книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

необходимое для скольжения дислокации, определяется уравне­ нием [159]

2iut>

где G — модуль упругости при сдвиге;

р— коэффициент Пуассона;

е— основание натуральных логарифмов;

b — межатомное расстояние в направлении скольжения; со — ширина дислокации.

Большое значение имеет ширина дислокации, которая опреде- ляется как ш = ^ а е (.а — расстояние между соседними атом­

ными плоскостями, в которых происходит скольжение). Под ши­ риной дислокации принято понимать размер области сильных искажений решетки в плоскости скольжения и в направлении скольжения. Обычно считают, что у металлов ширина дислокации равна от двух до десяти межатомных расстояний. С увеличением ширины дислокаций уменьшается сила Пайерлса, так как при перемещении дислокации на одно межатомное расстояние каж­

Ширина дислокации определяется природой межатомного

гими дислокациями. Повышение напряжений для перемещения

194

границы зерен. Изменение ориентировки плоскости скольжения при переходе через границу, представляющую к тому же область с разупорядоченным расположением атомов, обусловливает силь­ ное барьерное действие ее. Если бы скользящая дислокация пере­ шла в соседнее зерно, то она была бы произвольно ориентиро­ вана вектором Бюргерса по отношению к решетке межзеренного вещества. Движение такой дислокации должно бы вызвать боль­ шое искажение расположения атомов и потребовало бы очень высоких критических напряжений. Поэтому дислокации концен­ трируются вокруг границ зерен, причем по мере их скопления возникает нагромождение. Напряжения от нагромождения дисло­ каций в одном зерне упруго распространяются на соседнее зерно, приводя в действие в нем источники Франка — Рида.

В сплавах, способных к старению (к их числу относятся и алюминиевые), торможение дислокаций осуществляется также дисперсными частицами. В зависимости от расстояния между ча­ стицами дислокация под действием касательного напряжения может либо выгибаться между ними, либо перерезать частицу. В первом случае при соответствующем напряжении вокруг частиц образуются петли (кольца). Набор таких взаимно отталкиваю­ щихся колец создает вокруг упругие напряжения, затрудняющие проталкивание новых дислокаций между частицами.

Существенным препятствием перемещению дислокаций явля­ ются так называемые атмосферы Коттрела, Сузуки и Снука. В атмосфере Коттрела атомы примесей или легирующих элемен­ тов стягиваются силами упругого взаимодействия с дислока­ циями. Дислокация при движении стремится увлечь за собой атмосферы Коттрела, которые могут перемещаться только диффу­ зионным путем. При низкой температуре и повышенных скоростях

деформации атмосферы Коттрела не в состоянии поспеть за сколь­ зящими дислокациями, поэтому происходит их торможение.

Работа, которую необходимо затратить на отрыв дислокации от своей атмосферы, определяется формулой энергии связи поло­ жительной краевой дислокации с примесным атомом

тора Бюргерса Ь).

В ГЦК-решетке проявляются атмосферы Сузуки, под кото­ рыми подразумевается измененная концентрация примесных ато­ мов или атомов легирующего элемента в дефекте упаковки растянутой дислокации. При этом «химическая» связь атомов рас­ творенного элемента с растянутой дислокацией приводит к тормо­ жению дислокаций атмосферами Сузуки.

Блокируют дислокации и атмосферы Снука, которые проявля­ ются в виде упорядочения в расположении атомов внедрения в ОЦК-решетке. Дислокации вызывают нарушение упорядочен­ ного строения атомов, повышают свободную энергию кристалла, поэтому атмосферы Снука будут тормозить их движение.

Существенное препятствие движению дислокаций оказывает

пленка отличается от основного металла величиной упругих кон­ стант, механической прочностью. В связи с этим упрочнение кри­ сталлов, в частности алюминия, зависит от свойств поверхности. При стравливании окисной пленки наклон кривой напряжение — деформация уменьшается [151].

Особенности протекания пластической деформации в разоб­ щенных кристаллах двух поверхностей под действием развиваю­ щихся давлений от внешних сил и нагрева рассмотрены В. А. Пет­ ровым, М. X. Шоршоровым и Э. С. Каракозовым [165, 164]. Для изучения процессов контактирования ими была разработана ме­ тодика измерения в динамическом режиме контактного электро­ сопротивления (к. э. с.). Им удалось оценить влияние процессов изменения площади физического контакта, деформационного упрочнения металла и изменения химического состава поверх­ ностного слоя металла вследствие диффузии элементов. В первом

1 96

упругопластический характер, причем доля той или иной составляющей зави­ сит от условий эксперимента, и прежде всего от температуры нагрева поверх­ ностей. Процесс образования физичес­ кого контакта ими условно разделен на три стадии, показанные на графике рис. 100.

На I стадии под действием все воз­ растающего давления происходит ак­ тивная деформация и упрочнение ме­ талла. Площадь физического контакта «5 ф'к зависит от величины удельного

Давления

5ф.к== А + ß lg p ,

где А и В — константы, зависящие от кристаллической структу­ ры металла;

р — удельное давление.

В некоторых случаях, в частности в экспериментах, проведенных на тита­ не, пластическая деформация поверх­ ностных слоев может сопровождаться изменением их химического состава.

На II стадии процесс протекает при постоянном внешнем дав­ лении и развитие физического контакта происходит за счет пол­ зучести металла при таком уровне напряжений, когда не проис­ ходит отрыв дислокаций от облаков примесных атомов. Скорость Движения дислокаций будет определяться в этом случае диффу­

рошо совпадают с энергиями активации диффузии примесных атомов в матрице. Существенно влияют на прохождение про­ цесса II стадии температура и время. С ростом температуры про­ цесс развития физического контакта интенсифицируется. Воз­ растает энергия активации процессов, увеличивается их ско­ рость.

Обработка экспериментальных данных позволила установить, что физический контакт на II стадии является процессом релак­ сации внутренних напряжений в поверхностном слое металла, при котором развиваются контакты за счет поверхностного пла­ стического течения.

197

физического контакта при соединении металлов в твердом состоя­ нии. При ступенчатом или циклическом приложении внешнего давления происходит возрастание скорости развития физического контакта. В последующем наблюдается увеличение прочности образующегося соединения.

В итоге образования физического контакта двух металлов по­ верхности их значительно активируются. На II стадии процесса схватывания после освобождения от окисных и адсорбированных пленок и образования в результате пластического течения по­ верхностных слоев значительного количества участков контакти­ рования создаются условия для уменьшения сопротивления пластической деформации. Активированная поверхность дает выход полю дислокаций. Поля упругих напряжений внутри кристалла не будут уравновешены веществом по другую сто­ рону поверхности, поэтому возникают силы, выталкивающие дислокации.

На поверхностях при выходе дислокаций образуется сту­ пенька, равная вектору Бюргерса. Накапливание сдвиговых сту­ пенчатых образований изменяет геометрическую конфигурацию поверхностей [10]. Такие зоны являются очагами (активными центрами) образования связей между кристаллами. Наличие большого количества таких активных центров определяет, по-ви­ димому, процесс образования прочных связей между кристаллами двух поверхностей, причем скорость образования соединений мо­ жет быть очень большой. При воздействии помимо сжимающих напряжений еще и касательных сил, которые создаются при от­ носительном перемещении двух поверхностей, процесс образова­ ния связей может происходить лавинно. По мнению М. X. Шоршорова [228], при образовании на поверхности активных центров создаются условия для взаимодействия электронных оболочек и диффузии. При этом для чистых металлов или сплавов типа твер­ дых растворов эти процессы сводятся к коллективизации элек­ тронов, вследствие чего между атомами кристаллической решетки двух тел образуется металлическая связь. При взаимодействии металлов с металлоидами, а также окислами, полупроводниками или интерметаллидами квантовые процессы сводятся к образова­ нию прочных связей в основном ковалентного типа за счет до­ норно-акцепторных взаимодействий, а также разрыва и пере­ ключения (трансляции) валентных связей.

После сообщения поверхностям необходимой энергии актива­ ции [194] за счет тепла, упруго-пластической деформации (меха­ нической активации, радиационной активации, концентрации ва­ кансий, дислоцированных атомов, дислокаций и др.),достигаемой в первой стадии физического контакта, возникает процесс обра­ зования прочных связей. При этом по М. X. Шоршорову [228] скорость образования физического контакта сказывается и на скорости роста прочности соединяемых металлов (рис. 101). Для определения длительности процесса образования активных цен­

198

тров (дефектов) и их движения предложена экспоненциальная зави­ симость [228]

£а_

1 N kT

уN«

где N- -число разрывов связей, не­ обходимых для образова­ ния соединения;

N0— число связей в поверхност­ ном слое;

Ец—энергия активации образо­ вания дефектов;

k — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура по Кельвину;

V— частота собственных коле­ баний атома.

Образование прочного соединения двух поверхностей при схватывании должно явиться результатом постепенного увеличе­ ния площади очагов схватывания, возникающих на участках активных центров. При этом будет проходить деформация боль­ шей части уже соединенных кристаллов, а на участках, где еще не произошло соединение, будет с возрастающей скоростью уве­ личиваться число активных центров с образованием новых оча­ гов схватывания.

Механизм соединения двух разнородных материалов при кон­ тактировании можно представить следующим образом. Атомы в плоскостях раздела выталкиваются действующими между ними силами на общие линии, и при различных параметрах решетки образуется положительная линейная дислокация. В одном кри­

199

образования дислокаций большой плотности. Одновременно осу­ ществляется торможение дислокаций, что приводит к упрочнению

зоны схватывания.

Тонкое металлографическое, рентгенографическое и злектронографическое изучение соединенных в результате схватывания после совместной прокатки слоев двух металлов [15J позволило установить особенности границ раздела. При схватывании одн - родных металлов формируются границы раздела, подобные ме зеренным границам поликристаллического тела; при схватывании разнородных образуются границы типа межфазных (рис. wö). После образования достаточно прочного соединения и подавле­ ния зон где еще не произошло схватывание, при воздействии внешних сил осуществляется третья стадия процесса схватыва­ ния. По мнению Ю. Д. Красулина [121], развивается объеМ1™е взаимодействие. Деформация проходит в объеме уже соединен­ ных зерен, захватывая большие участки металлов. При этом, по­ скольку в зоне схватывания прочность металла более высокая пластическая деформация распространяется на слои, лежащие ниже и выше границы сцепления металлов. Исключение воз­ можно для материалов с низкой температурой рекристаллизации, когда соединение двух металлов проходит ниже порога рекри­ сталлизации, и для металлов, слабо упрочняющихся в результате холодной пластической деформации (цинк, кадмии и др.).

Дислокационная гипотеза механизма схватывания за послед­ нее время успешно развивается многими исследователями. При­ менительно к холодной сварке, особенно при соединении металлов

При соединении металлов в процессе прокатки несомненный ин­ терес представляют работы Е. Й. Астрова [9, 10J.

Вработах П. Ф. Засухи, А. А. Ершова, О. Б. Бухвалова и др.

[15]приведены формулы для расчета ожидаемой прочности

сцепления однородных и разнородных металлов.

При рассмотрении явления схватывания нельзя не учитывать

единицы поверхности и неодинаковую для различных граней кри­ сталла. В процессе трения образующиеся очаги схватывания раз­ рушаются, при этом либо осуществляется перенос металла с по­ следующим отделением его, либо непосредственно образуются продукты износа. Если происходит трение по поверхностям хруп­ ких металлов, то особенно скажется поверхностная энергия, т. е.

201

Ѵа и Ѵь — поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхностей материалов а и b соответ­ ственно;

°т. сж

гия взаимодействия двух поверхностей из одинаковых материа­

Исключение составляют металлы, имеющие гексагональную ре­ шетку. По мнению Е. Рабиновича, такие металлы, имея одну плос­ кость скольжения, не обладают определенной свободой внедре­ ния контактирующих выступов, когда при очень гладких поверх­ ностях сказывается адгезионная составляющая коэффициента трения. Правда, следует отметить, что при больших скоростях скольжения и повышенных нагрузках нагрев трущихся поверх­ ностей может привести в движение дислокации и по другим плос­

тате проведения точных зкепе-

202