1.2. Термодинамика процесса схватывания

Для понимания процесса образования соединения рассмотрим результаты анализа схватывания на идеализи­рованных моделях.

При сближении в вакууме двух монокристаллов од­ного и того же вещест­ва, с одинаково ориен­тированными кристал­лографическими осями и с абсолютно ровны­ми и ювенильными по­верхностями рис. 1.2,а), между ними возника­ют силы межмолеку­лярного притяжения – силы Ван-дер-Ваальса. Дальнейшее сближе­ние монокристаллов под действием этих сил пойдет самопроизвольно и будет сопровождаться уменьшением потенциальной энергии системы по кривой 1 (рис. 1.3).

На некотором расстоянии r начнется перекрытие стабильных электронных оболочек поверхностных атомов, и появятся быстрорастущие силы отталкивания. При r₁>a (a - период кристаллической решетки) результирующая сила станет равной нулю, и потенциальная энергия системы дос­тигнет минимального значения. Этот процесс термодина­мически оправдан снижением энергии системы. Прочность сцепления двух кристаллов в этом положении обусловлива­ется значением энергии связи E₁, которая относительно невелика и составляет всего 0,8 ÷ 8,0 кДж/моль (энергия металлической связи, например, у железа состав­ляет 395 кДж/моль). Образование такого типа связи, приме­нительно к рассматриваемой модели, можно трактовать как установление физического контакта между соединяемыми поверхностями.

Рис. 1.2. Идеализированные схемы схватывания

Рис. 1.3. Зависимость потенци­альной энергии E двух кристал­лов от расстояния между ними r

При дальнейшем сближении поверхностей соеди­няемых кристаллов результирующая сила будет действовать как отталкивающая. Если, преодолевая эти силы, продол­жать сближать атомы поверхностей, то потенциальная энер­гия системы будет изменяться по левой части кривой 1 в на­правлении точки А и далее. В точке А между атомами двух поверхностей начнутся процессы электронного взаимодей­ствия, и дальнейшее сближение кристаллов будет сопрово­ждаться уменьшением энергии системы по кривой 2. Энер­гия Е_а, необходимая для перевода системы в состояние хи­мического взаимодействия, называется энергией активации. Она расходуется на изменение устойчивого энергетического состояния атомов, находящихся на соединяемых поверхно­стях.

В результате сближения поверхностей на расстояние r₂ = а и установления между атомами соединяемых поверх­ностей химических связей система достигает минимума по­тенциальной энергии Е₂ и переходит в равновесное состоя­ние. Граница раздела между двумя монокристаллами исче­зает, так как атомы соединяемых поверхностей образуют энергетически устойчивые конфигурации электронов, при­сущие атомам внутри кристалла, происходит схватывание (сварка). Термодинамически такой процесс оправдан сни­жением свободной энергии системы на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

При сближении двух идеальных монокристаллов с узлами решетки, взаимно смещенными на некоторую вели­чину Δ < 0,5а (рис. 1.2, б), в результате схватывания сме­щенные монокристаллы объединятся с образованием гра­ницы, на которой правильное кристаллическое строение на­рушится. Создание такой границы потребует затраты энер­гии Е_гр, связанной с упругим искажением решетки. Однако величина Е_гр значительно меньше, чем 2Е_п (Е_п - свободная энергия поверхности), и процесс схватывания термодинамически вероятен, так как он ведет к уменьшению свобод­ной энергии системы на величину

.

При сближении идеальных монокристаллов разно­родных материалов (a₁ ≠ a₂) и реализации процесса схваты­вания образуется граница, на которой возникнут краевые дислокации (рис. 1.2, в), приводящие к увеличению энергии границы на ΔЕ_гр. С точки зрения термодинамики способ­ность к схватыванию (сварке) разнородных металлов долж­на увеличиваться, если они взаимно растворимы или дают устойчивые химические соединения, так как в этом случае всегда уменьшается свободная энергия системы.

Таким образом, для металлов процесс схватывания сопровождается уменьшением свободной энергии системы и термодинамически выгоден. Однако принципиальная воз­можность схватывания еще не означает, что всегда можно получить работоспособное сварное соединение.