Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 2

Силы межатомного взаимодействия имеют электрическое происхождение. В первом приближении можно считать, что в образовании межатомных (химнческих) связей принимают участие в основном электроны валентных оболочек. Их вклад в энергию образования тела из атомов намного больше, чем вклад внутренних электронов.

Химические связи по своей природе электромагнитные и действу— !О ют на расстояниях порядка 10 м. Принято считать, что между частицами твердого тела кроме электромагнитного взаимодействия существуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или сильные, действующие на расстоя— 15 ниях менее 1О м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм их можно не учитывать); слабые, обусловливающие !)-распад (они слабее 6 36 электромагнитных в 10 раз); гравитационные, которые в 10 раз слабее электромагнитных.

Понятие химической связи относится к взаимодействию атомов с энергией — 10...100 кДж. Столь широкий интервал энергий может быть реализован различными взаимодействиями, которые традиционно классифицируют как типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая и водородная.

Эта классификация не является четко определенной. Ковалентная связь представляет собой универсальный тип химической связи. Ионную связь можно рассматривать как частный (предельный) случай ковалентной связи между атомами, резко отличающимися друг от друга по своей электроотрицательности. Понятия металлической и водородной связей отражают скорее специфику химических объектов, нежели действующих сил. Наиболее типичны ковалентная и ионная химические связи.

Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами. Она может образоваться взаимодействием или спариванием валентных электронов. Если атомы одинаковы, например в молекулах водорода Н2, щелочных металлов в газообразном состоянии 1л2, К3, )х)а2, галогенов С12, Вг2, азота )х!2, — то связь неполярная, при взаимодействии разных атомов, например НС1, — связь полярная. В предельном случае, когда электроны связи полностью смещены к одному из ядер, имеет место ионная связь. В природе сравнительно немного тел с ковалентными связями. Однако они имеют большое практическое значение благодаря высокой температуре плавления и твердости (например, алмаз С, кремний Я, германий Ое и карбид кремния ЯС вЂ” карборунд).

Главной чертой ковалентных связей является наличие обобщенных электронов и четкая пространственная ориентация. При изучении сварочных процессов важно иметь в виду, что прочные ковалентные связи устанавливаются не только в кристаллах металлов, но и при соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками или интерметаллидами', обладающими полупроводниковыми свойствами. Интерметаллиды — соединения типичных металлов с металлами, имеюшими слабые металлические свойства. Ионная, или гетерополярная связь, типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Типичным представителем ионных кристаллов является поваренная соль )х(аС!. Образование катиона — это результат потери атомом электрона.

Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство к электрону. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной направленности. В природе очень много тел, имеющих ионные связи. Однако они имеют незначительное применение в машиностроении, потому что у них нет свойств, позволяющих использовать их как конструкционный материал.

Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в значительной степени идеализированы. Обычно встречаются промежуточные случаи. Если при ионной связи один атом отдает электрон другому, а при ковалентной — каждый электрон принадлежит в равной степени обоим связанным атомам, то в промежуточных случаях возможны связи с любым «процентом ионности». Водородная связь, называемая также протонной связью, представляет собой связь специфического типа, которая может быть как внутрнмолекулярной связью, так и межмолекулярной. Возникновение связей такого типа индуцируется ядром водорода (или протоном), которое благодаря своему малому размеру, может проникать в глубь электронной оболочки, обладающей сильной электроотрицательностью.

Водородная связь занимает промежуточное положение между атомной и ионной связями и часто встречается в органических и некоторых неорганических соединениях. Ассоциации молекул воды, спирта, кислот и др. определяются водородными связями. Металлические связи характерны для металлов. Металлическое тело можно считать одной макромолекулой, потому что металлические связи имеют место не только между двумя или несколькими атомами металла.

Высокие значения тепло- и электропроводности металлов непосредственно связаны с их атомной структурой. Атомы металлов имеют мапо электронов во внешней оболочке, и эти электроны сравнительно слабо связаны с остальной частью атома («остовом» атома). Слабая связь внешних электронов приводит к тому, что металлы имеют небольшие потенциалы ионизации. Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше 10 Таблица 1.1.

Энергия межмолекуляриых взаимодействий и химических связей разного типа Энергия, кдж~моль Элементарные связи Химическая связь: ковалентная 418-628 210 — 418 20- 33,5 ионная и металлическая водородная Межмолекулярные взаимодействия: силы Ван-дер-Ваальса дисперсионные электростатические индукционные 4,2 — 8,4 0,84 в 8,4 До 8,4 До 2,0 соседних атомов. Следствием этого является большая компактность кристаллических структур металлов. Энергия металлической связи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, поэтому большинство металлов по сравнению с ковалентными кристаллами имеют более низкие модуль упругости, температуры плавления и испарения, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения. Поскольку в металле существует как бы облако обобществленных электронов, металлическая связь допускает большее смещение атомов, чем другие типы связей.

Этим обусловливается высокая пластичность металлических кристаллов по сравнению с ковалентными или ионными кристаллами. Между молекулами имеется специфическое взаимодействие, вызываемое зиежмояекулярными силами, или силами Ван-дерВаальса. Механизм такой связи присущ всем твердым телам. Силы Ван-дер-Ваальса действуют между молекулами газообразных и жидких веществ, а также между молекулами в кристаллических решетках. Однако эта связь имеет существенное значение только при отсутствии других связей. Силы Ван-дер-Ваальса сильнее действуют в кристаллах и жидкостях, слабее в газах, потому что они тем больше, чем ближе друг к другу находятся молекулы.

Все описанные выше типы связей и межмолекулярных взаимодействий могут быть рассмотрены как силы сцепления, или когезионные силы, в результате действия которых из отдельных атомов и молекул образуются тела в разном агрегатном состоянии и с разными свойствами. Чем больше энергия связи, тем сильнее когезия в теле и тем труднее его измельчить, расплавить или привести в газообразное состояние (табл.

1.1). Все рассмотренные связи в кристаллах редко проявляются в чистом виде. Как правило, сочетания различных связей существуют одновременно. Следует также отметить, что поверхности твердых тел в атмосферных условиях обычно инертны, так как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. Примером такого насыщения может служить окисление веществ в атмосфере. На поверхности могут также протекать процессы типа физической адсорбции, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса. 1.2.

Физико-химические особенности получения сварных, ивяных и клеевых соединений 1.2.1. Механизм образования монолитных соединений твердых тел На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без ввода внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки (порядка долей нанометра).

Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Л (рис. 1.1) исчезнет и произойдет сварка. Такой процесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как сво- Рис. 1.1. Схема образования бодная энергия системы при этом соединения двух моиокристалдолжна уменьшиться на количество лов с идеально чистыми и энергии двух исчезнувших поверх гладкими поверхностями: мо- нокристаллы до (а) и после (б) ностей раздела.

В действительности соеЛинения даже в идеальном случае для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома пзо. Каждый атом находится как бы в потенциальной яме и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления потенциального барьера (рис. 1.2). 12 13 Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или а жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны окружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена.

Это вызыва- 1 ет повышение энергии поверхност— г- ° ного слоя кристалла вп. Если необб ходимая атому энергия, для переме- щения внутри тела равна во (см. Рис. 1.2. Потенциальный барь- рнс. 1.2), то для выхода в окружаюер для системы атомов у по- щую среду она равна шп, причем верхности кристалла (а) и на геп > гео. Поэтому для соединения границе твердой и жидкой фаз двух монокристаллов в один требу(б) в начальиын "ер"од "" ется введение извне деформационконтакта ной или тепловой энергии, превышающей граничную энергию гег.

Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, возникнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения— энергии активации.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении. Стадийность процесса сварки. Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), характерной только для микроучастков соединяемых поверхностей. Топохпмичесхие реакции — это химические реакции с участием твердых теп.