Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Найбільші труднощі у видаленні кисню та оксидів зі стика виникають при зварюванні без підігріву, коли для активації поверхонь необхідна глибока пластична деформація металу.

1.2.3. Аналіз взаємодії металів із неметалами. При з'єднанні ме-

талів із хімічними сполуками металів, зокрема з оксидами, нітридами або карбідами, їх взаємодія полягає в утворенні міцних зв'язків, в основному, ковалентного типу. Наприклад, розглянемо взаємодію металів з оксидами за рівнянням

Me′+ Me′′O = Me′O + Me′′.

Протікання цієї реакції праворуч можливе, якщо зміна ізобарноізотермічного потенціалу (енергії Гіббса) менше нуля.

Розглянемо взаємодію деяких металів і оксидів [54]: температури плавлення металів і значення ізобарно-ізотермічних потенціалів реакцій утворення їх оксидів наведено в табл.1.4, а значення цих же потенціалів деяких оксидів, що є основою або часто входять до складу керамічних матеріалів, – в табл.1.5.

Таблиця 1.4. Температури плавлення деяких металів і значення ∆G0

утворення їх оксидів

71

Таблиця 1.5. Значення вільної енергії Гіббса ∆G0 утворення деяких оксидів

Найбільшу спорідненість до кисню мають елементи, при окиснюванні яких значення ∆G0 найменші. У цьому випадку оксиди є найбільш стійкими.

Для взаємодії металів з оксидами кращі умови сполучення металів із найбільшою спорідненістю до кисню (∆G0 – мінімальне) та оксидів термодинамічно найменш міцних (∆G0 – максимальне). Це можна проілюструвати схемою, показаною на рис.1.26 [54].

Наведену схему не можна абсолютизувати, тому що при взаємодії металів із керамікою можливе утворення оксидів різних стехіометричних складів, що впливає на термодинаміку процесу і повинно враховуватися в розрахунках. Однак і у випадку такого врахування вибір з'єднуваних матеріалів лише за їх активністю не гарантує якості з'єднань. Міцні з'єднання забезпечуються при поступовому переході від металу до кераміки через проміжні прошарки. Тому при аналізі взаємодії необхідно враховувати термодинамічну можливість утворення тієї або іншої проміжної фази. Наприклад, з'єднання між залізом і склом утворюється при наявності перехідного шару оксидів. Термодинамічні розрахунки показують, що Fe3O4 та Fe2O3 з SiO2 не взаємодіють, але взаємодія FeO з

72

SiO2 термодинамічно можлива. Тому взаємодія оксидів заліза Fe3O4 та Fe2O3 з SiO2 також термодинамічно можлива, якщо забезпечується участь у реакції чистого заліза з утворенням FeO.

Рис.1.26. Вплив спорідненості металів до кисню на активність взаємодії металів з оксидами

Варто пам'ятати, що термодинаміка, дозволяючи той чи інший процес, не дає його кінетики. Наприклад, взаємодія Fe3O4 з SiO2, незважаючи на термодинамічну можливість процесу за розглянутим вище механізмом, може не відбуватися через недостатню швидкість дифузії заліза в оксидній плівці Fe3O4. Тому аналіз взаємодії матеріалів необхідно проводити з використанням розрахункових методів, які враховують різні аспекти процесу.

1.3. Утворення фізичного контакту поверхонь при з'єднанні металів

Контакт твердих тіл завжди дискретний, і фактична площа контакту складає тільки незначну частину номінальної. Зближення повер-

73

хонь на міжатомні відстані може бути досягнуте в результаті пластичної деформації і зминання наявних нерівностей та шорсткостей.

Розрахунок фактичної площі контакту виконується з певними припущеннями щодо фізичних властивостей і геометрії виступів. Для зварювання важливо визначити необхідні для забезпечення контакту по всій поверхні тиск, температуру, від якої залежать механічні властивості матеріалів, і тривалість процесу. При зварюванні з інтенсивним силовим впливом (активна деформація) і високими ступенями деформації, наприклад, при зварюванні холодному чи тертям, визначається тільки тиск стискування, при зварюванні вибухом – потужність заряду. Тривалість процесу складає секунди і долі секунд, але за рахунок великих пластичних деформацій фізичний контакт поверхонь гарантується. Тиски стискування вибираються залежно від опору металу пластичній деформації. Опір деформації визначається температурою процесу і ступенем зміцнення металів при деформації. Опір деформації може значно перевищувати границю текучості металу, тому тиск при холодному зварюванні складає сотні МПа. При зварюванні тертям за рахунок нагрівання металу до пластичного стану тиски зменшуються приблизно на порядок.

Слід відзначити, що при холодному зварюванні, зварюванні вибухом, тертям тощо тиск і ступінь деформації визначаються не тільки необхідністю забезпечення фізичного контакту поверхонь, але і їх активації. У контакт повинні вступати енергетично підготовлені для утворення зв'язків атоми, тому що по закінченні пластичної деформації закінчується і процес зварювання.

Для способів зварювання з низькоінтенсивним силовим впливом тривалість стадії утворення фізичного контакту може бути значною і визначається за розрахунками. Розрахунки ґрунтуються на аналізі зминання макровиступів на поверхнях за рахунок повзучості та з ура-

74

хуванням способу і ступеня чистоти механічної обробки поверхонь, а також зміни дійсних напружень при деформації виступів.

Повзучість (безперервна деформація при постійному напруженні, меншому границі текучості металу) характеризується деформацією, що залежить від часу і може містити в собі пружну, в'язку та пластичну деформації.

Макроскопічна деформація повзучості часто характеризується як пластична, а пружною деформацією і в'язким плином нехтують. На мікроскопічному рівні пластична деформація включає утворення ліній ковзання, смуг ковзання, смуг деформації, складок і коміркової структури. На субмікроскопічному рівні пластична деформація являє собою зародження, рух, розмноження і взаємодію дислокацій.

Повзучість є термічно активованим процесом. Локальне термічне збудження забезпечує додаткову енергію понад введену механічним шляхом, що призводить до подолання опору деформації при повзучості. Напруження визначають напрямок деформації повзучості. На основі теорії термодинамічної флуктуації швидкість повзучості ε& в загальному виді може бути представлена рівнянням [16]

де функція Zі залежить від температури Т і містить частоту ν коливань, зміну ентропії і структурний фактор S. Останній включає в себе такі характеристики мікроструктури, як величина зерна, величина і розподіл часток однієї чи більше фаз, щільність, розподіл та довжина дислокацій. Функція σі залежить від температури і структури, оскільки механізми повзучості температурно і структурно чутливі. Величина ∆Ні є дійсною енергією активації для і-го процесу, який визначає швидкість повзучості та залежить від температури і структури. Якщо діючий механізм, що контролює повзучість у визначених межах температури, напружень і структури невідомі, то невідомі і точні види

75

функцій Zі і σі, а отже, величина ∆Ні не може бути точно визначена. Однак, підтримуючи Zі і σі постійними, можна визначити уявну енергію активації повзучості ∆Нп, в яку можуть входити також інші члени, крім ∆Ні, і яка буде наближатися до ∆Ні(T, S). Порівнюючи ∆Нп і ∆Ні для можливих механізмів, можна визначити, який із механізмів контролює процес повзучості.

Повзучість металів поділяють на низькотемпературну і високотемпературну. При цьому вважають, що швидкість низькотемпературної повзучості визначається механізмами, не пов'язаними з дифузією, наприклад, поперечним ковзанням, перетином дислокацій, тертям у ґратках, обумовленим силами Пайєрлса. Швидкість високотемпературної повзучості контролюється дифузійними процесами. Встановлено, що для багатьох металів таким процесом є самодифузія. Важливим процесом при усталеній повзучості є рух вакансій. Типи та механізми деформації повзучості детально розглянуто в роботі [16].

Повзучість металів може бути представлена кривою повзучості, показаною на рис.1.27.

Деформація ε0 виникає відразу при навантаженні і поєднує в собі пластичну і пружну деформації. В інтервалі часу від 0 до t1 швидкість повзучості поступово зменшується. Цей період повзучості називається

першою або неусталеною стадією повзучості. Між деформаціями ε1 і

ε2 , тобто в період від t1 до t2, швидкість повзучості практично постій-

на. Цей період називається другим або усталеною стадією повзучості.

Після деформації ε2 швидкість повзучості постійно підвищується до деформації εр і руйнування металу. Період зростаючої швидкості повзучості називається третьою стадією повзучості.

Для зварювання практичний інтерес представляють тільки перші дві стадії повзучості. Вплив температури на характер кривих повзучості показано на рис.1.28.

76

Рис.1.27. Крива повзучості металів

Рис.1.28. Вплив температури на характер кривих повзучості

Залежно від температури, характер кривих повзучості змінюється. Він залежить також і від рівня діючих напружень. Наприклад, при великих деформуючих напруженнях важко розрізнити окремі стадії процесу. При низьких напруженнях і високих температурах повзучість металу відразу починається з другої стадії [16].

Для визначення часу утворення фізичного контакту необхідно мати криві повзучості матеріалу в умовах зварювання і задатися формою мікронерівностей на його поверхнях. У роботі [54] для стадії неусталеної повзучості рекомендовано рівняння з роботи [11]:

де ε& – швидкість повзучості; А – коефіцієнт, залежний від температури і напруження; n – коефіцієнт, який може приймати значення від 0 до 2; t – час деформації; ν – частота коливань атомів; L0 – шлях руху дислокацій до бар'єру; b – модуль вектора Бюргера; β – постійний ко-

77

ефіцієнт; Eп(P) – енергія активації пластичної деформації при заданому напруженні; R – універсальна газова постійна; T – температура.

У рівнянні (1.25,а) добуток βt−n = ρ визначає щільність рухомих дислокацій.

При температурах, близьких до точки плавлення, перша неусталена стадія повзучості не виявляється. Швидкість неусталеної повзучості в цьому випадку залежить від напруження σ наступним чином [16]:

де A", α – постійні коефіцієнти.

При більш низьких температурах, але вище 0,4Тпл, коли перед другою стадією повзучості спостерігається перша, залежність швидкості деформації від низького напруження, характерного для дифузійного зварювання, має вигляд [16]

де n – постійний коефіцієнт, що для чистих металів має значення в інтервалі від 4 до 6, а для сплавів – від 2 до 4; A – постійний коефіцієнт, що залежить від температури. Для великих напружень ця залежність має вигляд

де A", α, n – постійні коефіцієнти, що в загальному випадку залежать від температури.

У роботах [59,60,147] при дифузійному зварюванні для стадії усталеної повзучості при температурі Т використовується рівняння

78

де В – постійна, що визначається природою матеріалу; р – діючі напруження (тиск при зварюванні); m – постійна, що, залежно від матеріалу, звичайно змінюється від 3 до 5; ∆Hп – енергія активації повзучості, яка визначається при дослідженні повзучості в умовах зварювання [60].

Одним з експериментальних методів визначення енергії активації повзучості є метод малих скачків температури, при якому проводять дослідження повзучості [16]. Повзучість досліджують при постійному напруженні і температурі T1, а потім різко змінюють температуру до T2, яка може бути нижчою або вищою від T1. Схема зміни параметрів випробувань показана на рис.1.29 [60].

Рис.1.29. Схема зміни параметрів процесу повзучості при визначенні енергії активації за методом малих скачків температури

Із співвідношення швидкостей повзучості безпосередньо перед зміною температури і після визначають ∆Нп:

∆Hп = RT−1T2 lg ε&ε2 ,

T2 T1 &1

де ε&2 і ε&1 – швидкості усталеної повзучості відповідно при темпера-

турах T2 і T1.

Обладнання для визначення енергії активації повзучості стосовно дифузійного зварювання описано в роботі [60]. У цій же роботі визначено для жароміцних сплавів ЭИ602, ЭИ826 і ЭП99 параметри повзучості, які складають відповідно: ∆Нп [кДж/моль] – 345, 372, і 375; m –

3,79, 3,73 і 3,81; B – 7,24·10–6, 6,05·10–6 і 5,46·10–6.

79

Знаючи швидкість повзучості ε& залежно від параметрів режиму зварювання та необхідну величину деформації ε , визначають тривалість стадії утворення фізичного контакту tф:

способу обробки поверхні задаються певною формою мікровиступів [147]. Її можна визначити також експериментально і, користуючись рівняннями (1.27) і (1.28), варіювати параметри режиму зварювання.

Зближення поверхонь на міжатомні відстані призведе до міжатомної взаємодії, якщо їх поверхневі атоми будуть мати вільні сили зв'язку (будуть активовані).

При цьому утворяться міжатомні зв'язки – відбудеться схоплювання поверхонь.

1.4. Аналіз дислокаційного механізму активації поверхонь

З'єднання матеріалів у твердому стані звичайно виконують із підігрівом. Холодне зварювання проводять без підігріву, але з великими пластичними деформаціями (55…90 %). При холодному зварюванні оксидні плівки та інші забруднення руйнуються і виносяться із зони з'єднання разом із витісненим металом. Аналогічно видаляються забруднення і при інших способах зварювання з інтенсивною деформацією, наприклад зварюванні тертям тощо.

При дифузійному зварюванні та інших способах із незначною пластичною деформацією велику роль відіграють дислокації, які виходять на поверхню при пластичній деформації. У роботах [54,75] показано, що утворення міжатомних зв'язків (схоплювання поверхонь) відбувається на активних центрах, які являють собою місця виходу дислокацій. Модель активного центру показано на рис.1.30 [54].

80