Многочисленными исследованиями [2, 10, 29, 51, 89 и др.] показано, что при сварке меди со сталью, пайке стали медью и наплавке медных сплавов на сталь в зоне^контактирования обра­зуются трещины, заполненные медью. Трещины эти идут от гра­ницы сплавления в сталь, как правило, по границам зерен (рис. 49). Существуют различные взгляды на механизм образования подоб­ных трещин, однако четкого представления о возникновении и развитии этих трещин не имеется.

Видимо, не вызывает сомнения тот факт, что механизм обра­зования трещин в стали при контакте с жидкой медью в процессе наплавки, сварки или пайки является одним из проявлений меха­низма образования хрупкости в металлах под действием жидких расплавов, изучению которого посвящены работы многих иссле­дователей как в Советском Союзе [6, 41, 54, 84 и др.], так и за рубежом [16, 77, 78, 92 и др.]. При объяснении механизма образо­вания трещин в металлах - под действием жидких расплавов (в том числе жидких металлов), как правило, исходят из теории адсорб­ционного понижения прочности под действием поверхностно­активных сред, высказанной и развитой акад. П. А. Ребиндером и его сотрудниками Е. Д. Щукиным, В. И. Лихтманом и др. Суть теории состоит в том, что в основе изменения механических свойств твердых тел (понижения прочности) под влиянием поверх­ностно-активных веществ лежит снижение свободной поверхност­ной энергии, в результате чего уменьшается работа, необходимая для образования новых поверхностей. Эта теория получила в на­стоящее время всеобщее признание и подробно освещена в ряде основополагающих работ советских и зарубежных ученых [54, 78 и др.].

Детальный механизм проявления эффекта Ребиндера для раз­личных случаев контактирования твердой и жидкой фаз и осо­бенно в процессе наплавки, сварки или пайки в настоящее время изучен недостаточно.

Образование трещин при наплавке меди связано с эффектом адсорбционного понижения прочности стальной поверхности. Этот эффект наблюдается при одно­временном воздействии следую­щих факторов:

1) наличие напряженного состояния растяжения, обеспе­чивающего постепенное разви­тие дефектов [54];

2) наличие жидкого адсорбци­онно-активного слоя, понижаю­щего межфазную поверхностную энергию и имеющего достаточно высокую подвижность и малые размеры частиц для хемосорб­ции на вновь образующихся поверхностях дефектов [54];

3) образование в процессе смачивания на поверхности устойчивых препятствий движе­нию и выходу дислокаций, обус­ловленных большими искаже­ниями в решетке на поверхности подложки, закреплением голов­ных дислокаций путем избира­тельной сегрегации атомов ак­тивного расплава в местах вы­хода дислокаций на поверх­ность раздела и т. д.

В случае наплавки меди имеет место одновременное дей­ствие всех этих трех факторов. С момента начала остывания жидкой меди в стали возникают упруго-пластические деформации растяжения, развивающиеся по мере охлаждения. Величина упру­го-пластической деформации определяется разностью деформации формоизменения и свободной температурной деформации (усадки).

Поверхностная энергия железа в контакте с расплавлен­ным Си снижается почти в два раза. Так, поверхностная энергия границы зерна у— Fe (насыщенного Си и S) при 1105° С составляет aFe--Y/Y ^ 850 эрг! см2, а в контакте с жидкой медью стре-у/си снижается до —430 эрг! см2 [57].

Диаграмма состояния Fe—Си принадлежит к диаграммам простого эвтектического типа без интерметаллических фаз и имеет

узкую, но конечную область растворимости Си и Fe при темпера­туре плавления эвтектики, т. е. является типичной бинарной диа­граммой, для которой характерен эффект адсорбционного пони­жения прочности [54]. Подобный тип диаграммы состояния яв­ляется результатом большого различия металлохимических свойств атомов жидкости и твердой фазы. Эти различия вызывают большие искажения кристаллической решетки в зоне контактирования, способствуют избирательному взаимодействию атомов жидкости с выходящими на поверхность дислокациями, их закреплению и образованию зародышевых трещин. Как уже отмечалось ранее, не только твердая кристаллическая поверхность оказывает воз­действие на структуру жидкости в зоне контакта, но и электрон­ное и кристаллическое строение жидкости (ближний порядок) оказывает сильное воздействие на кристаллическую структуру твердой поверхности.

Возникновение новой атомной конфигурации в поверхностном слое в процессе образования металлической связи (сильная хими­ческая связь) является следствием необходимости установления ориентационного и размерного соответствия. Искажения, вноси­мые при этом в кристаллическую решетку, существенно ниже в случае образования непрерывного ряда твердых растворов или ограниченной, но большой области растворимости, а также в том случае, когда различие металлохимических свойств может приводить к образованию химического соединения. В последнем случае, вследствие возникновения переходной зоны между вновь образуемыми кристаллическими веществами химического соедине­ния и подложкой, происходит своеобразное «сглаживание» гра­ницы в соответствии с требованиями ориентационного и структур­ного соответствия. В связи с этим искажения, возникающие на поверхности, значительно снижаются, а величина потенциаль­ного барьера на границе раздела близка к барьеру, образуемому между атомами с широкой областью растворимости.

Эффект адсорбционного понижения прочности также отсут­ствует при отсутствии смачивания, так как в этом случае на по­верхности препятствия движению и выходу дислокаций не воз­никают в связи с отсутствием образования металлической связи, а следовательно, и с отсутствием сильного воздействия атомов жидкости и твердой поверхности друг на друга.

В процессе адсорбционного разрушения следует различать три стадии: первая стадия — упруго-пластическая деформация, приводящая к возникновению напряжений растяжения и образо­ванию в приповерхностном слое (в области устойчивых препят­ствий) зародышевых трещин и их росту до критических размеров; вторая — выход трещин на поверхность и заполнение вновь образующихся поверхностей атомами расплава; третья — заклю­чительная стадия, приводящая к дальнейшему распространению трещин и их слиянию. Скорость и интенсивность этого процесса
лимитируется скоростью поступления расплава и его количе­ством.

Наиболее важной является первая стадия образования заро­дышевых трещин. Для их образования необходимо наличие устой­чивых препятствий, создающих в процессе деформирования об­ласти локализованного сдвига с высокой концентрацией нормаль­ных и касательных напряжений в области скопления дислокаций перед препятствием.

Возникновение области значительных искажений кристалли­ческой решетки, являющееся результатом определенного типа металлохимической реакции, приводит к созданию в приповерх­ностном слое области устойчивых препятствий для выхода дисло­каций на поверхность. Таким образом, имеет место одновременное действие двух факторов: с одной стороны, понижение поверхност­ной энергии способствует выходу дефектов на поверхность и об­легчает работу поверхностных и приповерхностных источников (эффект пластифицирования) [43, 54], с другой стороны, наличие устойчивых препятствий создает в процессе деформирования об­ласти локализованного сдвига с высокой концентрацией нормаль­ных и касательных напряжений в голове скопления дислокаций перед препятствием и приводит к образованию устойчивых зароды­шевых трещин. Следует отметить, что требуемая величина крити­ческих касательных и нормальных напряжений в нашем случае при использовании высокопрочной стали будет существенно ниже, чем при использовании более пластичного металла.

При выходе трещин в зону контакта с жидким металлом проис­ходит смачивание поверхностей трещин, приводящее к возникнове­нию на них областей искажения решетки, аналогичных искаже­ниям на исходной поверхности. В вершине трещины локальные деформации достигают очень высоких значений и способствуют дальнейшему ее раскрытию уже при более низких значениях каса­тельных и нормальных напряжений вследствие эффекта концентра­ции напряжений. Нетрудно показать, что преимущественными местами образования микротрещин являются наиболее благо­приятно ориентированные по отношению к растягивающим на­пряжениям границы зерен или плоскости спайности [54].

Существует несколько схем и моделей возможных механизмов зарождения трещины в процессе хрупкого разрушения (Мотта— Стро, Фудзиты, Гилмэна и Стро, Инденбома и т. д.).

В нашем случае интерес представляют не столько детали схем образования трещин, сколько природа устойчивых препятствий на поверхности подложки. Энергетический приближенный коли­чественный анализ условия развития равновесной трещины не ограничивается по существу частной моделью и имеет универсаль­ный характер: С = t2S2/Go, где С — длина устойчивой «опасной» трещины, S — размер дефекта (область локализованного сдвига), G — модуль сдвига, а — удельная поверхностная энергия [18, 41 ].

9 А. Е. Вайнерман и др.

Возникновение аналогйчйьй границам Зерен устойчивых пре­пятствий на поверхности, которые образуются в результате опре­деленного типа металлохимической реакции, является самым су-' щественным фактором, отличающим данный эффект от эффекта пластифицирования, т. е., если эффект пластифицирования требует только активации действия приповерхностных источников дисло­каций, то для эффекта адсорбционного понижения прочности необходимо также и скопление дислокаций перед устойчивыми препятствиями. Образовавшаяся трещина при выходе на поверх­ность заполняется расплавом в процессе вязкого растекания (например, Zn + Hg), или преимущественно путем двухмерной миграции (Zn + Ga) [54]. Этому способствует также капилляр­ный эффект (вязкое растекание).