Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

З урахуванням взаємодії нерівноважної концентрації дефектів, коефіцієнт дифузії при пластичній деформації визначається рівнянням

де N – число атомів у 1 см3; α′ – коефіцієнт, що характеризує ефективність аннігіляції вакансій при взаємодії з дислокаційним порогом; b – вектор Бюргерса; ε& – швидкість деформації; ρ – щільність дислокацій.

Думки різних дослідників про закономірності зміни коефіцієнтів дифузії при різних способах деформації не завжди збігаються. Але більшість дослідників відзначає значне прискорення дифузії при великих швидкостях і низьких температурах деформування.

Різні способи обробки металів призводять до виникнення і взаємодії різного типу дефектів та їх різної концентрації. Дефекти можуть мати різну швидкість пересування залежно від конкретних умов деформування, нагрівання і структури самого металу. Самі ж дефекти теж можуть істотно відрізнятися – будуть утворювати або стабільні дислокаційні сітки, або високорухливі границі з великими кутами розорієнтування тощо. Відповідно до цихумовбуде змінюватися і коефіцієнт дифузії.

Для багатьох пар металів з г.ц.к. граткою (Cu–Ni, Ni–Co, Ni–Fe, Al–Cu тощо), а також деяких пор з о.ц.к. граткою (Ti–Cr) спостерігаються нескомпенсовані дифузійні потоки, тобто швидкість переміщення компонентів у протилежних напрямках різна. Це явище називається ефектом Кіркендала. На тій стороні, де знаходиться компонент із великою дифузійною рухомістю, на дислокаціях утворюються надлишки вакансій, оскільки вони рухаються назустріч потоку речовини. У результаті коагуляції вакансій на стороні з високою рухомістю компонента утворюються пори (ефект Френкеля). Ефект Кіркендала є безпосереднім підтвердженням вакансійного механізму дифузії. При з'єднанні металів із можливим проявом ефекту Кіркендала, дифузійні процеси повинні обмежуватися.

91

Для зварювання тиском важливе значення мають дифузійні процеси в поверхневому шарі. Під впливом різних видів механічної обробки (шліфування, фрезерування тощо) поверхневий шар металу сильно деформується і має дисперсну структуру з високими концентрацією поверхневих дефектів і щільністю дислокацій, внаслідок чого дифузійні процеси різко прискорюються. У деформованому механічною обробкою поверхневому шарі нікелю і сплаву Х20Н80Т3 коефіцієнт самодифузії нікелю при 700 °С у сотні разів більший, ніж в електрополірованому (рис.1.31) [9]. Вплив температури на прискорення дифузії в деформованому шарі показано на рис.1.32 [9], на якому зображено залежність Dшл/Dпол від Тдиф/Тпл (Dшл і Dпол – відповідно коефіцієнти самодифузії після шліфування і електрополірування; Тдиф і Тпл – відповідно температури дифузії і плавлення металів).

Рис.1.31. Зміна коефіцієнта самоРис.1.32. Вплив температури на прискодифузії нікелю по глибині шлірення дифузії в деформованому шарі залі-

фованого зразка зі сплаву за і нікелю Х20Н80Т3

92

Характер кривих на рис.1.32 свідчить про те, що підвищена швидкість дифузії в деформованому шарі спостерігається при температурах, при яких ще зберігається висока щільність дислокацій. Нікель зберігає ефект прискорення дифузії до високих температур (значно вище температури рекристалізації) внаслідок того, що метали з г.ц.к. граткою повільно зменшують щільність дислокацій при нагріванні. У заліза з о.ц.к. граткою і низькою стабільністю деформованої структури після початку рекристалізації шліфування практично не впливає на дифузію [9].

Наведені приклади свідчать про широкі можливості управління дифузійними процесами при зварюванні. Наприклад, явище аномального масопереносу успішно використовується при дифузійному ударному зварюванні, коли рухомість атомів у твердому тілі перевищує їх рухливість у розплаві [13,19,83].

Управління дифузійними процесами базується на їх розрахунках. Дифузійні процеси описуються першим і другим рівняннями дифузії (рівняння Адольфа Фіка), аналогічними рівнянням теплопровідності Фур'є.

Якщо припустити, що дифузія відбувається тільки в напрямку осі х, то при коефіцієнті дифузії D кількість продифундованої речовини dq через поверхню S за час dt, за аналогією з теплопровідністю, дорівнює

Коефіцієнт дифузії D – це величина, яка чисельно дорівнює масі речовини (концентрації, помноженій на об'єм), що дифундує в одиницю часу (1 с) через одиничну площу (1 см2), при градієнті концентрації, рівному одиниці (1 моль/см). Розмірність коефіцієнта дифузії – см2/с (у системі СІ – м2/с).

Увівши щільність потоку, тобто розглядаючи дифузійний потік

93

через одиничну площину за одиницю часу j = Sdtdq

рівняння Фіка для одномірної дифузії в напрямку осі х:

Знак "мінус" показує, що потік спрямований з області з більшою концентрацією в область із меншою концентрацією.

Друге рівняння Фіка описує зміну концентрації речовини в просторі і в часі та для одномірної задачі має вигляд

де – оператор Лапласа.

Рішення рівнянь (1.45), (1.46) для конкретних початкових і граничних умов дозволяє визначити розподіл дифундуючого елемента. Більш просто розв'язуються одномірні задачі.

Для технологічних процесів важливе значення мають рішення для дифузії з надзвичайно тонкого шару (обмеженою кількістю дифундуючої речовини) і для пари напівнескінченних тіл (стержнів).

Рішення для нескінченно тонкого шару. Нехай деяку кількість

Q речовини А нанесено у вигляді тонкої плівки товщиною h на торець довгого прутка В, який не містить цієї речовини. Аналогічний пруток В приварено до покритого плівкою торця. Схему такого з'єднання показано на рис.1.33,а.

94

При часі t = 0 концентрація дифундуючої речовини А с = с(х), а при t > 0 с = с(x, t). Якщо помістити початок координат посередині

Кількість речовини А в плівці, якщо в її межах концентрація постійна і дорівнює с0, складає Q = c0h.

Рис.1.33. Схема дифузії з нескінченно тонкого шару (а) і зміна концентрації дифундуючої речовини в різні моменти часу: t3 > t2 > t1 (б)

і графічно для різних моментів часу показано на рис.1.33,б.

Рішення (1.47) дозволяє визначити коефіцієнт дифузії речовини, якщо провести експеримент по дифузії з тонкого шару і побудувати графік ln c − x2 . З рівняння (1.47) видно, що це буде пряма лінія, тангенс кута нахилу якої до осі х дорівнює (4Dt)–1. Тому, якщо t відома, величину D можна обчислити. Крім того, воно дозволяє розраховува-

95

ти як розподіл елементів, що дифундують, так і час розсмоктування тонкого прошарку до заданої концентрації дифундуючої речовини. В останньому випадку рівняння (1.47) записують для х = 0, оскільки максимальна концентрація завжди буде при х = 0:

Рішення для пари напівнескінчених твердих тіл. Припустимо,

що стержень чистого металу А приварюється до стержня металу В (рис.1.34,а). Помістимо початок координат (х = 0) в площині дотику торців стержнів А і В.

Рис.1.34. Схема дифузії в напівнескінченне тіло (а) і розподіл концентрації дифун-

адуючої речовини (б) як сума експонент, кожна з яких відповідає дифузії розчиненої речовини зі смужки товщиною ∆α

б

При часі t = 0 концентрація речовини А с = 0 при х < 0 і с = с0 при х > 0. Рішення рівняння (1.45) для цього випадку записано в роботі [148]. Уявимо, що область х > 0 містить n ділянок товщиною ∆α і має одиничну площу. Візьмемо одну з них, що буде містити с0∆α дифундуючої речовини А. Якщо б навколишні ділянки були вільні, то розподіл концентрації визначається рівнянням (1.47) для нескінченно тонкого шару. Аналогічно можна розглянути наступну ділянку (і так

96

далі), як показано на рис.1.34,б. Слід зауважити, що розглядається дифузія речовини А в В, тобто справа–наліво

Якщо αі – відстань від центра і-ї ділянки до площини х = 0, то дійсне рішення (концентрація с у точці х у будь-який момент часу t) являє собою суперпозицію розподілу для кожної з ділянок:

Якщо прийняти n → ∞, ∆α → 0, то сума в рівнянні (1.49) переходить в інтеграл:

Цей інтеграл обчислити не можна, але його значення табульовані, і концентрацію визначають через функцію erf(z):

Функція erf(z) називається функцією помилок або функцією Крам-

па, або інтегралом імовірності. Значення функції помилок наведено в табл.1.6.

97

Таблиця 1.6. Значення функції помилок (функції Крампа) залежно від параметра z = 2xDt

Для будь-якої відстані х можна обчислити z, з табл.1.6 знайти функцію помилок erf(z) і концентрацію дифундуючого елемента в будь-який момент часу.

Зазначимо, що функція erf(z) змінюється від +1 до –1 і зберігає знак параметра z. Тіла вважаються напівнескінченними, якщо при їх розмірах є координати, при яких концентрації дифундуючої речовини дорівнюють с0 і 0 відповідно. Для наближених розрахунків функцію erf(z) можна приймати рівною параметру z при його абсолютному значенні, меншому 0,65, і рівною одиниці при значенні, більшому 1,8.

Дифузійні процеси відіграють важливу роль не тільки при з'єднанні металів, але і металів із неметалами, наприклад, з оксидами, при спіканні оксидів тощо. При твердофазній взаємодії оксидів відбувається дифузія іонів. Причому дифундують тільки катіони, зокрема, у феритах Me2+ і Fe2+. Рушійною силою дифузії в цьому випадку є градієнт електрохімічного потенціалу.

98

Для підвищення механічних властивостей з'єднань необхідне утворення в зоні з'єднання спільних зерен, що досягається в результаті рекристалізації.

1.5.2. Рекристалізація. Рекристалізація – це процес підвищення структурної досконалості і зменшення вільної енергії металів і сплавів у межах фази, який відбувається шляхом утворення і руху або тільки руху границь із великими кутами розорієнтування при нагріванні до певної температури деформованого металу [25]. Деформований метал накопичує у вигляді підвищеної потенціальної енергії зміщених атомів, дислокацій, напружень близько 10…15 % енергії, що витрачена на деформацію. Процеси рекристалізації полягають у заміні одних зерен іншими тієї ж фази, але з меншою енергією.

Процеси, які призводять деформований метал до більш рівноважного стану, охоплюють широке коло структурних змін. Тип і характер розподілу дефектів кристалічної структури, що викликані деформацією, дуже різноманітні. Усунення цих дефектів при нагріванні відбувається шляхом різних елементарних процесів, які проходять із різною швидкістю, у різних температурних інтервалах і з різною енергією активації. До елементарних процесів при нагріванні деформованого металу належать дифузія точкових дефектів і їх стік, перерозподіл дислокацій і їх кристалографічна переорієнтація, формування малокутових і міжзеренних великокутових границь із поглинанням дефектів.

Залежно від ступеня і характеру деформації, температури, швидкості і тривалості нагрівання, всі ці процеси відбуваються послідовно або накладаються один на інший. Внаслідок цього усунення слідів наклепу, у структурі металу процес може протікати різними шляхами і з різним ступенем завершення.

Розрізняють такі стадії процесу усунення слідів наклепу:

–повернення (відпочинок, полігонізація);

–рекристалізація (первинна, збірна, вторинна).

99

Повернення включає в себе всі процеси, які протікають до початку рекристалізації, а саме: зменшення концентрації точкових дефектів і перерозподіл дислокацій без утворення нових границь (так званий відпочинок) або з утворенням і міграцією малокутових границь (так звана полігонізація). Відпочинок є першою стадією повернення, на якій зменшується кількість вакансій, щільність дислокацій, величини напружень. При полігонізації відбуваються процеси переповзання дислокацій, внаслідок чого дислокації одного знаку утворюють "стінки", що ділять зерно на частки (полігони, субзерна) розміром 10–6…10–4 см. Енергія деформованого кристала включає енергію дислокацій та енергію взаємного відштовхування дислокацій одного знака. При відпалі дислокації частково перегруповуються та аннигілюють. Поля напружень надлишкових дислокацій і їх взаємодія спонукають утворення дислокаціями границь або "стінок" дислокацій одного знака. Ці границі перпендикулярні площині ковзання.

Під полігонізацією розуміють такий перерозподіл дислокацій, при якому утворюються області кристала, вільні від дислокацій і відділені одна від іншої дислокаційними границями. Дислокації, витягуючись у плівки, виявляються у вигляді ямок травлення на поверхні, перпендикулярній зсувному напруженню, яке діяло при деформації.

Полігонізація має багато спільного з рекристалізацією. Обидва процеси зв'язані з перерозподілом дислокацій і утворенням нових границь. Нагрівання сильно деформованого металу до температури, при якій можливий перерозподіл дислокацій, призводить до рекристалізації. Полігонізація в такому матеріалі майже не виявляється. Якщо матеріал не сильно деформований, то в ньому можна викликати полігонізацію при нагріванні до більш низької температури або рекристалізацію при нагріванні до більш високої температури. Полігонізація – найнизькотемпературніший процес із вираженою зміною структури.

100