» » Физическая природа соединения разнородных металлов в твердой фазе
21.12.2014

Явление соединения металлов в твердом состоянии впервые заинтересовало исследователей при изучении взаимодействия тел в процессе трения.
В основе соединения однородных и разнородных металлов с помощью сварки давлением лежит явление схватывания, заключающееся в образовании металлической связи между атомами контактирующих поверхностей. При этом соединяемые поверхности должны быть ювенильными (свободными от загрязнений, оксидных пленок и адсорбированных слоев) и находиться в состоянии физического контакта (сближены до расстояния, на котором возможно электронное взаимодействие). Атомы, лежащие на поверхности кристалла, окружены меньшим числом соседних атомов, чем атомы внутри кристалла, поэтому обладают некоторым избытком свободной энергии и склонны к образованию дополни», тельных связей с иными атомами и молекулами, оказавшимися вблизи ювенильной поверхности.
В идеале при сближении ювенильных поверхностей на расстояние взаимодействия межатомных сил осуществляется процесс электронного взаимодействия между атомами соединяемых кристаллов, образуются энергетически устойчивые конфигурации электронов, соответствующие минимальной потенциальной энергии системы, как и у атомов, находящихся внутри кристаллов. В результате создается металлическая связь между атомами обеих поверхностей, которая характеризуется коллективизацией электронов внешних орбит.
В реальных условиях контактные поверхности соединяемых металлов всегда имеют микронеровности, покрыты оксидными и адсорбированными пленками (адсорбция — поглощение веществ из растворов на поверхности твердого тела или жидкости). Толщина оксидных планок на механически обработанных поверхностях металла составляет до 3x10в-5 мм. При сближении таких поверхностей физический контакт, очевидно, вначале возникает только на отдельных участках в результате пластической деформации соприкасающихся микровыступов. При этом оксидные пленки s зоне микровыступов разрушаются, обнажая ювенильные поверхности, на которых создаются условия для образования металлических связей. Таким образом, первоначальное схватывание происходит только на некоторых локальных участках. В дальнейшем число таких участков увеличивается до образования сплошных зон соединения.
При соединении разнородных металлов, обладающих различным сопротивлением деформации, площадки схватывания образуются в основном в результате пластического течения более мягкого металла.
В реальных металлах следует учитывать также особенности строения оксидной пленки, образовавшейся на контактной поверхности в результате взаимодействия металла с кислородом воздуха. Процесс окисления металла протекает а две стадии:
- адсорбция O2 на поверхности металла;
- образование оксидов определенного состава.
Для образования ювенильной поверхности необходимо удалить не только слой оксидов, но и кислород из хемосорбированного слоя (это слой, в котором между атомами кислорода и поверхностными атомами металла действуют сильные ионно-ковалентные связи), то есть создать условия для его десорбции с поверхности металла, Для активирования контактной поверхности атомам металла, связанным с атомами кислорода, необходимо сообщить дополнительную энергию, достаточную для разрыва их связей с атомами кислорода.
Источником этой энергии могут быть дефекты кристаллической решетки, выходящие на контактные поверхности, а также термические флуктуации (тепловое движение частиц). К активированию контактных поверхностей приводят нагрев, пластическая деформация, предварительная химическая обработка (зачистка, травление. обработка вакуумом.
Сварка в режиме сверхпластичности позволяет использовать особо активированное состояние поликристаллов, что существенно интенсифицирует процесс сварки. Например, сварка титановых сплавов в режиме сверхпластичности по сравнению с обычной сваркой позволяет в 4 раза снизить необходимое усилие, в 6-30 раз -длительность сварки и на 50-150°С - температуру.