Сварка давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Сварка давлением (Специальные главы)»

для подготовки магистров по специальности

5А 5522700-«Машины и технология сварочного производства»

Дуняшин Н.С., Абралов М.А.

ТАШКЕНТ 2002

УДК 621.791.1

Конспект лекций по дисциплине «Сварка давлением. (Специальные главы)» для подготовки магистров по специальности 5А 5522700- «Машины и технология сварочного производства»/ ТашГТУ; Дуняшин Н.С., Абралов М.А. Ташкент, 2002. 81с.

Курс «Сварка давлением. (Спец. главы)» по учебному плану читается в 1 семестре магистратуры.

В этом конспекте изложены основные вопросы теории сварки давлением в объеме, необходимом для изучения студентами высшего специального заведения по специальности магистратуры «Машины и технология сварочного производства»

Кафедра «Машины и технология сварочного производства»

Печатается по решению научно-методического совета Ташкентского государственного технического университета

Рецензенты: главный сварщик ГАО ТАПОиЧ Сорокин Г.В.,

начальник отдела подготовки кадров ГАО ТАПОиЧ Хикматуллаев Ф.Н.

© Ташкентский государственный технический университет, 2002

где h - постоянная Планка; U - потенциал электрона; E - полная энергия электрона; m - масса электрона.

Особенности уравнения Шрёдингера:

1. Уравнение имеет решение только при некоторых определенных значениях энергии электрона.

2. Решение уравнения показывает вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства вокруг ядра атома и никак не связывает эту вероятность с траекторией движения электрона. ² является мерой вероятности нахождения электрона в некотором объеме на расстоянии r от ядра. Функция определяет вероятность нахождения электрона в некотором шаровом слое на расстоянии r от ядра. Электрон представляется в виде электронного облака с плотностью в каждой точке пропорциональной ².

Рис. 1.1. Форма электронных орбиталей для различных состояний электронов в атомах: а - s-орбиталь; б - р-орбиталь; в - f-орбиталь.

Фигуру, образованную движущимся электроном, принято называть орбиталью. Под орбиталью понимают пространство, занимаемое электронным облаком (около 90%). Орбиталь может быть получена в результате решения волнового уравнения Шрёдингера в виде волновой функции . Характеристикой орбитали является вид ее симметрии. Орбитали с шаровой симметрией называют s-орбиталями, а орбитали в виде гантелей с осевой симметрией - р-орбиталями. Более сложный вид имеют d- и f-орбитали.

Согласно принципу Паули в системе взаимодействующих электронов не может быть более двух электронов (при этом с противоположными спинами), находящихся в одинаковом энергетическом состоянии.

Каждому состоянию электрона в свободном атоме соответствует определенный (для невозбужденного атома минимально возможный) уровень энергии.

Рис. 1.2. Схема энергетических уровней электронов в натрии.

При сжатии совокупности атомов до межатомного расстояния порядка 10^-9_10^-10 м их внешние электроны вступят во взаимодействие и в силу принципа Паули резкие энергетические уровни свободного атома начнут размываться в полосы тем более широкие, чем меньше расстояние r (на рис. 1.2. показано изменение ширины полос в функции величины 1/r; штриховая прямая соответствует r=a, где а - период решетки в кристалле натрия). При образовании твердого тела (r=a) не затрагиваются электроны, находящиеся на внутренних оболочках атома, и поэтому расширяются только энергетические уровни у электронов внешних оболочек атома (валентных электронов).

Все химические элементы можно разделить на три основные группы:

1. s-элементы, атомы которых имеют только валентные s-электроны, а более глубоко лежащие электронные оболочки полностью заняты или свободны. К ним относятся щелочные (литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr) и щелочноземельные (бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra) элементы и металлы подгруппы меди (медь Cu, серебро Ag, золото Au) и цинка (цинк Zn, кадмий Cd, ртуть Hg).

2. ds- и fds-элементы с достраивающимися внутренними d- и f-оболочками. Им присущи стабильные конфигурации d⁰,d⁵ и d¹⁰ (d-элементы, Fe, Mn, Nb, Ti, W, Mo и др.) или f⁰,f⁷ и f ¹⁴ (для f-элементов).

3. sp-элементы с валентными sp-электронами. Эта группа характеризуется образованием гибридных конфигураций sp-, стремящихся к превращению в более стабильные sp³- или совершенно стабильные s²p⁶-конфигурации.

1.2 Свойства элементов и электронная структура

Радиусы ионов и нейтральных атомов существенно отличаются: радиус катиона меньше атомного радиуса, тем значительнее, чем больше заряд иона ( ,, ). Это объясняется тем, что превращение атомов в катионы вызывает стягивание электронных оболочек.

Данное обстоятельство следует учитывать при рассмотрении возможных путей миграции нейтральных атомов и ионов в кристаллической решетке при сварке давлением. При этом подвижность катиона больше подвижности нейтрального атома, а подвижность нейтрального атома выше подвижности аниона, поскольку радиус катиона значительно меньше радиуса аниона (, ). Поэтому транспортирование реагентов через границу раздела при сварке давлением будет осуществляться более подвижными элементами, имеющими меньшие размеры.

1.3 Межатомное взаимодействие

Межатомное взаимодействие может наблюдаться как между отдельными свободными атомами, так и между атомами, входящими в состав одной или разных молекул, кристаллов.

Межатомное взаимодействие может быть:

1) ковалентным;

2) ионным;

3) металлическим;

4) типа водородной связи;

5) ван-дер-вальсовым.

Взаимодействие первых трех типов является причиной образования химических связей в молекулах, атомных и ионных кристаллах, металлах и сплавах. Связи этих типов часто реализуются при сварке давлением. Так, при сварке давлением металлов с неметаллами могут возникать связи на основе ионного и ковалентного взаимодействия, а при сварке металлов и сплавов на их основе - за счет металлической связи.

1. Ковалентное межатомное взаимодействие возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Обобществление ведет к формированию общей для связывающих атомов электронной пары. В зависимости от числа возникающих таким образом электронных пар различают простые (одна электронная пара) и кратные связи. При образовании ковалентной связи из одинаковых атомов распределение электронной плотности в орбиталях, связывающих электронные пары, строго симметрично относительно обоих атомных центров (неполярные связи). Если ковалентные связи образованы атомами с различной электроотрицательностью, то электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома (полярные связи). Разновидностью ковалентной связи является донорно-акцепторная связь, которая образуется при наличии группировок, в которых число связей, образуемых центральными атомами, превышает их формальную высшую валентность. Возникновение донорно-акцепторной связи обусловлено передачей электронной пары с целиком заполненной орбитали донора на вакантную орбиталь акцептора и образованием общей связывающей молекулярной орбитали. Примером такого взаимодействия могут служить соединения переходных металлов через слои низших оксидов с оксидами стекла или керамики. Так, оксиды марганца (MnO, Mn2O3, MnO2) по отношению к кремнезему SiO2 и оксиду алюминия Al2O3 будут являться донорами электронов. Это подтверждает возможность разработки технологии одного из способов сварки давлением диффузионной сварки различных металлов с керамическими материалами на основе нитридных, карбидных, фторидных и других соединений.

2. Ионная связь - это тип химической связи, энергия которой определяется почти исключительно кулоновскими силами притяжения противоположно заряженных ионов. Ионная связь обусловлена переносом электронов с одного атома на другой и электростатическим взаимодействием образовавшихся в результате этого переноса ионов. Оно характерно для соединения металлов с наиболее типичными металлоидами, например, NaCl, Al2О3.

3. Металлическая связь характерна для чистых металлов и их сплавов и обусловлена наличием электронов проводимости, свободно движущихся в решетке металла. Эти электроны электростатически взаимодействуют с положительно заряженными атомами металлов, скрепляя их друг с другом. Металлическая связь в отличие от ковалентной и ионной является нелокализованной и ненаправленной.

4. Водородные связи могут образоваться внутри молекул и между молекулами в основном в газообразном состоянии. При сварке давлением этот вид связи не реализуется.

5. Ван-дер-вальсовое взаимодействие обуславливает межмолекулярные связи. Такое взаимодействие называют слабым химическим взаимодействием. Оно рассматривается как промежуточная, незавершенная стадия более сильного химического взаимодействия. Соединения, в которых значительные площади контакта имеют незавершенную фазу межатомного взаимодействия, считают ненадежными, имеющие низкие прочностные свойства. Ван-дер-вальсовые силы играют важную роль при образовании структур инертных и двуатомных газов в твердом состоянии, являясь единственными силами, удерживающими атомы и молекулы в кристалле.

Энергия ковалентного, ионного и металлического межатомного взаимодействия соответствует ~10² кДж/моль, в то время как энергия ван-дер-вальсового взаимодействия составляет 0,1_1 кДж/моль.

Контрольные вопросы:

1. Каково современное представление о строении атома?

2. Каковы основные особенности уравнения Шредингера?

3. На какие группы можно разделить химические элементы?

4. Чем определяются химические свойства элементов?

5. Как отличаются радиусы ионов и нейтральных атомов?

6. Какие виды межатомного взаимодействия вы знаете?

Лекция №2. Кристаллическое состояние материалов

2.1 Кристаллическое состояние материалов

Твердое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положения равновесия. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы характеризуются строгой пространственной периодичностью расположения атомов.

Кристаллические материалы могут быть построены из нейтральных атомов, молекул, ионов и металлов.

1. В узлах атомных кристаллических решеток находятся нейтральные атомы, соединенные друг с другом ковалентными связями. К веществам, имеющим атомную кристаллическую решетку, относятся алмаз, кремний, соединения некоторых элементов с углеродом или кремнием (карбиды и силициды). Весь кристалл можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. Поскольку ковалентные связи весьма прочны, вещества, имеющие атомные решетки, всегда являются тугоплавкими и малолетучими; они практически нерастворимы.

2. В узлах молекулярных кристаллических решеток находятся молекулы. Молекулярные решетки образуют твердые водород, хлор, двуокись углерода и другие вещества при охлаждении до низких температур. Так как межмолекулярные силы значительно слабее сил химической связи, то кристаллы с молекулярной решеткой легкоплавки, характеризуются значительной летучестью.

3. Ионные кристаллические решетки, в узлах которых попеременно находятся положительные и отрицательные ионы, характерны для соединений элементов, сильно отличающихся электроотрицательностью. В кристаллах с ионной решеткой нельзя выделить отдельные молекулы. Связи между ионами прочны, поэтому ионным соединениям свойственны высокая температура плавления, малая летучесть, большая твердость, но меньше, чем для веществ с атомной решеткой. Типичными представителями этого класса веществ являются фториды щелочных металлов, а также твердые электролиты.

Твердые электролиты - вещества, в которых один из структурных компонентов (катион или анион) не привязан к строго определенным узлам решетки и может передвигаться по кристаллу (например, ионы Li⁺ в Li2SO4 при 845К, Ag⁺ в AgJ при 419К, Na⁺ в _глиноземе при комнатной температуре).

_глинозем объединяет семейство структур общей формулой , где М - однозарядные катионы, например, Na⁺, K⁺, Cu⁺, Ag⁺, Ga⁺; Х - трехзарядные катионы Al³⁺, Ga³⁺ или Fe³⁺; n может принимать значение от 5 до 11.

4. В узлах металлических кристаллических решеток находятся положительные ионы металлов, а валентные электроны могут передвигаться между ними в различных направлениях. Такое строение решетки обуславливает высокую электрическую проводимость, теплопроводность и пластичность металлов. При механическом деформировании не происходит разрыва связей и разрушения кристалла, поскольку составляющие его ионы как бы плавают в облаке электронного газа.

Математически доказано, что можно получить 14 различных вариантов расположения в пространстве точек, каждая из которых будет иметь одинаковое окружение. Многие металлы имеют сравнительно простые кристаллические решетки, такие как гексагональная плотноупакованная (ГПУ) - Mg, Ti, Cd, Re, Os, Zn, Co, Be, Ca и др., гранецентированная кубическая (ГЦК) - Ca, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Fe, Cu, Co, объемно центрированная кубическая (ОЦК) - K, Na, Li, Ti, Zr, W, V, Fe, Cr, Nb, Ba.

Для различных типов решеток важны такие характеристики, как координационное число, атомный радиус и плотность упаковки. Координационное число показывает число ближайших соседей атома и равно для ГПУ и ГЦК 12, ОЦК 8, решетки типа алмаза 4, простой кубической 6. Атомный радиус определяется, как половина расстояния между ближайшими соседями в кристалле и равен для ГЦК ()а, ОЦК ()а, где а - ребро куба. Относительная плотность упаковки равна отношению объема, занятого сферическими атомами, к объему всей структуры, и составляет для ГЦК 74%, ОЦК 68,1%, алмазной 34%.

Свариваемость элементов, имеющих сходное кристаллическое строение, будет ухудшаться по мере увеличения разницы параметров их кристаллических решеток. Поэтому при сварке давлением двух разнородных металлов, помимо прочего, существенное значение имеют их кристаллическое строение и размер атомов.

Таблица 2.1. Характеристика кристаллического строения некоторых металлов

Металлы, дающие сплавы с неограниченной растворимостью, должны хорошо свариваться сваркой давлением.

Влияние таких факторов, как химическое сродство и различие размеров атомов на образование непрерывных и граничных растворов сформулировал Юм-Розери:

1. Если различие размеров атомов компонентов, образующих сплав, превышает 15%, то растворимость в твердом состоянии должна быть ограничена.

2. Промежуточные фазы, которые называют интерметаллическими соединениями, сужают область ограниченных твердых растворов. Вероятность образования таких соединений определяется химическим сродством компонентов.

3. Взаимная растворимость двух элементов в твердом состоянии связана с их валентностью, причем растворимость в элементе с меньшей валентностью всегда больше, чем в элементе с большей валентностью.

Большая группа металлов при взаимодействии может в зоне сварки образовывать механические смеси - эвтектики при кристаллизации из жидкого состояния или эвтектоиды при вторичной кристаллизации.

Рис. 2.3. Диаграммы состояния сплавов металлов А и В, дающих в твердом состоянии эвтектические смеси Э, не образующие твердые растворы (а) и образующие ограниченные твердые растворы (б) (и - твердые растворы А(В) и В(А)).

Рис. 2.4. Диаграммы состояния сплавов металлов А и В, образующих в твердом состоянии химическое соединение AnBm_С и эвтектические смеси Э1, Э2, не образующие твердые растворы (а) и образующие ограниченные твердые растворы (б) ( и - твердые растворы А(В) и В(А)).

Если элементы А и В при кристаллизации образуют химическое соединение AnBm (интерметалид), отличающееся от свойств близлежащих кристаллов компонентов А и В, то такая неоднородность свойств может оказаться вредной для работоспособности сварного соединения.

Сварка давлением металлов, не образующих твердые растворы, связана с определенными трудностями, поскольку отсутствие взаимной растворимости свариваемых металлов исключает протекание диффузионных процессов на границе раздела. Возможность получения сварного соединения в этом случае целиком зависит от получения надлежащего контакта свариваемых поверхностей или применения прокладок из металлов, образующих твердые растворы с соединяемыми материалами.

Контрольные вопросы:

1. Что такое твердое тело?

2. Какие виды кристаллических решеток существуют?

3. Какие виды металлических кристаллических решеток существуют?

4. Как можно классифицировать твердые растворы?

5. Что называется твердым раствором внедрения?

Лекция №3. Аморфное состояние материалов

Аморфные вещества не имеют упорядоченного строения, в связи с этим они отличаются от кристаллических изотропностью, т.е. одинаковыми значениями свойств при изменении в любом направлении внутри вещества. Аморфная структура, так же как и структура жидкости, характеризуется ближним порядком, поэтому переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Это - второй признак, отличающий аморфное состояние твердого вещества от кристаллического состояния. Так, в отличие от кристаллического вещества, имеющего температуру плавления Тпл, при которой происходит скачкообразное изменение свойств, например, объема V, аморфное вещество характеризуется интервалом размягчения Тg-Тf и плавным изменением свойств. Тg - температура стеклования, ниже которой аморфное вещество приобретает свойство твердого тела. Тf - температура текучести, выше которой аморфное вещество приобретает свойства жидкости. В интервале Тg-Тf аморфное вещество находится в высокоэластическом состоянии. Этот интервал в зависимости от природы вещества может составлять десятки и сотни градусов.

Рис. 3.1. Изменение свойств при нагреве кристаллических (а) и аморфных (б) веществ.

Часто аморфное и кристаллическое состояние - это состояние одного и того же вещества. На практике кристаллизация аморфных веществ наблюдается очень редко, поскольку структурные изменения заторможены большой вязкостью твердых тел.

Типичными аморфными телами являются силикатные стекла, металлические стекла, керамические материалы, керметы, ситаллы.

1. Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Основная гипотеза строения стекла это гипотеза непрерывной бесконечной сетки, рассматривающая стекло как сплошную аморфную трехмерную сетку, лишенную симметрии и периодичности.

Рис. 3.2. Схемы структурных решеток: а _ кристаллического кремнезема; б - кварцевого стекла; в - натрий-силикатного стекла.

Согласно этой гипотезе строение кварцевого стекла (SiO2) можно представить следующим образом: как в кристаллическом, так и в аморфном кремнеземе каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния и образует кислородный мостик между двумя тетраэдрами. В кристалле тетраэдры ориентированы относительно друг друга закономерно, что обеспечивает образование кристаллической решетки (рис. 3.2., а). В стекле же закономерная ориентация тетраэдров нарушена в результате непостоянства углов между связями Si-O-Si, поэтому структура кварцевого стекла представляет собой непрерывную беспорядочную пространственную сетку (рис. 3.2., б). При введении в состав стекла оксидов щелочных металлов происходит разрушение некоторой части мостиков, что сопровождается дроблением пространственной сетки. Катионы металла заполняют промежутки (дыры) сетки (рис. 3.2., в), распределяясь преимущественно вблизи немостиковых ионов кислорода, компенсируя ненасыщенные валентности последних. Чем больше вводится оксида щелочного металла, тем больше дробится пространственная сетка стекла.

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные (на основе элементов S, P, C, As, Se), галогенидные (на основе Br, F2), халькогенидные (на основе системы As-X, Ge-As-X, где Х - элементы S, Se, Te), оксидные, сульфатные, нитратные, карбонатные и др.

Наиболее обширный класс представляют оксидные стекла. Легко образуют стекла оксиды SiO2, GeO2, B2O3, P2O5, As2O3. Большая группа оксидов (TeO2, TiO2, SeO2, MoO3, WO3, Bi2O3, Al2O3, Ga2O3, V2O3) образует стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов.

2. Металлические стекла или аморфные состояния металлов можно получить путем высокоскоростного охлаждения расплавов (скорость охлаждения 10⁶-10⁸ К/сек). Быстрый теплоотвод достигается, если, по крайней мере, один из размеров образца толщина или диаметр, достаточно мал (фольга, лента, проволока). Металлические стекла состоят из ~80% переходных металлов (Cr, Mn, Fe, Co, Ni и др.) или благородных металлов (Au, Ag) и ~20% поливалентных неметаллов (B, C, N, Si, P, Ge и др.), играющих роль стеклообразных элементов. Примером металлических стекол являются бинарные сплавы (Au81Si19, Pd81Si19 и Fe80В20) и псевдобинарные сплавы, состоящие из трех и более компонентов). Металлические стекла - это метастабильные системы, которые кристаллизуются при нагревании до температуры, приблизительно 0,5 температуры плавления.

Металлические стекла по сравнению с кристаллическими металлами более устойчивы в химически агрессивных средах и коррозионностойки, имеют более высокую механическую прочность, являясь пластичными материалами, легко намагничиваются и размагничиваются. Металлические стекла могут применяться в элементах памяти в тех случаях, когда необходима быстрая регистрация и перезапись информации.

3. Керамические материалы представляют собой неорганический материал, получаемый спеканием массы заданного состава из минералов, оксидов, карбидов, нитридов и других компонентов. Любая керамика - многофазный материал, состоящий из кристаллической, аморфной и газовой фазы. Кристаллическая фаза - основа керамики, определяющая основные свойства. Она находится в окружении небольшого количества стеклофазы, на долю которой в основном приходится от 0,5 до 20%. Стекловидная фаза способствует спеканию керамики и повышает ее механические свойства. Кроме того, керамические материалы обладают значительной пористостью (0,3-15%). Керамические материалы получают спеканием порошков минералов и синтетических неорганических веществ. Техническую керамику изготавливают на основе оксидов (алюмосиликатная (основная фаза ), муллитокорундовая (), клиноэкстантитовая (MgSiO3), форстеритовая ()), тугоплавких карбидов элементов IV и VI групп периодической системы, нитридов Si, B, Al и других элементов, силицидов, боридов переходных металлов, галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов и прочих соединений.

4. Керметы - гетерогенные композиции металлов или сплавов с одной или более керамическими фазами. Эти композиции сочетают огнеупорность и твердость керамики с пластичностью, электрической проводимостью и другими свойствами металлов. Металлическая составляющая - Fe, Ni, Co, Cr, W, Ta Mo, Al, Mg и другие металлы, керамическая - тугоплавкие оксиды Al203, BeO, MgO и т.д., карбиды TiC, WC, TaC, бориды, нитриды и другие соединения. Компоненты керметов подбирают таким образом, чтобы они химически не взаимодействовали друг с другом, имели близкие коэффициенты линейного термического расширения и температуры спекания. Прочное сцепление фаз обеспечивается добавлением небольшого количества (до 5%) веществ, которые образуют со всеми веществами композиции химического соединения. Их применяют для изготовления деталей ракетных и реактивных двигателей, металлорежущего инструмента, ядерных, топливных, эмиссионных катодов и т.п.

5. Ситаллы представляют собой поликристаллические материалы, получаемые путем направленной кристаллизации стекол специального состава. Ситаллы сохраняют механическую прочность до гораздо более высоких температур, чем стекло, которое размягчается, как правило, при температуре 773К. Термостойкость ситаллов может достигать 1000К, электроизоляционные свойства превосходят свойства стекол того же химического состава. Технология производства ситаллов включает три основные операции:

- варка стекла, содержащего специальные добавки - катализаторы, в качестве которых используют различные оксиды и соли металлов;

- формирование изделия обычным способом;

- термообработка изделий, приводящая к кристаллизации стекла.

2. Чем отличаются аморфные вещества от кристаллических?

3. Как можно получить металлические стекла?

4. Какие классы стекол различают по типу неорганических соединений?

5. Какие этапы включает технология производства ситаллов?

Лекция №4. Структура металлической поверхности

4.1 Строение металлической поверхности

Идеально чистая (ювенильная) металлическая поверхность, свободная от оксидных пленок и адсорбированных слоев жидкостных и газовых молекул, может быть получена только в глубоком вакууме. Над металлической поверхностью в данном случае существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидающих металл и снова возвращаются в него.

Идеально чистую металлическую поверхность можно получить только в вакууме. Она существует короткие моменты времени в изломе металла или в первые мгновения после его механической обработки. На воздухе металлическая поверхность мгновенно покрывается оксидными пленками, а также слоями адсорбированных молекул воды, газов и жировых веществ. Толщина и последовательность наслоений может быть различной и зависит от состава внешней среды.

Кроме оксидных пленок, металлические поверхности всегда покрыты жировыми, газовыми молекулами и парами воды. Пленка паров воды составляет 50-100 молекул. Жировые слои имеют еще большую толщину. После промывки замасленного металла бензином слой органических молекул составляет 1-5мкм и только при особо тщательной обработке растворителями сохраняется жировая пленка толщиной 10-100 молекул. Органические загрязнения особенно затрудняют сварку давлением, если она осуществляется при комнатной температуре или с небольшим нагревом. Тонкий граничный слой масел, жирных кислот, парафинов, находящихся на металлической поверхности, удерживается на ней адсорбционными силами. В результате хемосорбции достигается относительно прочная связь между молекулами органического вещества и поверхностными атомами металла, а само вещество приобретает упругость твердого тела. Жировые молекулы глубоко проникают во все микротрещины металла и оказывают сильнейшее расклинивающее действие.

Рис. 4.1. Поверхность металла на воздухе:

1 - глубинный слой металла, не затронутый пластическими деформациями; 2 - поверхностный слой полностью разориентированных кристаллитов с прослойками окислов; 3 - оксидный слой; 4 - адсорбированный слой кислородных анионов и нейтральных молекул воздуха; 5 - слой водяных молекул; 6 - слой жировых молекул; 7 - ионизированные пылевые частицы.

4.2 Окисные пленки

При сварке давлением особое значение имеют окисные пленки, так как ржавчину и другие загрязнения предварительно удаляют. Образование окисных пленок начинается с процесса адсорбции. Беспорядочно движущиеся молекулы или атомы газа ударяются о поверхности металла и под действием сил Ван дер Ваальса как бы приклеиваются к ней - начинается физическая адсорбция газа. В результате чего на поверхности металла образуется плотный слой газовых молекул, расстояние между которыми соответствует их расстоянию в жидкости. При наличии в газовой фазе нескольких газов адсорбция идет избирательно - скорее адсорбируется газ с большей температурой кипения. На воздухе это кислород, кипящий при 90⁰К (для азота Т_кип=77⁰К).

Физическая адсорбция характерна для взаимодействия с металлами инертных газов. Молекула кислорода, попадая на металл, как правило, расщепляется на атомы, химически взаимодействующие с металлом и образующие очень прочные направленные связи. Такой процесс называется хемосорбцией, он связан с диссоциацией молекул О₂ и требует некоторой энергии активации. При благоприятных термодинамических условиях хемосорбция сопровождается образованием окисной пленки по реакции:

.

Из-за большого сродства металлов к кислороду растворимость О₂ в металлах невелика.

Тонкие окисные пленки образуются на металлах с большой скоростью даже при низкой температуре. В этих условиях скорость их роста для большинства металлов (Mg, Ti, Zr, Fe, Cu, Ni, Zn, Al и другие) подчиняется логарифмическому закону: увеличение толщины пленки пропорционально логарифму времени. Рост пленки при комнатной температуре сравнительно быстро приостанавливается (у алюминия примерно через месяц при толщине 45). Наращивание окисной пленки всегда идет со стороны границы раздела окисел-газ путем перемещения к ней катионов металла. Скорость этого процесса при низких температурах нельзя объяснить концентрационной диффузией ионов металла через пленку, идущей в этих условиях очень медленно.

Один из механизмов образования тонких окисных пленок (предложенный Кабрера и Моттом) предполагает, что через тонкую хемосорбированную пленку толщиной (рис. 4.2.,а) электроны из металла могут переходить к кислороду, адсорбированному на внешней поверхности пленки. Такой переход, связанный с преодолением потенциального барьера Ф^х на границе металл - окисел, возможен при малой толщине пленки за счет тунельного эффекта (квантово-механического процесса, при котором имеется вероятность преодоления узкого потенциального барьера электронами с низкой энергией). В результате этого на поверхности раздела окисел - газ образуются анионы кислорода и в пленке создается электрическое поле. При ее толщине в несколько десятков ангстрем и разности потенциалов В напряженность поля очень велика. В таком поле создаются условия для интенсивного движения катионов металла через пленку и, как следствие, быстрого наращивания ее толщины даже при температуре, при которой обычная диффузия почти не происходит.

Рис. 4.2. Схема процессов окисления металлов: а - при образовании тонкой пленки (энергетические уровни в металле, его окисле и кислороде после обмена электронов); б - электрохимическая модель процесса при образовании толстой пленки окалины.