамическая и кинетическая реализуемость процесса сварки.
Сварка – процесс получения неразъемного соединения.
Основное требование к сварным соединениям – обеспечение одинаковых свойств с исходным (основным) металлом.
Известно, что свойства твердых тел определяются характером связи в них : связи между элементарными частицами могут быть ковалентными, ионными, металлическими и ван-дер-ваальсовыми (межмолекулярными).
В общем случае, для обеспечения одинаковых свойств в зоне соединения и в основном металле необходимо в зоне соединения обеспечить те же химические связи, что действуют и в основном металле.
Опр. Под сваркой понимают технологический процесс получения неразъемного соединения за счет формирования в зоне соединения непрерывных химических связей.
1.1. Термодинамическая реализуемость сварки.
Все процессы сварки идут с уменьшением потенциала Гибса G:
свободная поверхностная энергия соединяемых поверхностей Gсп заменяется на межфазную Gмф в зоне соединения:
Поскольку потенциал Гибса G определяется числом неуравновешенных связей , то Gcп > G мф
и , как правило, G мф = (0,1 0,2) Gcп
Следовательно, с точки зрения термодинамики, процесс сварки является осуществимым, так как G < 0 :
G = Gмф - Gсп < 0
Однако, самопроизвольно на практике сварные соединения не реализуются и связано это с тем, что термодинамическая вероятность процесса не определяет его кинетическую реализуемость.
1.2. Кинетическая реализуемость сварки
Рассмотрим
идеальный случай образования сварного
соединения между двумя идеально плоскими
и идеально чистыми монокристаллами А
и В с одинаковой кристаллической
решеткой.
В равновесных условиях электронные оболочки поверхностных атомов обладают устойчивой электронной конфигурацией. При сближении монокристаллов на расстояния, соизмеримые с параметрами кристаллической решетки, происходит взаимодействие электронных оболочек поверхностных атомов – они отталкиваются. Для дальнейшего сближения монокристаллов А и В необходимо вводить дополнительную энергию, при этом энергетический уровень поверхностных атомов возрастает. По мере увеличения уровня энергии в какой-то момент * произойдет нарушение исходной электронной конфигурации поверхностных атомов монокристаллов А и В, образование новой электронной конфигурации, общей для монокристаллов – то есть произойдет образование неразъемного соединения.
Эта дополнительно вводимая энергия, необходимая для перевода поверхностных атомов в возбужденное состояние , когда система с равной вероятностью может перейти как в исходное состояние I , так и в состояние II , носит название энергии активации процесса Еа.
Можно сделать вывод:
При сварке идеальных монокристаллов наблюдается выделение энергии, равной G , однако сам процесс осуществим только если в зону соединения будет введена дополнительная энергия равная Еа.
Существуют 2 способа активации поверхности:
диффузионный (вакансионный)
nв= nо ехр(- Eв/КТ),
где nв – количество вакансий при Т;
nо – количество узлов кристаллической решетки;
Ев – энергия активации образования вакансии.
При выходе вакансии на поверхность образуются 2 активных центра с суммарной энергией, равной энергии активации образования вакансии.
2). деформационный (дислокационный)
nд k пл
где nд –количество дислокаций, k – коэффициент пропорциональности, пл – степень относительной деформации (пластической)
В результате приложения касательных напряжений краевая дислокация выходит на поверхность и появляется атом с избыточной энергией – активный центр, имеющий избыточную энергию Ед (равную энергии образования дислокации).
На практике, в реальных условиях, имеем не идеальные монокристаллы, а поликристаллические поверхности, имеющие загрязнения и неровности, что сказывается на процессе сварки и пайки.
Наличие загрязнений снижает величину свободной поверхностной энергии Gсп , в связи с чем снижается термодинамическая вероятность процесса.
Неровности поверхности препятствуют формированию сплошного физического контакта и тем самым – трансляции связей.
Следовательно, в реальных условиях для формирования сварного и паяного соединения необходимо:
в зону соединения ввести энергию Ео , необходимую для очистки поверхностей (так как очистка идет путем разрушения старых связей это энергия активации очистки);
ввести энергию Евыр , необходимую для выравнивания поверхностей (энергию, необходимую для формирования сплошного физического контакта);
ввести энергию Еа необходимую для осуществления собственно сварки или пайки;
Из практики : Ео + Ев >> Еа
Вывод:
Все процессы, способствующие формированию сварного и паяного соединения, можно разделить на 2 стадии:
1 стадия – формирование физического контакта;
2 стадия – образование химических связей.
Формирование соединения связано с затратой энергии и не смотря на то, что при сварке затраченная энергия в конечном счете возвращается, но эта W бесполезно теряется, идя на нагрев металла в зоне соединения.