Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Якщо для розриву старих зв'язків в активному центрі потенціальний бар'єр складає величину U (рис.1.30), то ці зв'язки можуть бути розірвані на площі з радіусом

де R(U) – зміщення для певного рівня енергії U, яке визначається рів-

няннями (1.29) і (1.30):

У рівнянні (1.32) взаємозв'язані повна енергія дислокації Q і величина потенціального бар'єра U. Оскільки у функції arccos x значення х знаходиться в межах –1 ≤ х ≤ 1, то

Рівняння (1.32) встановлює взаємозв'язок між повною енергією Q, що виноситься дислокацією в зону з'єднання, величиною зміщення і потенціальним бар'єром U, який можуть перебороти атоми на відстані r від ядра дислокації.

82

За даними Ван Бюрена, Котрелла, Кіттеля та інших, загальна енергія ядра дислокації в будь-якому кристалі за порядком величини дорівнює Gb3 на одну міжатомну відстань уздовж вісі дислокації, а енергія ядра дислокації на одну атомну площину складає 0,1Gb3. У роботі [66] наведено значення повної енергія гвинтової дислокації на кожну атомну

площину близько 8 еВ, а для крайової – у 1 −1µ раз більше, тобто

11…12 еВ. Енергія ядра дислокація оцінюється трохи менше 1 еВ. Енергія Qp дислокації, що рухається, визначається рівнянням

де ν – швидкість руху дислокації; c – швидкість звуку (c ≈ 105 см/с). На утворення активних центрів істотно впливають температура та деформація. При підвищенні температури та збільшенні пластичної

деформації число активних центрів зростає.

Найбільш важливими енергетичними характеристиками процесу активації є енергетичний бар'єр U, при досягненні якого в межах активного центру відбувається розрив старих зв'язків, та частота λ появи активних центрів на поверхнях, які з'єднуються.

Для малих швидкостей деформування, наприклад при повзучості, згідно з даними роботи Ж. Фріделя [138], можна прийняти лінійну за-

де L0 – відстань між бар'єрами для руху дислокації.

Частота виходу дислокацій у цьому випадку визначається рівнян-

&

L0b

83

З рівняння (1.38) випливає, що частота виходу дислокацій визначається інтенсивністю пластичної деформації з'єднуваних металів. Спільна пластична деформація металів із близькими фізикомеханічними властивостями супроводжується рухом і виходом дислокацій одночасно на обидві поверхні, що з'єднуються. У момент виходу дислокацій і відбувається схоплювання поверхонь.

При з'єднанні різнорідних матеріалів схоплювання регламентується активацією більш твердого матеріалу. Тривалість періоду активації поверхні більш твердого матеріалу ta можна оцінити за рівнян-

ням [147]

де N0 – число зв'язків на одиниці поверхні; N – необхідне число розривів зв'язків (звичайно приймають N = (0,7…0,9)N0); Еа – енергія активації одиничного зв'язку, енергія активації руху дислокації, енергія активації утворення і руху вакансії тощо залежно від природи матеріалу, типу хімічного зв'язку, а також механізму активації поверхні; ν(р, с) – частота власних коливань атомів або частота переміщення дислокації; ν – може змінюватись від 1 до 1014 с–1, при швидкості повзучості 10–6 с–1 для металів із г.ц.к. граткою ν змінюється в інтервалі 106…1010 с–1; р – тиск; с – величина, яка характеризує склад та властивості матеріалу.

Власне дислокаційний механізм активації здійснюється при низьких температурах для пластичних металів. Із підвищенням температури зростає роль термічної активації, і її питоме значення залежить від ступеня і швидкості пластичної деформації. Підвищення температури збільшує швидкість руху дислокацій і частоту їх виходу в зону фізичного контакту, а також зменшує міцність зв'язків між атомами металу і кисню в оксидах та хемосорбованому шарі, тобто зменшує потенціальний енергетичний бар'єр U.

84

Таким чином, термодеформаційні умови з'єднання матеріалів у твердому стані забезпечують активацію поверхонь при виході на них дислокацій, поряд із розглянутими раніше способами активації поверхонь при дисоціації, сублімації, відновленні металів з оксидів та розчиненні оксидів. Роль і питоме значення кожного зі способів активації залежить від способу зварювання, його особливостей та природи матеріалів, що з'єднуються.

Процес схоплювання поверхонь – це, перш за все, взаємодія між поверхневими атомами матеріалів. При цьому утворюються міжкристалітні міжатомні зв'язки, тобто границя зерен проходить по поверхні контактування. У випадку повної реалізації в контакті міжатомних зв'язків, розсіяні фізичні і хімічні мікронедосконалості менше впливають на механічні властивості з'єднань при статичному розтягуванні, але різко погіршують механічні властивості при динамічних навантаженнях та високих температурах. Тому, розглянувши всі властивості з'єднань, принаймні однойменних або утворюючих тверді розчини матеріалів, робимо висновок про необхідність об'ємної взаємодії в зоні з'єднання.

1.5. Об'ємна взаємодія з'єднуваних матеріалів

Об'ємна взаємодія металевих матеріалів призводить до усунення за рахунок дифузії фізичних і хімічних недосконалостей будови металу в зоні з'єднання, утворення спільних зерен у контакті, релаксації внутрішніх напружень тощо. У результаті цього характеристики з'єднань можуть бути рівнозначними характеристикам основних металів.

При з'єднанні однойменних металів об'ємна взаємодія поліпшує експлуатаційні характеристики з'єднань. При з'єднанні різнойменних металів характер об'ємної взаємодії визначається їх природою та діаграмою стану. При цьому можливе утворення перехідної зони, що складається з твердих розчинів, обмежених твердих розчинів з інтер-

85

металідами або евтектоїдами при пересиченні твердого розчину, з інтерметалідів, шпінелей тощо. Якщо з'єднувані матеріали утворюють крихкі перехідні прошарки, то процес об'ємної взаємодії необхідно пильно контролювати і обмежувати. В об'ємній взаємодії матеріалів головну роль відіграють процеси дифузії.

1.5.1. Дифузія. Метали в твердому стані являють систему правильно розташованих у просторі позитивних іонів і вільних електронів. Іони коливаються з певною амплітудою, що залежить від температури (близько 1013 циклів на секунду). Термодинамічно можливе їх переміщення в нове енергетично більш вигідне місце. При підвищенні температури такі переміщення різко прискорюються. Процес довільного переміщення атомів на відстані, більші параметра гратки, що супроводжується переносом речовини, називають дифузією.

При розгляді переміщення атомів у кристалічних ґратках розрізняють:

а) самодифузію (переміщення атомів у чистому металі або атомів розчинника в твердому розчині, тобто переміщення атомів у власній гратці);

б) гетеродифузію або концентраційну (хімічну) дифузію (переміщення атомів розчиненого елемента в гратках розчинника);

в) термодифузію (переміщення атомів під впливом градієнта температури, який призводить до градієнта хімічного потенціалу дифундуючої речовини в температурному полі);

г) реактивну дифузію (переміщення атомів речовини в місця, де утворюються хімічні сполуки з іншими компонентами або існують інші фази з меншим хімічним потенціалом).

Дифузія в двохчи багатокомпонентній системі можлива тільки при наявності розчинності одного компонента в іншому.

Рушійною силою дифузії є наявність у системі градієнта активностей або градієнта концентрацій. Переміщення атомів відбувається і за

86

відсутності зазначених градієнтів, але в цьому випадку вони не мають спрямованогохарактеруінепризводятьдовиникненнядифузійногопотоку.

Улітературі розглядаються головним чином три можливих механізми процесу дифузії [9,148]:

1 – обмінний (простий або циклічний);

2 – вакансійний;

3 – міжвузольний.

Обмінний механізм полягає в безпосередньому обміні місцями двох сусідніх атомів (просто обмін) або в результаті кільцевого обертання деякої сукупності атомів (наприклад, чотирьох). Такий процес вимагає найбільшої додаткової енергії і має малу ймовірність.

При вакансійному механізмі дифузії переміщення відбувається в результаті обміну місцями атома з вакансією.

Міжвузольний механізм припускає перехід атомів зі стану рівноваги в положення між вузлами, де вони продовжують свій рух, закінчуючи його обміном з вакансіями або з атомами, що знаходяться у вузлах кристалічних ґраток. Можливим є випадок, коли міжвузольний атом витісняє сусідній атом з рівноважного положення, а сам займає його місце у вузлі ґратки (механізм витіснення).

Для з'ясування механізму дифузійного процесу порівнюють розрахункову й експериментальну величини енергії активації процесу.

Порівняння розрахункових та експериментальних значень енергії активації свідчить на користь вакансійного механізму дифузії. Для більшості металів і сплавів із щільноупакованими ґратками, що утворюють тверді розчини заміщення, цей механізм є загальновизнаним. У розчинах укорінення (проникнення) важливу роль відіграє міжвузольний механізм дифузії.

Утвердих металах дифузія може проходити в об'ємі зерна (об'ємна), по границях зерен (зерногранична) та по поверхні (поверхнева дифузія).

87

Основним параметром, який характеризує процес дифузії, є коефіцієнт дифузії. Він дорівнює щільності потоку, що вирівнює концентрацію речовини при одиничному градієнті концентрації. Температурна залежність коефіцієнта дифузії в металах може бути задана в загальному випадку термодинамічним рівнянням

де D – коефіцієнт дифузії; D0 – передекспоненційний множник; R – універсальна газова постійна (8,31 Дж/г-атом); Q – енергія активації процесу дифузії, що складається з енергії утворення і руху дефектів.

Важливим фактором, який впливає на коефіцієнт дифузії, є структурний фактор. Його залежність від енергії і сил міжатомних зв'язків у металах, положення їх у Періодичній системі елементів, розмірів, валентності і частоти коливань атомів, типу і параметра ґратки розглянуті в ряді спеціальних робіт і монографій. Важливе практичне значення мають залежності коефіцієнта дифузії від домішкових атомів, точкових і лінійних дефектів.

Домішкові атоми в металах і сплавах сильно змінюють параметри самодифузії елемента, що є основою сплаву. За даними С.З. Бокштейна [9], елементи по-різному впливають на енергію активації самодифузії Q і на передекспоненційний множник D0. Так, значення коефіцієнта самодифузії нікелю в нікелевому сплаві типу Ni–Cr–Al–Ti–Mo–W істотно зменшується в порівнянні з чистим нікелем, енергія активації при цьому збільшується від 272 до 376 кДж/г-атом. Це пояснюється зменшенням значення середнього квадратичного відхилення атомів від положення рівноваги при введенні Cr, Tі, Al у твердий розчин нікелю. Наприклад, введення хрому в нікель підвищує міцність атомних зв'язків у кристалічних ґратках і збільшує, таким чином, енергію активації приблизно на 42 кДж/г-атом. При введенні 2 % титана в нікельхромовий сплав 80–20 енергія активації зростає ще більше. Найбіль-

88

ший ефект впливу легуючих елементів на коефіцієнт дифузії спостерігається при одночасному введенні цих елементів. Інші елементи, наприклад, ванадій, знижують енергію активації дифузії.

Структурний фактор враховує також вплив точкових дефектів на коефіцієнт дифузії. У рівноважному стані для чистих металів і твердих розчинів заміщення важливу роль відіграють вакансії. Рівноважна концентрація вакансій Nv визначає ймовірність переходу атомів у вакантні вузли. Коефіцієнт дифузії при вакансійному механізмі визначається ймовірністю того, що серед найближчих сусідів атома знаходиться вакансія з частотою перескока атома в цю вакансію [9]. Таким чином, збільшення концентрації вакансій сприяє збільшенню коефіцієнта дифузії. При розгляді коефіцієнтів дифузії атомів розчиненого елемента і розчинника враховують фактор різниці атомних радіусів і фактор валентності. Енергія активації дифузії Q домішкових атомів у сріблі і нікелі зменшується при збільшенні атомного радіуса домішки. Коефіцієнт дифузії тим більший, чим більше відрізняються фізикохімічні властивості дифундуючого елемента і розчинника [9].

Співвідношення між коефіцієнтами гетеродифузії Dг і самодифузії Dс може бути записане у вигляді [9]

де γі та Ni – відповідно коефіцієнт активності та атомна доля і-го компонента в розчиннику.

Експериментально виявлено залежність коефіцієнта дифузії від лінійних (дислокації) і двомірних (границі зерен) дефектів.

Дислокації і границі зерен являють собою протяжні області підвищеного спотворення ґраток. Вони є не тільки джерелами і стоками для вакансій, які сприяють дифузійній рухливості атомів, але й особливо сприятливими шляхами для дифузії.

89

Коефіцієнт дифузії може залежати від взаємної орієнтації зерен і пов'язаний із різним розташуванням ліній дислокацій на границях зерен. Експериментально виявлено також розходження в коефіцієнтах дифузії вздовж статичних границь і границь зерен, що рухаються. Якщо для статичних дислокаційних конфігурацій Воззаі і Дорн відзначають збільшення граничної дифузії в нікелі, у порівнянні з об'ємною в 2…4 рази, то для границь, що рухаються, це збільшення коефіцієнта дифузії складає до 30 разів, а в умовах високотемпературної деформації – до 150…200 разів.

Відзначені закономірності дифузії притаманні, в основному, термодинамічно рівноважного стану металу. У практично застосовуваних умовах зварювання матеріалів напруження, які діють при пружних і пластичних деформаціях (при фазових перетвореннях, холодній і високотемпературній деформаціях тощо), призводять до утворення надлишкової (нерівноважної) концентрації дефектів структури. Надлишок вакансій сприяє переміщенню дислокацій, що впливає на рухливість атомів у кристалічних ґратках.

Припускаючи, що збільшення швидкості дифузії при постійній швидкості деформації відбувається за рахунок зростання числа вакансій, можна записати наступне рівняння [18]:

де DDσ – відношення коефіцієнтів дифузії в напруженому і ненапруже-

ному станах; D0′ – відношення передекспонентних множників для ди-

D0

фузії в напруженому і ненапруженому станах; ω – імовірність виникнення в одиницю часу нової вакансії; σ – діючі напруження; t – час; α – коефіцієнт, пов'язаний із концентрацією напружень в області дефектів.

90