УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный), страница 2

Поскольку в металле существует какбы «облако» обобщенных электронов, металлическая связь допускает большее смещение атомов, чем другие типы связей. Этим обусловливается высокая пластичностьметаллических кристаллов по сравнению с ковалентными или ионными кристаллами.Между молекулами имеется специфическое взаимодействие, называемое межмолекулярными силами, или силами Ван-дер-Ваальса. Механизм такой связи присущвсем твердым телам. Эти силы действуют между молекулами газообразных и жидкихвеществ, а также между молекулами в кристаллических решетках.

Однако эта связьимеет существенное значение только при отсутствии других связей. Силы Ван-дерВаальса сильнее действуют в кристаллах и жидкостях, слабее в газах, потому что онитем больше, чем ближе друг к другу находятся молекулы.Все описанные выше типы связей и межмолекулярных взаимодействий могутбыть рассмотрены как силы сцепления, или когезионные силы, в результате действиякоторых из отдельных атомов и молекул образуются тела в разном агрегатном состоянии и с разными свойствами. Чем больше энергия связи, тем сильнее когезия втеле и тем труднее его измельчить, расплавить или привести в газообразное состояние (табл.1.1).Таблица 1.1.

Виды связей и энергия межмолекулярныхвзаимодействийЭлементарные связиЭнергия, кДж/мольХимическая связь:Ковалентная418-628Ионная и металлическая210-418Водородная20-33,5Межмолекулярные взаимодействия:4,2-8,4Силы Ван-дер-Ваальса0,84-8,4Дисперсионныедо 8,4Электростатическиедо 2,0ИндукционныеВсе рассмотренные связи в кристаллах редко проявляются в чистом виде. Какправило, сочетания различных связей существует одновременно. Следует также отметить, что поверхности твердых тел в атмосферных условиях обычно инертны, так7как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды.

Примером такого насыщения может служить окисление веществ в атмосфере. На поверхности могут также идти процессы типа физической адсорбции, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса.1.2. Физико-химические особенности получения сварных, паяных иклеевых соединений.1.2.1. Механизм образования монолитных соединений твердых телНа первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможнопри любой температуре и без ввода внешней энергии.

Для этого достаточно сблизитьих поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки (порядка долей нанометра). Тогда между сопряженными атомами возникнут связи,граница раздела Δ (рис. 1.1) исчезнет и произойдет сварка. Такой процесс кажетсявероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободнаяэнергия системы при этом должна уменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.В действительности даже в идеальном случае для соединения поверхностейтребуется затрата энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системысоответствует определенный минимум энергии атома.

Каждый атом находится как быв потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (рис.1.2). Внутри кристаллакаждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, чтосо стороны окружающей среды отсутствует связь или заметно ослаблена. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла ωп.

Если для перемещениявнутри тела атому необходима энергия ωо(см. рис. 1.2), то для выхода в окружающуюсреду ωп, причем ωп > ωо. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется введение деформационной или тепловой энергии извне, превышающей граничную энергию ωг.Рис.1.1. Схема образования соединения двух монокристаллов с идеально чистыми и гладкими поверхностями: кристаллы до (а)и после (б) соединения.Рис.1.2.

Потенциальный барьердля системы атомов у поверхностикристалла (а) и на границе твердойи жидкой фаз (б) в начальный периодих контакта.8Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, возникают 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 теоретическийанализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образованияпрочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), которая характернатолько для микроучастков соединяемых поверхностей.На первой стадии (А) развивается физический контакт, т.

е. осуществляетсясближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомноговзаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют энергетическим уровням, характерным для физической адсорбции (ωп = 0,04-0,4 кДж/моль). Навторой стадии (Б) — стадии химического взаимодействия (схватывания) — заканчивается процесс образования прочного соединения. Схватывание – бездиффузионный процесс и в принципе может происходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформация.На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свариваемые поверхности имеют:- микронеровности ≈ 10-6 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);- загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомывнешней среды.Для монолитного соединения материалов при сварке необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемыхповерхностей и их активацию.Энергия активации.

Активация поРис.1.3. Кинетика изменения прочностисоединения σ в зависимости от длитель- верхности заключается в том, что поверхности сварки t (топохимические кривые) ностным атомам твердого тела сообщаетпри быстром (1) и медленном (2) развитии стадий образования физического ся некоторая энергия, необходимая:контакта (А) и химического взаимодей- - для разрыва старых связей между атоствия (Б)мами тела и атомами внешней среды,обусловленные физико-химическим состоянием поверхности;9- для повышения энергии поверхностных атомов до уровня потенциальногобарьера, при котором возможно образование новых химических связей, т.е.

схватывание.В общем случае энергия активации может сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).1.2.2. Сварка плавлением и давлениемПри сварке плавлением (и пайке) сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей твердых тел жидким металлом (припоем,расплавом), а активация поверхности твердого тела (металла) — путем сообщениячастицам поверхности тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всейповерхности тела и при этом обеспечивается соприкосновение и прилипание (илиагдезию) его молекул и поверхностного слоя твердого тела.При затвердевании расплавленного материала слабые агдезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемыхматериалов и типу их кристаллической решетки. При сварке плавлением вводимаяэнергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного металлов, оплавление стыка, нагрев кромки и т.д.

При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом металле, их взаимноерастворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны (или припоя) обеспечивают объёмное строение зоны сварки, чтообычно повышает прочность сварного соединения.Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления - осуществляется путем спонтанного слияния объемов жидкого металла и обычно не требуетсятщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.При сварке плавлением обе стадии процесса соединения — физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, — протекают достаточно быстро (см. рис. 1.3, кривая 1).