3.2 Роль кристаллического строения металлов

Помимо атомного строения металлов при сварке давлением и плавлением имеет значение кристаллическое строение металлов, которое наряду с атомным строением определяет условия взаимодействия соединяемых металлов.

Кристаллическое строение металла – это закономерное и однотипное расположение атомов данного элемента, образующее так называемую пространственную кристаллическую решетку. Характер расположения атомов для данного металла и расстояние между атомами определяются энергетическими условиями взаимодействия между ионами и обобществленными электронами металлической связи. Поскольку у разных металлов ионы имеют различное энергетическое состояние и различное число оставшихся электронов, то взаимодействие между ионами и «электронным газом» и, соответственно, закономерность расположения ионов и расстояние между ними будут различными.

У металлов наиболее распространены три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, кубическая объемно-центрированная и гексагональная плотноупакованная. В кубических решетках атомы располагаются по вершинам куба, а дополнительные атомы – в центре каждой элементарной ячейки (объемно-центрированная кубическая решетка, ОЦК) либо в центре каждой грани ячейки (гранецентрированная кубическая решетка, ГЦК). Для гексагональной плотноупакованной решетки характерно расположение атомов по вершинам шестигранника с дополнительными атомами на гранях (ГПУ). Многократное объемное повторение элементарной ячейки образует кристалл данного металла.

У некоторых металлов характер кристаллической решетки изменяется с изменением температуры. Это связано с изменением энергетического состояния атомов при нагреве или охлаждении и приобретением такой формы построения и взаимодействия, которую характеризует наименьшая свободная энергия системы. Изменение кристаллического строения металла при изменении температуры называют полиморфизмом, а соответствующие виды кристаллических решеток – полиморфными формами металла. Так, у железа имеются две основные полиморфные формы – кубическая объемно-центрированная (α-Fe) и кубическая гранецентрированная (γ-Fe). Различные полиморфные формы имеют также кобальт, марганец, титан.

Для кристаллических решеток различных металлов характерно различное расстояние между базовыми атомами, т.е. атомами, образующими геометрическую фигуру. Например, в кубической решетке это размер ребра куба – расстояние между центрами атомов, находящихся в его вершинах. Это расстояние называют параметром решетки, у кубической решетки один параметр – а, у гексагональной два: а и с (рис.6).

а – ГПУ; б – ГЦК в – ОЦК

Рисунок 6 – Кристаллические решетки металлов

При сварке однородных металлов, которые имеют идентичные кристаллические решетки, способность к соединению определяется в основном рассмотренными закономерностями электронного строения атомов данного металла. При сварке разнородных металлов большое значение приобретает их атомно-кристаллическое строение. Чем меньше различие атомно-кристаллического строения металлов, тем легче они соединяются при сварке. Близость атомно-кристаллического строения соединяемых металлов означает близость энергетического состояния их атомов. А это значит, что атомы одного свариваемого металла способны энергетически благоприятно располагаться в кристаллической решетке другого свариваемого металла. Признаком такой близости является близость атомных радиусов и близость типов и параметров кристаллических решеток.

Атомная решетка реальных кристаллов не является идеальной по построению. Дефекты кристаллической решетки в виде вакансий или дислокаций приводят к созданию областей с повышенной свободной энергией в результате отсутствия уравновешенных связей. В местах с повышенной свободной энергией активность прилежащих атомов повышена, поэтому выход дефектов кристаллического строения на свариваемые поверхности создает условия, требуемые для образования центров схватывания. Движению и выходу на поверхность дефектов кристаллического строения способствует деформация свариваемых поверхностей. Показателем способности металла к выходу дислокаций на поверхность при деформации может служить энергия активации сдвига: чем она выше, тем меньше вероятность выхода дислокаций на поверхность схватывания при сварке давлением.