91

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

А.С.Тарасов

Физические основы соединения конструкционных материалов

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

УДК 621. 79 :669.017

ББК 34.64

Рассмотрены основные факторы, влияющие на свариваемость различных металлов, основные механизмы образование неразъемных соединений в процессах пайки и склеивания. Изложены методы оценки свариваемости на основе диаграмм состояния,

Предназначено для студентов специальностей: 150202.65 «Оборудование и технология сварочного производства» и для студентов по направлению подготовки бакалавриата 150700.62 «Машиностроение».

Научный редактор проф. В.В. Максаров

Рецензенты:

Тарасов А.С.

Т 825 Физические основы соединения конструкционных материалов: Учебное пособие /; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2013, 90 с.

УДК 621. 79 : 669.017

ББК 34.64

© Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный», 2013 г.

1. Роль атомно-кристаллического и молекулярного строения материалов в формировании неразъемных соединений

Свойства атома, и в том числе энергетические показатели связи между электронами и ядром, а также связь между собой атомов одних и тех же элементов и атомов различных элементов (что важно для соединения их сваркой) зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням, от степени заполнения того или иного электронного уровня или подуровня, общего числа электронных уровней, от состояния последнего внешнего электронного уровня, от того, являются ли спины соседних электронов данного подуров­нявзаимно уравнове­шивающими или нет.

Число внешних электронов атома, т. е. электронов, находя­щихся на внешней оболочке (наивысшем энергетическом уровне) может быть от 1 до 8. Внешние электроны наименее прочно свя­заны с ядром, поэтому они легче всего отделяются или отдаляются от атома. Именно эти электроны в основном ответственны за со­здание межатомной связи, которая определяется стремлением атома к получению завершенной электронной оболочки. Поэтому по числу внешних электронов атома определяется его валентность и по степени достроенности внешней оболочки — его активность или способность вступать в соединение с другими атомами. Там, где внешняя оболочка полностью достроена (у гелия — это два электрона, у остальных элементов — не менее восьми электронов), атом вещества оказывается практически пассивным к образованию связей. К таким элементам относятся инертные газы. Валентность элемента (максимальная) в периодической системе определяется группой, в которой находится элемент, что соответствует числу электронов на внешнем уровне.

Соединение отдельных атомов между собой и образование атом­ных комплексов обусловливает создание молекул химических сое­динений, образование атомных агрегатов металлов и других ве­ществ. Способность атомов одного и того же вещества или различ­ных веществ соединяться друг с другом в прочный агрегат — об­разовывать неразъемное соединение является важнейшим факто­ром при сварке металлов, и в особенности при сварке давлением в твердом состоянии. При сварке давлением свариваемые поверх­ности сжимаются до сближения на расстояние, на котором могут проявиться силы атомного взаимодействия между свариваемыми поверхностями. Установление атомной связи между этими поверх­ностями — необходимое условие получения сварного соединения.

В настоящее, время между собой сваривают металлы одни и те же (сталь—сталь, медь—медь и т. д.) и различные (сталь-никель, медь—никель и др.). Сваривают и металлы с неметалла­ми — керамиками. Номенклатура материалов, свариваемых ме­жду собой, непрерывно расширяется.

Рассмотрение природы связи между атомами имеет первосте­пенное значение как для понимания условий образования раз­личных соединений, и в том числе сварных, так и для разработки новых процессов и новых видов сварных соединений.

Атомы различных элементов отличаются между собой числом электронных оболочек— энергетических уровней, на которых

расположены электроны. При этом, если рассматривать какой-либо данный атом, то чем выше энергетический уровень (чем больше главное квантовое число) электронной оболочки, тем дальше элек­троны находятся от ядра, тем выше свободная энергия электронов, тем менее прочно они связаны с ядром.

Имеет значение не только увеличение расстояния этих электро­нов от ядра и уменьшение силы взаимодействия между электроном и ядром, но и экранирующее влияние промежуточных электрон­ных оболочек. Поэтому электроны внешних оболочек в атоме сла­бее связаны с атомом, чем все остальные электроны. Они могут при соответствующих условиях отдаляться от атома, могут вообще его покидать, переходя, например, к другому атому, у которого внешняя оболочка имеет более низкий энергетический уровень и свободное место (недостроена). Таким образом, одним из факторов, определяющих соединение атомов, является энергетическое со­стояние электронов на внешней оболочке — валентных электро­нов: чем слабее они связаны с атомом, тем легче они переходят к об­разованию связи с другим атомом.

Прочность связи внешних электронов с атомом определяется помимо перечисленных и другими факторами. Большое значение имеет степень заполненности внешней оболочки. Максимальное число электронов на внешней оболочке — восемь. Пример с инерт­ными газами, имеющими полностью застроенные внешние оболочки и не образующими соединений с атомами других веществ, свидетель­ствует о том, что чем полнее застроена внешняя оболочка, тем проч­нее закреплены на ней электроны. Поэтому атомы с одним электро­ном на внешней оболочке легче всего его отдают.

Сила, с которой удерживается электрон у своего атома, определяется ионизационным потенциалом— напряжением, которое необходимо приложить, чтобы оторвать электрон и сделать атом положительно заряженным ионом. У атома может быть несколько ионизационных потенциа­лов в соответствии с тем, сколько у него электронов на внешней оболочке и какой по счету электрон отрывается.

Значения первых ионизационных потенциалов различных эле­ментов (отрыв первого электрона с внешней орбиты) — важный показатель способности атомов к установлению межатомных связей — приведены в табл. 1.1. Из таблицы видна периодичность изменения данной характеристики. Наиболее высокие потенциалы ионизации имеют элементы с полностью застроенной внешней обо­лочкой (инертные газы). По мере уменьшения степени заполнении внешнего уровня потенциал, как правило, падает. Наинизшие по­тенциалы имеют элементы с наименее заполненными оболочками. По мере увеличения атомного номера элемента сказывается экра­нирующее влияние внутренних электронных уровней.

Таблица 1.1

Вторые и последующие, потенциалы ионизации, как правило, сохраняют ту же периодичность в изме­нении.

Ионизационные потенциалы в определенной степени, по-види­мому, могут служить энергетическим показателем способности к соединению отдельных частей тех или иных металлов. При условии, что произошло сближение соединяемых частей на рассто­яния сил атомного взаимодействия и соединяемые поверхности чисты, для установления соответствующей атомной связи нужна какая-то энергия для активации атомов соединяемых частей. Чем ниже потенциал ионизации атома, тем легче его сделать активным для установления связи. С этой точки зрения среди используемых на практике металлов легче всего должен свариваться в твердом состоянии между собой алюминий (ионизационный потенциал 5,98 эВ), несколько труднее — титан (6,82 эВ), затем — ниобий (6,88 эВ), молибден (7,1 эВ), свинец (7,42 эВ), серебро (7,57 эВ), никель (7,63 эВ), магний (7,64 эВ), медь (7,72 эВ), железо (7,8 эВ), вольфрам (7,98 эВ). Конечно, не только потен­циал ионизации имеет значение для сварки давлением (в твердом состоянии). Важны и некоторые другие характеристики, в част­ности, возможность сближения при деформации.

Для прочности межатомной связи большое значение имеет ее тип, т. е. способ и принцип соединения атомов между собой.

Основой межатомной связи и, следовательно, образования не­разъемных соединений является взаимодействие электронов, а дви­жущей силой этого взаимодействия — стремление атомов к полу­чению завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов по уровням и подуровням. В результате различных взаимодействий между атомами может об­разовываться несколько типов наиболее устойчивых электронных структур. Ими оказываются структуры инертных газов и струк­туры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким обра­зом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображение склонности атомов различных эле­ментов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигура­ции по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1.1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфи­гурации, как правило, путем отдачи электронов.

Рис. 1.1. Схема перехода в наиболее устойчивые электронные конфигурации.

Возможность отдачи электронов одними атомами и присоедине­ние их другими создает положительно и отрицательно заряжен­ные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 1.2-а) и естественно воз­можна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возникает

Рис. 1.2. Различные виды связи между атомами:

а — ионная: 6 — ковалентная; 9 — полярная; г — металлическая

между различно заряженными атомами. Примером такого ион­ного соединения может быть поваренная соль. В ней атом натрия отдает электрон и становится положительным ионом, а атом хлора приобретает электрон и становится отрицательным ионом.

Другим видом связи атомов в твердых телах является ковалентная или гомеополярная, иногда ее называют атомной связью (рис. 1.2-б). Для этого типа связи характерно объединение электро­нов двух соседних атомов (по-видимому, объединяться должны электроны с антипараллельными — противоположными спинами). Такое объединение электронов создает для них общую орбиту с двумя ядрами внутри и может носить непрерывный характер за счет того, что разные электроны внешней оболочки спариваются с соответствующими электронами разных атомов. В результате образуется твердая частица размером, зависящим от количества данного вещества. Такую связь могут образовывать не только раз­личные по своей природе атомы, как это было в случае ионной свя­зи, но и атомы одного и того же элемента. Характерным примером вещества с такими связями может быть алмаз, в котором каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими. Этот тип связи весьма прочен. Вещества с такой связью имеют поэтому высокую температуру плавления и твердость.

Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) характерна для атомов с относительно легко деформируемыми электронными обо­лочками и для объединившихся в молекулы атомов, также способ­ных к деформации внешних объединенных оболочек.

Взаимовлияние магнитных полей большого числа атомов или молекул приводит к тому, что в некоторыхиз них возникает за­метно выраженная поляризация — облако отрицательно заря­женных электронов смещается в одну сторону, а положительно заряженные ядра — в другую. Образующиеся таким образом диполи способствуют поляризации соседних атомов или молекул, в результате чего вся дипольная система ориенти­руется таким образом, что друг с другом контактируют противо­положные заряды, между которыми действуют силы притяжения, определяющие связь (рис. 1.2-в). Эта связь менее прочна, чем рас­смотренные выше, и вещества с молекулярной связью имеют бо­лее низкие температуры плавления и сублимации.

Рис. 1.3. Схема сил притяже­ния и отталкивания (F) и энергии связи (E):

1 — отталкивание; 2 — при­тяжение; 3 — результирую­щее взаимодействие

Прочность молекулярной связи определяется действием двух сил. С одной стороны, между двумя частицами действуют силы притяжения, обусловленные поляризацией зарядов, с другой — при сильном приближении друг к другу частиц начинают действо­вать силы отталкивания, обусловленные взаимодействием внеш­них электронных слоев (рис. 1.3-а). С увеличением расстояния между частицами силы отталкивания уменьшаются гораздо резче, чем силы притяжения. Это обусловливает при определенном расстоя­нии установление равновесия. Расстояние d₀ между ча­стицами (центрами частиц), отвечающее такому равновесию сил, определяет устойчивое состояние, характерное для строения дан­ного вещества, при этом d₀ энергия связи E_св максимальна.

Металлы имеют особый тип связи между атомами, названный поэтому металлической связью. Особенность металлической связи обусловлена некоторыми характерными признаками строения внешних оболочек металлических атомов. Как правило, у атомов этих элементов на внешней оболочке имеется только один или два электрона. Это определяет то, что связь электронов с атомом ока­зывается не сильной и электроны сравнительно легко могут от­деляться от атома. Об этом свидетельствуют невысокие потенци­алы ионизации атомов металлов В связи с особенностями строения металлических атомов — слабой связью внешнего элек­трона, металлические свойства оказываются ярче всего выражен­ными у элементов, находящихся в левой (первые группы с малым числом валентных электронов) нижней (большее число экрани­рующих электронных оболочек) части периодической таблицы.

Слабая связь внешнего электрона приводит к тому, что в атом­ном агрегате эти электроны отрываются и беспорядочно блуждают между образовавшимися (оставшимися) положительными ионами (рис. 1.2- г). Конечно, отрыв электронов происходит не одновремен­но у всех атомов, некоторые из них, по-видимому, могут оставаться неионизированными. Со временем могут оторваться внешние электроны и от них. В то же время, к какому-нибудь из ионизированных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Такимобразом, в каждый данный момент атом­ный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, ка­кое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный элек­тронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложе­нии внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.

Связь между отдельными атомами в таком атомном металли­ческом агрегате обусловлена взаимодействием каркаса из положи­тельных ионов и отрицательно заряженным электронным газом. Определенное значение для связи имеют и те обмены, которые про­исходят между электронным газом и нейтральными атомами. Металлическая связь в целом достаточно прочна и эластична в связи с наличием первичного электронного газа как несущего элемента этой связи.

Природа металлической связи слишком сложна, чтобы можно было четко перечислить все факторы и характер их влияния на прочность связи между атомами в металлах и на значение их при сварке. Об относительной прочности этих связей у разных метал­лов можно судить по косвенным признакам — теплоте плавления и теплоте испарения, поскольку и в том и в другом случае тепловая энергия затрачивается на преодоление, разрушение атомных свя­зей. При плавлении, по-видимому, происходит первая стадия разру­шения кристаллического комплекса металлов. Однако отдельные агрегаты кристаллитов могут сохраняться у металлов и в распла­вленном состоянии. Полное разрушение кристаллов и нарушение связей происходит при испарении. Поэтому по скрытой теплоте испарения, а еще лучше по сумме теплоты испарения и теплоты пла­вления, можно приближенно судить о сравнительной прочности атомной связи у различных металлов и соответственно о прочности соединения, в том числе и сварного.

Табл. 1.2 позволяет считать, что при достаточном сближении и активации чистых металлических поверхностей прочность связи в образующемся сварном соединении должна возрастать от маг­ния к вольфраму.

Таблица 1.2

Если сопоставить данные табл. 1.2 с величинами потенциалов ионизации (табл.1.1.), то можно полагать, что на основании учета только этих двух факторов лучше всего в твердом состоянии должны свариваться титан и ниобий (при достаточной деформации и сбли­жении), так как у них при низких потенциалах ионизации и соот­ветственной низкой энергии активации атомов оказывается наибо­лее прочной связь в образующемся соединении. Хуже всего, по тем же признакам, должен свариваться магний (высокий потен­циал ионизации и невысокая прочность связи). Неплохо должен свариваться алюминий. Медь и железо по рассматриваемым принципам, должны свариваться приблизительно одинаково. Рассмо­тренные два фактора не являются единственными, имеющими зна­чение для сварки. В дальнейшем будут рассмотрены также и другие.

Для соединения двух металлов, помимо прочего, должно иметь значение соответствие их кристаллического строения и размеров атомов. Лучшие условия для совмещения атомов и установления общности кристаллического строения соединяемых металлов, т. е. для их сварки, будут в том случае, если у них будут одинако­выми кристаллические решетки, близкими параметры однотипных решеток и размеры атомов.

Таблица 1.3

Высказанное соображение позволяет из приведенных в табл. 1.3 металлов выделить три группы с одинаковыми по типу кристалли­ческими решетками (табл. 4). Из табл. 4 видно, что очень близки друг к другу по типу решетки, ее параметру и межатомному рас­стоянию никель, медь и серебро, а при температуре выше поли­морфного превращения и железо. Никель, медь и серебро должны поэтому хорошо соединяться между собой методами сварки давле­нием в твердом состоянии. При температуре выше α-γ превращения к указанным элементам добавляется и железо. При том же типе кубической гранецентрированной решетки алюминий не­сколько отличается от перечисленных элементов параметром и диаметром атома. Это отличие составляет —12%, и, по-видимому, алюминий соединить с никелем, медью и серебром труднее. Еще труднее по этому признаку должен привариваться к перечисленным элементам свинец.

Таблица 1.4

Из объемно-центрированных металлов неплохо должны соеди­няться между собой титан и ниобий, выше температуры 900° С также и вольфрам. Соединение с железом должно происходить труднее из-за большей разницы в характеристиках кристалличе­ской решетки.

Однако еще раз необходимо подчеркнуть, что имеются и дру­гие факторы, определяющие свариваемость различных металлов.

Рассмотренное выше идеальное строение кристаллической ре­шетки металлов в реальных кристаллах практически не имеет места. Только при идеальных условиях кристаллизации и роста в так называемых нитевидных кристаллах толщиной всего в не­сколько микрометров удается получить кристаллическое строение, близкое к тому, о котором шла речь.

В реальных кристаллах четкая закономерность построения кристаллической решетки нарушается наличием несовершенств. Роль несовершенств кристаллического строения огромна. Они определяют основные механические свойства металлов, их способ­ность сопротивляться воздействию внешних сил, способность к де­формации при нагружении, склонность к хрупкости, а также пове­дение при сварке, особенно давлением в твердом состоянии и при сварке плавлением. Имеются три основных вида несовершенств: точечные, линейные и плоские.

Представление о дислокациях и впоследствии их эксперимен­тальное обнаружение и изучение сыграло огромную роль в разви­тии науки о металлах. Прежде всего, только благодаря дислока­циям удалось объяснить разницу между теоретическими и реаль­ными механическими свойствами металлов. Теоретический подсчет сопротивления сдвигу исходит из жесткого (синхронного) сдвига одновременно всего атомного ряда по отношению к другому — соседнему атомному ряду. Есте­ственно, что в этом случае необходимо преодолеть очень большую суммарную силу межатомного взаимодействия. При сдвиге за счет перемещения дислокаций происходит не одновременное пере­мещение всего атомного ряда, а смещение отдельных атомов, и уси­лие, необходимое для этого, оказывается во много раз меньше. Такое движение дислокации под влиянием внешних сил связано с тем, что она является энергетически неуравновешенным атомным комплексом, в котором в связи с отсутствием уравновешенных атомных связей будет повышенная свободная энергия, характери­зуемая вектором Бюргерса. Под влиянием внешнего силового (энер­гетического) воздействия этот энергетически неуравновешенный участок начинает стремиться (двигаться) к положению с наимень­шей свободой энергией (стабильному состоянию), которым явля­ется завершающая стадия движения дислокации — выход ее на поверхность или сдвиг (рис. 1.4).

В этой связи важно отметить три обстоятельства: 1) энергети­чески неустойчивое состояние в отдельных участках атомной ре­шетки кристаллического вещества — дислокация может возник­нуть под влиянием внешних сил, вызывающих остаточную (пла­стическую) деформацию металла — сдвиг; 2) при пластической деформации возрастает количество дислокаций — плотность дислокаций,

Рис. 1.4. Образование и перемещение краевых дислокаций под действием внешней силы:

а — образование дислокации 1; б и в — перемещение дислокации 1и образование дислокации 2: е — выход дислокации 1на поверхность (сдвиг), перемещение дислокации 2 и появление новой дислокации 3 под влиянием продолжающей действовать силы

общая их протяженность в 1 см³ металла (размерность см/см³ или см^-2); 3) в процессе возникновения и движения дислока­ций, в процессе пластической деформации они перемещаются к по­верхности, в результате чего на поверхности увеличивается плот­ность участков с повышенной актив­ностью.сво­бодной энергией, повышенной активностью.

Большое значение имеют дисло­кации для строения и свойств свар­ных соединений. При сварке плавлением условия кристаллизации сварочной ванны в связи с термиче­ским циклом сварки во многом от­личны от условий кристаллизации слитков и отливок. Это оказывает характерное влияние на кристалли­ческое строение сварного шва и несовершенства кристаллического строения, плотность которых в швах часто превышает плотность их в круп­ных литых изделиях. Большое зна­чение при этом имеют процессы полигонизации, происходящие часто в металле шва после завершения его кристаллизации.

На дислокационное строение в участках зоны теплового влияния оказывают воздействие процессы, связанные с термодеформационным циклом сварки.

Рис. 1.5. Схема образования соединения при сварке давлением в твердом состоянии: векторы — направле­ние связей атомов;

а — связи поверхностных атомов соединяемых металлов (различных) до сближения; 6 — то же, после сближения на расстояние, близкое к параметру кристаллической ре­шетки одного из металлов, до акти­вации отдельных атомов; в — то- же после активации отдельных атомов; г — то же, после завершении сварки

Особенно большое значение дефекты кристаллического строения .имеют при сварке металлов давле­нием в твердом состоянии. Согласно последним представле­ниям, сварка давлением в твердом состоянии предусматривает два необходимых условия. Первое — это сближение сварива­емых соединяемых поверхностей на оптимальное расстояние, при котором могут реализоваться силы атомного взаимодействия. Однако такого сближения еще недостаточно, чтобы произошло соединение сближенных поверхностей в неразъемное соедине­ние. Поскольку поверхностные атомы на сближенных независи­мых поверхностях не активны, их силовые поля уравновешены полями соседних и внутренних атомов в каждой из свари­ваемых частей (рис. 1.5-а, б). Правда, поскольку поверхностные атомы находятся в условиях, отличных от внутренних атомов в связи с тем, что их внутренние связи оказываются пересыщенными, они имеют бесспорную тенденцию к переходу в равновесное со­стояние за счет установления нормальных связей с атомами при­ближенной поверхности с переходом в этом случае в состояние нормального внутреннего атома.

Однако для установления таких связей с атомами приближен­ной поверхности следует разорвать пересыщенные связи поверх­ностных атомов. Для этого необходимо второе условие — затрата определенной энергии для их активации. Такая активация уча­стков на соединяемых поверхностях достигается при пластиче­ской деформации их в процессе сдавливания за счет выхода на по­верхность дислокаций с повышенной свободной энергией. При этом условии может совершиться электронный обмен между ато­мами соединяемых поверхностей и установление прочной ковалентной или металлической связи с образованием за счет этого неразъем­ного сварного соединения (рис. 1.5-в, г).

Без активации поверхностных атомов и электронного обмена связь между поверхностями может быть в лучшем случае только гомеополярной (Ван-дер-Ваальса), непрочной, и такое соединение не будет надежным сварным.

Можно предполагать, что активация атомов на поверхности и электронный обмен между атомами соединяемых поверхностей могут быть достигнуты и другими средствами, например нагре­вом, а может быть даже за счет создания между ними определенной разности потенциалов. Однако и то и другое не исключают надле­жащего влияния выхода на поверхность дефектных участков кри­сталлической решетки с повышенной свободной энергией.

2.Анализ свариваемости металлов на основе диаграмм состояния сплавов

Как правило, элементы, образующие металлический сплав, в жидком состоянии полностью взаиморастворимы, т. е. образуют однородный материал с равномерно распределенными в объеме атомами элементов. Однако имеется ряд металлов, не смешиваю­щихся друг с другом даже в жидком состоянии . Та­кие элементы, естественно, не могут образовывать сплавов, сва­риваемых методами сварки плавлением, а их сварка давлением в твердом состоянии — сложная задача. При переходе жидкого однородного сплава в твердое состояние в нем могут происходить различные изменения, связанные с полиморфными превращениями основы сплава, с взаимодействием элементов, составляющих сплав.

Это взаимодействие можно объяснить тем, что элементы до­бавки и в твердом состоянии полностью или частично растворяются в металле—основе, предел насыщения раствора может быть огра­ниченным и изменяться с изменением температуры. В ряде слу­чаев составляющие сплава образуют механические смеси либо самих компонентов сплава, либо ограниченных по концентрации твердых растворов. Составляющие сплава могут образовывать химические соединения, которые, в свою очередь, могут оставаться свободными, а могут взаимодействовать с основой, в частности растворяться в ней. Могут быть и другие формы взаимодействия составляющих сплава в твердом состоянии. Важно то, что каждая из них по-своему влияет на свойства сплава и особенно на его поведение при соединении сваркой, а после образования сварного соединения — на его свойства.

Сплав двух или нескольких элементов после перехода из жидкого состояния в твердое может быть в виде твердых раство­ров, в виде механической смеси фаз и в виде химических соеди­нений. Кроме того, могут существовать и промежуточные состоя­ния, а также сочетания указанных состояний. Характер взаимо­действия элементов, образующих сплав (см. табл. 2.1), имеет большое значение для сварки. Лучше всего должны свариваться элементы, дающие непрерывный ряд твердых растворов, хуже —дающие ограниченные твердые растворы, еще хуже — дающие химические соединения и невзаимодействующие.

Таблица 2.1

То или иное состояние затвердевающего сплава зависит от взаимодействия между атомами составляющих его компонентов. Стремление к энергетически более устойчивому состоянию си­стемы обусловливает форму взаимодействия. Твердый раствор имеет определенные отличия от металла растворителя и раство­ренного элемента.

Пример неограниченной взаимной растворимости в жидком и твердом состояниях двух металлов А и Б представлен на рис. 2. 1. Выше линии плавления (ликвидуса) существует однородная жид­кость (одна фаза), между линиями ликвидуса и солидуса — жидкость и кристаллы твердого раствора (две фазы), ниже ли­нии солидуса остается твердый раствор (одна фаза) (рис. 2.1- I). Кристаллизация чистого металла происходит при постоянной температуре, а кристаллизация сплава — в интервале темпера­тур между ликвидусом и солидусом (рис. 2.1-II ). Между ли­ниями ликвидуса и солидуса наряду с жидким расплавом сущест­вуют кристаллы твердого сплава. На диаграмме состояния линии, ограничивающие области существования различных фазовых систем, характеризуют условия (температуру, концентрацию) равновесия между фазами.

Рис. 2. 1. Диаграмма состояния сплавов металла А с металлом Б при их неогра­ниченной растворимости в жидком и твердом состояниях

В точке А на рис. 2. 1 чистый металл кристаллизуется при постоянной температуре. Для сплава, состоящего из 80% А и 20 % Б, точка а — начало кристаллизации, точка б — конец. На рис. 2. 1- III показано, что в рассматриваемом твердом рас­творе переход от раствора Б в А к раствору А в Б происходит при постепенной замене в решетке А атомов А атомами Б без опреде­ленного порядка мест замещения.

Такого рода взаимодействие возможно для металлов с анало­гичными типами кристаллических решеток и атомами близких размеров (см. табл. 2.1). Металлы, дающие сплавы такого типа c неограниченной растворимостью, должны хорошо соединяться различными видами сварки. При сварке плавлением, будь то сварка без присадочного материала (рис. 2. 1- IV) или дуговая сварка плавящимся электродом (рис. 2. 1- VI), зоны плавления и смешивания свариваемых металлов А и Б в жидком состоянии представляют собой достаточно однородный раствор, может быть, с несколько большей концентрацией оплавляемого металла у кром­ки. После кристаллизации сварной шов представляет собой не­прерывный ряд твердых растворов переменного состава. Раз­личие в составе первых выпадающих кристаллов и последних кри­сталлизующихся порций металла, т. е. микрохимическая неодно­родность, увеличивается с уменьшением разницы между темпера­турами плавления свариваемых металлов и увеличением темпера­турного интервала кристаллизации (расстояния между линиями ликвидуса и солидуса). Иным будет строение шва при сварке давлением (рис. 2. 1- V).

При кристаллизации сплава состава Х- Х (см. рис. 2. 1) состав первых кристаллов, выпадающих из расплава при охлаж­дении его до температурыt_a, соответствует проекции точки в на горизонтальную ось. Состав кристаллов, образующихся в конце кристаллизации при температуре t_bиз последних порций жидкого расплава, соответствует проекции точки г на эту ось. Таким об­разом, химическая неоднородность сплава определяется отрезком между проекциями точек в и б на горизонтальную ось. На рис. 2. 2 видно, что чем больше разница между температурами плавления компонентов (t_г- t_в>t_г - t_б>t_г - t_а) тем меньше различие составов первых и последних порций кристал­лизующегося сплава (рис. 2.2- I отрезки 3, 2, 1), Точно так же неоднородность по составу уменьшается с сужением интервала кристаллизации сплавов (рис. 2. 2-II отрезки 4, 5).

В сварных швах влияние рассмотренных факторов на химиче­скую неоднородность тем больше, чем больше размер сварочной ванны и чем меньше скорость кристаллизации. При сварке дав­лением в твердом состоянии (см. рис. 2. 1- V) металлы, имеющие неограниченную взаимную растворимость, при наличии даже са­мых небольших элементов взаимодиффузии должны обеспечивать получение однородных твердых растворов в участках, примыкаю­щих к сварному стыку. В таких соединениях металл должен быть однофазным, что обеспечивает высокие свойства, хотя в соответ­ствии с правилом Н. С. Курнакова при непрерывном ряде твердых

Рис. 2. 2. Влияние разницы температур плавления свариваемых металлов (I) и температурного интервала кристаллизации их сплавов (II) при непрерывном ряде твердых растворов на химическую неоднородность сварных швов

растворов свойства сплавов должны отличаться от свойств обра­зующих их металлов (рис. 2.3). Для непрерывного ряда твердых растворов изменение свойств должно происходить плавно (рис. 2. 3-I) по выпуклой или вогнутой кривой, без скачков. При образовании эвтектик — плавно по прямой (рис. 2. 3-II ), Это важно для сварных соединений, так как постепенное, нескачко­образное изменение свойств благоприятнее влияет на работоспо­собность сварного соединения, чем скачкообразное, имеющее место в случае образования в сплавах химического соединения (рис. 2. 3-III).

Рис. 2. 3. Характер возможного изменения свойств сплавов элементов с разными типами диаграмм состояния

Неблагоприятно для сварных соединений металлов с рассма­триваемым типом диаграммы состояния отсутствие аллотропиче­ских превращений в твердом состоянии. Отсутствие вторичной перекристаллизации в твердом состоянии приводит к сохранению круп­ных кристаллитов, образующихся при первичной кристаллиза­ции; в то время как перекристаллизация в связи с полиморфным превращением в твердом состоянии могла бы привести к измель­чению зерна и улучшению свойств.

Большое практическое значение имеют сплавы элементов, образующих равновесные механические смеси — эвтектики (см. табл. 2. 1) при кристаллизации из жидкого состояния, и эвтектоиды — при вторичной кристаллизации. При образовании таких смесей для формирования сварных соединений важно, образуют ли элементы (компоненты) смеси без ограниченных твердых раство­ров (рис. 2. 4) или же имеют ограниченную взаимную раствори­мость в твердом состоянии (рис. 2. 5). При отсутствии у компо­нентов ограниченной растворимости сварное соединение, полу­ченное сваркой плавлением (см. рис. 2. 4, III—V), имеет вполне равномерную микроструктуру с постепенным переходом от одного фазового состояния (кристаллы металла А) к другому (кристаллы металла Б).

Рис. 2. 4. Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающих в твердом состоянии эвтектические смеси:

I— диаграмма состояния; II — кривые охлаждения; III — кристаллическое строение сварного соединения при сварке плавлением без присадочного материала; IV — то же, с присадкой металла А; V — то же, с присадкой металла Б; VI - сварное соединение, полученное сваркой давлением

В жидкой сварочной ванне находится равномерный твердый раствор компонентов А и Б, однако непрерывное контактирова­ние жидкого раствора на одной кромке с компонентом А делает расплав вблизи этой кромки обогащенным компонентом А, а у дру­гой кромки — компонентом Б. Поэтому кристаллизация металла у кромок соответствует сечениям X—X у кромки А и 2—2 у кромки Б (см, рис. 2. 4-I). При охлаждении сплава Z до тем­пературы ликвидуса (рис. 2. 4 -I точка а) начнется выпадение кристаллов Б, которое будет продолжаться до температуры солидуса, которой будет температура эвтектического превращения (точка г). При этой температуре остаток жидкого расплава превра­тится в равномерную механическую смесь кристаллов Б и А (эвтектику), имеющую состав, соответствующий проекции точки О на горизонтальную ось. Аналогично пройдет кристаллизация сплавов у кромки металла А с той лишь разницей, что первыми начнут выпадать кристаллы металла А.

Таким образом, при сварке плавлением микроструктура и фазовое состояние металла будут постепенно переходить от кри­сталлов одного металла с малым количеством эвтектики к кристал­лам другого металла также с малым количеством эвтектики (см. рис. 2. 4-V), Между этими зонами количество эвтектики бу­дет постепенно увеличиваться, и где-то на промежуточных уча­стках должна находиться чисто эвтектическая зона. Поскольку в участках сварного шва, примыкающих к кромкам каждого из свариваемых металлов, кристаллизуется металл с подавляющим количеством кристаллов данного свариваемого металла, обеспе­чиваются хорошие условия для сплавления основного металла и металла шва, а постепенное изменение структуры и фазового со­стояния в пределах металла шва обеспечивает плавный переход свойств одного металла к свойствам другого (рис. 2. 3-II).

При данном типе диаграммы состояния свариваемых металлов хорошее сплавление металла шва с основными свариваемыми ме­таллами обусловливается тем, что на кромках каждого металла из расплава надстраиваются зерна того же металла, т. е. имеет место полное соответствие атомно-кристаллического строения, а в связи с этим и создание надлежащей связи. Для работоспособ­ности сварного соединения имеет положительное значение и плав­ное изменение свойств в пределах сварного соединения. Образо­вание химической неоднородности в таком сварном соединении неизбежно в связи с разной химической природой металлов А и Б. Градиент химической неоднородности (различие в составе соседних участков) тем больше, чем больше величина концентра­ционного интервала между эвтектической точкой О и чистыми ме­таллами (см. рис. 3. 4, отрезки Од и Ог).

При сварке давлением в твердом состоянии образование со­единения связано с определенными ограничениями. Отсутствие жидкого раствора и кристаллизации с выделением на кромках однотипных кристаллов, а также отсутствие взаимной, хотя бы ограниченной растворимости свариваемых металлов в твердом состоянии исключают протекание диффузионных процессов на границе раздела. Возможность получения сварного соединения в этом случае целиком зависит от получения надлежащего кон­такта чистых свариваемых поверхностей, создания максимального количества активных центров и соответствия атомно-кристалли­ческого строения.

Для металлов, образующих эвтектические смеси, но имеющих взаимную ограниченную растворимость, механизм образования сварного соединения заметно изменяется (см. рис.2. 5). При сварке плавлением в сварочной ванне на кромках свариваемых металлов из жидкого расплава кристаллизуются не чистые металлы, а твердые растворы на основе соответствую­щих металлов. На кромке свариваемого металла А будут кристал­лизоваться кристаллы твердого α - раствора (Б в А), а на кромках металла Б- кристаллы β - раствора (А в Б).

Рис. 2. 5. Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающих в твердом со­стоянии эвтектические смеси и ограниченные твердые растворы: I — диаграмма состояния; II — элементарные ячейки α - и β - растворов; III — кристаллическое строение сварного соединения при сварке плавлением без присадки; IV — свар­ное соединение, полученное сваркой давлением; V — то же, c присадкой металла А

Растворимость металла В в А ограничена и изменяется с из­менением температуры по линии а—в. Для эвтектической темпера­туры растворимость максимальна и определяется проекцией точки а на горизонтальную ось, а для нормальной температуры опреде­ляется концентрацией, соответствующей точке в. Растворимость А в Б также ограничена (линия б—г), но от температуры в рассма­триваемом случае не зависит. Предельная концентрация твердого раствора А в Б определяется точкой г.

Эвтектическая смесь в такой системе состоит не из чистых ме­таллов А и Б, а из граничных фаз α- и β-растворов. Для раство­ров типа α, где предельная растворимость элемента Б в элементе А изменяется с температурой, характерно появление в кристаллах α-частиц β-фазы, которая выделяется при охлаждении в интервале температур от максимальной растворимости Б в А до минимальной (интервал между проекциями точек а и в на вертикальную ось). Эти избыточные кристаллы β-фазы образуются не из жидкого расплава, а выделяются в твердом состоянии в результате умень­шения растворимости при понижении температуры и в отличие от (β-кристаллов, выделяющихся из жидкого расплава, называют вторичными β-кристаллами (βвт).

Эти кристаллы имеют и ту особенность, что, образуясь при более низкой температуре, чем первичные β-кристаллы, они го­раздо мельче. Поскольку укрупнение их может происходить только при длительном пребывании при повышенной температуре, когда они могут расти за счет диффузионного поступления к ним ато­мов образующих компонентов, их размер тем меньше, чем меньше время пребывания при повышенной температуре, т. е., чем больше скорость охлаждения. Правда, при очень большой скорости ох­лаждения можно переохладить до нормальной температуры тве­рдый α-раствор с максимальной концентрацией растворимых ато­мов Б. Но такой перенасыщенный твердый раствор неустойчив и может разлагаться со временем с выделением очень мелких дис­персных частиц βвт-фазы. При таком старении сплава выделяю­щиеся дисперсные частички вторичной фазы препятствуют дви­жению дислокации, что может способствовать его упрочнению, а также повышению хрупкости.

Таким образом, при сварке плавлением на кромках сваривае­мых металлов А и Б кристаллизуются твердые α - и β - растворы. Атомное и кристаллическое соответствие твердых растворов сва­риваемым металлам создает хорошие условия для связи металла шва со свариваемым металлом.

По мере удаления от кромок появляется и увеличивается коли­чество эвтектики (α + β) вплоть до чисто эвтектической зоны где-то в промежуточной области. Однако на стороне α - кристаллов мо­гут встречаться отдельные зерна α - раствора c выделениями вто­ричной βвт - фазы.

Такие кристаллы в определенных условиях обладают повышен­ными хрупкостью и твердостью. Эти условия — быстрое охлаж­дение и старение или быстрое охлаждение и небольшой нагрев, облегчающий выделение вторичной фазы.

Для металлов с рассматриваемым типом диаграммы состояния характерно также появление диффузионных зон на границе со­единения. Образование диффузионных зон связано с тем, что в металл А в соответствии с наличием определенной растворимости проникает (диффундирует) некоторое количество атомов Б: либо из α - раствора при сварке плавлением, либо непосредственно из металла Б при сварке давлением в твердом состоянии. Точно так же в металл Б будет диффундировать некоторое количество атомов А (см. рис. 2. 5- V). Одновременно может происходить и перемещение других атомов в обратном направлении — ато­мов А в α -раствор или атомов Б — в β - раствор при сварке плав­лением и А в Б и Б в А при сварке давлением.

Наличие таких зон взаимодиффузии улучшает связь в сварном соединении, так как при этом происходит более плавное изменение свойств.

Возможность даже ограниченной взаимодиффузии особенно важна при сварке давлением в твердом состоянии, когда она может стать дополнительным фактором улучшения свойств сварных соединений. Неблагоприятен в сварных соединениях рассмотрен­ного типа эффект старения в отдельных участках как сварного шва, так и примыкающей к шву зоне, где могли образоваться кри­сталлы перенасыщенного твердого раствора.

Элементы А и Б, которые при кристаллизации образуют хи­мическое соединение АmБn, условно обозначенное как новое ве­щество С, дают диаграммы состояния типа представленных на рис. 2. 6—2. 8. Различие между указанными системами заклю­чается в том, что в случае, представленном на рис. 2. 6, новое химическое вещество С образует с металлами А и Б эвтектические смеси без какого-либо растворения одного из веществ в другом. На рис. 2. 7 представлен случай, когда новое вещество образует ограниченные твердые растворы с исходными компонентами: твердый α - раствор С в A и твердый β-раствор С в Б. Могут суще­ствовать случаи, когда образуются ограниченные твердые рас­творы A в С и Б в С (штриховые линии на рис. 2. 7) и когда хи­мическое соединение С неустойчиво и при нагреве выше темпера­туры t_x распадается (рис. 2. 8). Однако ниже этой температуры вещество вполне устойчиво.

Рис. 2. 6. Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающих в твердом состоянии химическое соединение АmБn—С и эвтектические смеси без ограни­ченных твердых растворов:

I — диаграмма состояния; II — кристаллическое строение сварного соединения при сварке плавлением без присадки; III — то же, с присадкой металла A; IV – сварное соединение, полученное сваркой давлением

Химическое соединение, всегда состоящее из m атомов метал­ла A и n атомов металла Б, с вполне определенными местами этих атомов в кристаллической решетке, имеет свой тип кристаллической

решетки в отличие от упорядоченного твердого раствора с типом решетки элемента А или Б. Поэтому свойства нового ве­щества радикально отличаются от свойств металлов А и Б (см. рис. 2. 3-III). Очень часто химические соединения двух мягких, пластичных и вязких металлов оказываются твердыми и хруп­кими (например, соединения железа с алюминием), В связи с этим особенно важно учитывать возможность образования химических соединений в сварных соединениях.

Рис. 2. 7. Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающих в твердом состоянии химическое соединение Аm Бn—С, эвтектические смеси и ограниченные твердые растворы

Рис. 2. 8. Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающих в твердом состоянии химическое соединение Аm Бn—С, неустойчивое при высокой температуре

Среди систем, дающих химические соединения, для сварки наиболее благоприятны подобные изображенной на рис. 2. 7 с ограниченными твердыми растворами, как обеспечивающие по­лучение на границе соединения переходных зон твердых раство­ров.

Для всех типов диаграмм состояния с образованием химиче­ского соединения характер строения металла шва очень схожий, с той лишь разницей, что у кромок в случае отсутствия взаимной растворимости будут находиться кристаллы металлов А и Б (см. рис. 2. 4), а в случае ограниченных растворов — соответст­венно α-кристаллы (раствор С в A) и β-кристаллы (раствор С в Б). Вдали от кромок (вблизи химического соединения) могут также появиться кристаллы растворов А в С и Б в С (пунктирные линии на рис. 2. 7).

Основное влияние на свойства сварного шва, особенно при сварке давлением (см. рис. 2. 6-V), оказывает зона кристаллов химического соединения, подчас со свойствами, резко отличаю­щимися от свойств близлежащих кристаллов, представляющих твердые растворы или эвтектические смеси. Такая неоднородность свойств может отрицательно сказаться на работоспособности тем более, что граница между зоной химического соединения и сва­риваемыми металлами при отсутствии признаков ограниченной растворимости должна быть резкой. Если же при образовании химического соединения имеется какая-либо ограниченная раствоpимость, то на границе шва появляется соответствующая зона взаимодиффузии, приводящая к образованию ограниченных тве­рдых растворов между швом и кромками основного металла. Это обстоятельство особенно важно при сварке давлением, так как при этом улучшается переход от зоны химического соедине­ния к свариваемым металлам.

Строение металла шва может существенно измениться, если образующиеся в сварочной ванне сплавы металлов А и Б претер­певают полиморфные превращения. Существуют различные виды диаграмм с полиморфными превращениями сплавов в твердом со­стоянии. В принципе, это сочетание некоторых ранее приведен­ных диаграмм перехода из жидкого состояния в твердое с последую­щей перекристаллизацией в твердом состоянии по диаграммам различного типа.

На рис. 2. 9-I показана дальнейшая перекристаллизация в твердом состоянии в результате полиморфного превращения β→α только одного компонента А. Это обусловило получение в определенном интервале концентраций и температур двухфаз­ной твердой области β+α и области α ограниченных твердых растворов Б в А.

На рис. 2. 9-II компоненты при переходе из жидкого состоя­ния в твердое дают неограниченные твердые γ -растворы, а при дальнейшем охлаждении компонент А претерпевает полиморфное превращение γ →α, а компонент Б — превращение γ → β.

Но­вые аллотропические формы элементов дают эвтектоидЭ^т-механическую смесь, образующуюся при вторичной кристалли­зации, и ограниченные твердые α -растворы (Б в А) и (β -растворы (А в Б). При сварке плавлением у кромок как со стороны шва, так и со стороны металлов А и Б будут располагаться соответ­ственно кристаллы твердых α - и β -растворов, при удалении от кромки А зона α -кристаллов с третичными выделениями β -фазы, а со стороны кромки металла Б — β -кристаллы с третичными вы-

делениями α -фазы. Между этими зонами будет находиться зона кристаллов эвтектоида (рис. 3. 9-III).

Рис. 2. 9 Диаграммы состояния сплавов с полиморфным превращением в твер­дом состоянии

Отличительная особенность сварного соединения металлов с полиморфным превращением в твердом состоянии – получение вторичных мелких зерен в пределах крупных первичных кри­сталлитов, образовавшихся при переходе из жидкого состояния в твердое. Свойства (прочность и вязкость) благодаря этому улучшаются, происходит плавное изменение свойств металла шва (см. рис. 2. 3- I, II) в соответствии с характером образо­вавшихся фаз.

На практике часто приходится иметь дело со сваркой не только чистых металлов, но и сплавов. Рассмотрение диаграмм состоя­ния при сплавлении трех и более компонентов более сложное в связи с необходимостью использования многомерного принципа их построения. Однако в сварных соединениях сплавов также мо­гут существовать твердые растворы нескольких компонентов, эвтектические или эвтектоидные смеси и химические соединения. Характер кристаллизации и изменения свойств при сварке спла­вов близок характеру кристаллизации и изменения свойств чистых металлов.