зования металлических связей по всей площади контакта в резуль­тате возникновения и движения дислокаций: «Свариваемость ме­таллов зависит от их пластичности, определяемой величинами остаточных деформаций (без разрушения) и условиями нагруже­ния, и от сопротивления пластическому деформированию или, по терминологии С. И. Губкина, от технологической деформируемости металлов» [11].

В соответствии с этой гипотезой, названной ее автором дисло­кационной, Е. И. Астров расположил металлы (от свинца до ни­келя, табл. 15) в ряд с постепенно растущими значениями НВ/б, (где НВ — твердость в кГ/мм2 и б — относительное удлинение в % при испытании на растяжение в условиях комнатной темпе­ратуры). С увеличением этого отношения растет emln. Данные в табл. 15 дополнены результатами опытов [33] по сварке карбо­нильного железа, имеющего относительно низкое значение НВ/6 (для низкоуглеродистой стали 4), и ниобия (НВ 77, от = = 20 кГ/мм2, б = 25% и НВ/б = 3,1).

Таблица 15 Значения НВ/б и emin для различных металлов Показа­ тель РЪ Sn Аи Ag AI Си и Cd Zn N1 Fe Nb НВ/6 0,09 0,17 0,36 0,45 0,5 0,8 1,5 1,6 1,53 3,1 emm 17 * 40 20 * * О 1л 61 80 00 00 92 >97 88 * При сварке металлов с очень чистой поверхностью.

Как видно из табл. 15, монотонное повышение ет|п с увеличе­нием НВ/Ь прекращается при переходе к карбонильному железу (несмотря на большую его пластичность, чем у никеля) и в осо­бенности к ниобию, пластичность которого, оцениваемая по HBIб, невелика, а свариваемость не ниже, чем у никеля и цинка.

Возможность холодной сварки в вакууме металлов с суще­ственно отличающимися значениями НВ/Ь (например, алюминия и меди) при близкой величине вт1п [21 ] свидетельствует о том, что отношение НВ/б не определяет их свариваемости. Дислокацион­ная теория исходит из предпосылки о том, что свариваемость металлов зависит только от свойств самих металлов, Это, по-ви - димому, также необоснованно, как и обратное предположение «пленочной» теории об определяющей роди свойств окисных пленок.

В связи с дислокационной теорией интересно изучить влияние свойств металла на условия выравнивания его поверхности (ц об­разования физического контакта) при холодной деформации.

При вдавливании шарика в более мягкий материал одновре­менно со смятием выступов на поверхности происходит общая деформации тела [151] Для изучения условий выравнивания по­верхности при холодной сварке вдавливали стальной шарик диа­метром 19 мм в образцы из различных металлов (меди, алюминия, сплава АМгб, карбонильного железа, стали Ст. З) с предварительно простроганной поверхностью при одинаковой подаче резца [33]. В часть образцов вдавливали шарик после строжки, в остальные — после термической обработки для снятия наклепа. После вдавли­вания шарика до образования лунки диаметром 3—3,2 мм приго­товляли косой шлиф (1 : 5) для измерения деформаций (табл. 16, рис. 37).

	Твердость в кГ/мм2	Высота высту­пов в мкм	Твердость в кГ/мм2	Высота высту­пов в мкм
Металл	основного металла	выступа до деформации	выступа после дефор - ' мации	до деформа­ции Но	после дефор­мации Hi	£ £	основного металла	выступа до деформации	выступа после дефор­мации	до деформа­ции Но	после дефор­мации Hi	о ї а?
ЛД1	21	22	25	60	10	0,17	17	18	24	60	5	Г 0,08
АМгб	108	118	112	120	16	0,13	95	98	110	115	3	0,03
Си	69	98	87	160	64	0,40	62	64	83	150	3	0,02
Ст. З	102	204	252	60	16	0,27	100 1	120	240	60	3	0,05

Таблица 16

Деформация выступов на различных металлах (диаметр отпечатка 3 — 3,2 мм)

НеотожженныЙ металл

Отожженный металл

Упрочнение металла выступов наиболее заметно у стали и меди. По-видимому, это затрудняет деформацию выступов на неотож-

женном материале (для меди и стали Ст. З = 0,4 и 0,27; для

•“О

АД1 и АМгб—0,17 и 0,13). Характерна картина деформаций на стали (рис. 37, в): выступы как бы вдавливаются в основной металл без выравнивания его поверхности.

Влияние рода материала на характер деформации выступов после отжига мало заметно. Однако выравнивание выступов на наклепанном и отожженном металле отличается, что может ча­стично объяснять уменьшение ега1п при холодной сварке накле­панного металла [2]. Тем не менее, нет оснований считать, что условия сглаживания неровностей могут определять поведение различных металлов при холодной сварке.

Итак, ни одна из рассмотренных теорий не дает удовлетвори­тельного объяснения фактов, экспериментально установленных при холодной сварке. Возникает вопрос, достаточно ли для всех металлов образования активных центров в результате движения дислокаций в ходе пластической деформации для схватывания чистых поверхностей, сближенных до физического контакта, или для некоторых металлов (например, железа) из-за резко выражен­ной направленности межатомных связей схватывание возможно только после взаимной подстройки атомов, требующей дополни­тельной термической активизации.

Е. Рабинович и Д. Тэйбор показали, что прижатие пуансона (усилием 4 кГ) со сферическим концом (R = 3,2 мм) к пластинке из этого или другого металла всегда сопровождается схватыванием с переносом металла с пуансона (содержащего радиоактивный изотоп металла) на пластину и обратно [210]. Опыты проводили на воздухе после тщательной очистки поверхности. Как показал расчет, контактное напряжение достигало 130 кГ/мм2 и должно было приводить к местной пластической деформации, по-видимому, достаточной для разрушения тонких окисных пленок. Количество перенесенного металла оценивали по анализу авторадиограмм (рис. 38). Отдельные частицы достигали 104 А в поперечнике. Для всех изученных металлов, в том числе низкоуглеродистой стали (с о. ц. к.-решеткой), меди, платины (г. ц. к.) и кадмия (г. п. у.), количество перенесенного металла имело один порядок (для Сс1 2-Ю-10 г; для. Си 0,5-К)-10 г; для РІА-Ю~10 и для стали 1-Ю 10 г). Его зависимость от типа решетки или степени

направленности связей незамет­на. Железо схватывается так же охотно, как медь, обладаю­щая связями, близкими к сфери­ческой симметрии. И в опыте по холодной сварке карбонильного железа, несмотря на отсутствие прочного соединения, в изломе и на микрошлифе (рис. 39) видны участки схватывания и переноса частиц металла с одной из совместно деформируемых пластинок на другую.

Возможность соединения вхолодную низкоуглеродистой стали с атомночистой поверхно­стью подтвердилась и в опытах Дж. Хема[188]. Цилиндрические образцы с кольцевым надрезом нагревали в вакууме 5 • Ю~10 мм pm. cm. для удаления газов и

очистки электронной бомбардировкой. После охлаждения в ва­кууме образец сначала разрывали (при нагрузке Рраст). а затем через t сек сдавливали с напряжением асж = соТ (где ог — предел текучести). Коэффициент с изменяли в пределах 0,5—1. После сжатия (сопровождаемого частичной сваркой) образец повторно растягивали с измерением разрушающей нагрузки Рраст• Отноше-

р'

ние - рР-с-- может характеризовать способность к схватыванию ме-

”раст

талла с атомночистыми поверхностями (а при малом t возможно и с активными центрами на них, сохранившимися после первич­ного разрыва образца) в условиях незначительной пластической деформации (в опыте со сталью, имевшей 0,18% С, с=0,5 и напря­жение сжатия всего 0,5сг). При25°С upt^.0,1 ■ 10~7мм pm. cm. сек

р‘

р - - = 0,15. Дальнейшее загрязнение поверхности адсорбиро-

Рраст

Опыты [203] показали, что в вакууме ~Ы0'в мм pm. cm. число циклов до разрушения при знакопеременной нагрузке с за­данной амплитудой деформации (мм/мм) для изученных материалов в 1,5 раза выше, чем при испытании на воздухе. Д. Мартин счи­тает, что это связано с частичным завариванием трещин усталости в вакууме во время сжимающего цикла нагружения, особенно заметным у меди, алюминиевого сплава (<т„ = 48,5 кГ/мм2, б =27%) и глубокоаустенитной стали (0,08% С; 25% Сг и 20%

оценить влияние загрязнения и деактивации поверхности по данным этих опытов нельзя.

Д. Мартин предполагает, что постепенное понижение проч­ности соединения связано с нарушением геометрической формы поверхностей излома, затрудняющим сближение до физического контакта. С точки зрения физических основ холодной сварки наиболее существенным в работе [203] является эксперименталь­ное подтверждение возможности холодной сварки железа с атомно­чистыми поверхностями и резкое улучшение свариваемости пла­стическим деформированием аустенитной стали с г. ц. к.-решеткой по сравнению с низкоуглеродистой сталью (о. ц. к.). Возможность схватывания вхолодную, по-видимому, присуща всем металлам. Однако их свариваемость, оцениваемая способностью к образо­ванию прочного соединения, весьма различна. Это можно объяс­нить тем, что для некоторых металлов и сплавов узлы схватывания, образовавшиеся при совместной деформации, после снятия на­грузки, вызывающей эту деформацию, разрушаются. Ф. Боуден и Г. Роу при анализе такого разрушения исходили из модели, в которой сферический выступ радиусом R (рис. 41, а) вдавли­вается усилием Р в пластинку из того же металла с пределом теку­чести аг [173]. В результате пластической деформации в пла­стинке появляется отпечаток, диаметр которого d0 можно найти из соотношения

т

(10)

Далее можно предположить, что на сферическом выступе и пластинке имеются неровности, которые под действием силы Р образуют в отдельных точка? на поверхности отпечатка узлы схватывания. Если эти узлы оказались недостаточно прочными, ТО посде снятия усилия Р в результате упругих деформаций

сферический выступ и отпечаток изменят кривизну так, что их ра­диусы (рис. 41, б) по формуле Герца будут связаны соотношением

1 1 _ 11 Р,,п

т"я - (11)

где Е — модуль упругости.

При этом между выступом и пластинкой появится зазор 'г, на расстоянии х от оси выступа равный:

Если по Д. Тэйбору допустить, что данный металл в узле схватывания может растянуться без разрушения на zKp, то радиус окружности хКр, в пределах которой возможно для этого металла сохранение неразрушенных узлов схватывания после снятия Р, определится из формулы

Таким образом, узлы схватывания могут разрушаться (за пре­делами х > хкр) в результате деформаций, возникающих после снятия внешней нагрузки. С. В. Айнбиндер с сотрудниками [31, рассматривая процессы холодной сварки с учетом этих явлений, отмечают влияние запаса упругой энергии, накапливаемой в де­формируемом образце, на условия сохранения узлов схватыва­ния после снятия нагрузки. С уменьшением толщины материала холодная сварка облегчается 16]. Роль остаточных напряжений убедительно подтверждается в процессе так называемой «груше­видной» холодной сварки [99], при которой форма соединения, по существу, исключает возможность его разрупгения после сня­тия сварочного усилия; этот процесс позволяет сваривать сталь без особых затруднений.

В действительности при сварке имеется не один, а много вы­ступов, вдавливание которых можно представить схемой на рис. 41, в. Вероятность получения прочного соединения по всей поверхности должна увеличиваться при уменьшении расстояния 2а между соседними выступами (если а <Схкр, то всегда z < zKp и узлы схватывания после снятия нагрузки не должны разруша­тся) и при увеличении zKp.

Выполнение первого условия связано с технологией сварки. Величину а можно уменьшить лучшим выравниванием поверхно­сти за счет увеличения степени деформации. Величина zKp в основ­ном зависит от свойств свариваемого металла. Очевидно, что суб­микроскопические узлы схватывания в соединении могут чере­доваться с соизмеримыми с ними несваренными участками, яв­ляющимися острыми концентраторами остаточных напряжений, возникающих при снятии нагрузки Эро создает опасность хруп - 70

кою разрушения, вероятность которого увеличивается из-за наклепа в зоне сварки. Поэтому чем более склонен материал к хрупкому разрушению, тем меньше zKp и хКр и, как следствие, тем больше должно быть emln, обеспечивающее неравенство а ^ хКр.

Склонность к хрупкому разрушению можно характеризовать температурой хладнохрупкости: чем она выше, тем вероятнее хрупкое разрушение материала, и как следствие, тем труднее должна быть его холодная сварка.

Изложенная рабочая гипотеза позволяет объяснить: а) почему холодная сварка перлитной стали, армко-железа и очень пластич­ного карбонильного железа затруднена: нелегированный феррит имеет относительно высокую температуру хладнохрупкости (даже для карбонильного железа около —40° С); б) почему холодная сварка глубокоаустенитной стали, несмотря на высокую степень легирования, легче, чем перлитной; она остается чистоаустенитной при значительной деформации и пластична вплоть до 20е К; в) по­чему алюминий, медь, золото, серебро хорошо свариваются в холод­ную: они пластичны практически до Г К; хорошо свариваемый вхолодную ниобий высокой чистоты пластичен почти до 20е К [1331;

г) почему легирование (в частности, алюминия) повышает етШ: оно ведет к охрупчиванию сплава; однако при сварке с подо­гревом до Трекр (см. рис. 28) єга1п для Д16 приближается к emln для алюминия — при таком нагреве уменьшаются остаточ­ные напряжения и материал становится менее хрупким [33].

Таким образом, свариваемость (при холодной сварке) можно связать с пластичностью материала, однако не с его технологиче­ской пластичностью, оцениваемой удлинением при комнатной тем­пературе [11], а со склонностью к хрупкому разрушению в не­благоприятных условиях (при остром надрезе и наклепе).

По современным представлениям склонность к хрупкому раз­рушению металла тем больше, чем выше напряжение (crs.„), необходимое для движения в нем дислокаций. При большом <т5. „ велика вероятность разрушения до начала пластической дефор­мации, т. е. хрупкого разрушения. Напряжение cs. „ можно рас­сматривать как сумму [143]:

<*s. п = о, і + 2а„р + сгл, (14)

где о„ — напряжение, необходимое для перемещения единичной дислокации в кристалле, свободном от других дефектов строения (так называемое напряжение Пайерлса);

Ео„р — напряжение, необходимое для преодоления сил тормо­жения движения дислокации, создаваемых концентри­рующимися у дислокации примесными атомами внедре­ния (облаком Котрелла);

ол — сопротивление движению дислокации, связанное с тор­мозящим действием других дислокаций (параллельных, пересекающихся), имеющихся в металле.

В кристаллах с преобладанием направленных связей о6. „ быстро растет с понижением температуры. Этим объясняется хладнохрупкость некоторых металлов, особенно резко выявляю­щаяся у переходных металлов с о. ц. к.-решеткой, для которых доля жестко направленных d-орбит в образовании связей наиболее велика (до 0,9 [143]). Наличие в металле примесей внедрения всегда затрудняет пластическую деформацию (растет 2о„р) и также повышает склонность к хрупкому разрушению. Сравни­тельная роль направленности связей и примесей внедрения для металлов с о. ц. к.-решеткой пока не определена [147]. Легирова­ние может двояко влиять на <rs. „, во-первых, может изменяться а„ (как увеличиваться, так и уменьшаться ) и, во-вторых, из-за дополнительных препятствий может возрасти ал. Например, леги­рование железа, как правило, повышает температуру хладно- хрупкости перлитных сталей. Однако введение 3—5% Ni резко ее понижает [55].

По изложенной рабочей гипотезе, которую можно назвать деформационной, степень пластической деформации emln, даю­щей прочное соединение при холодной сварке на воздухе и харак­теризующей свариваемость металлов (сплавов) при этом процессе, должна быть, во-первых, не меньше є', достаточной для освобож­дения соединяемых поверхностей от окисных пленок и образо­вания между чистыми поверхностями узлов схватывания, и, во - вторых, не меньше є", необходимой для сохранения узлов схва­тывания после снятия внешней нагрузки. Для высокопластич­ных материалов є' > є" и emln — е' — условия их холодной сварки определяются, в первом приближении, свойствами окис - ной пленки; для менее пластичных металлов є' < є" и егаШ = е" — условия холодной сварки в основном определяются свойствами (хрупкостью) самого металла.

Остается неясным, почему для высокопластичных металлов в вакууме уже при є ^ 10% достигается физический контакт, обеспечивающий получение прочного соединения, а для трудпо - свариваемых материалов образование такого контакта (т. е. а <ІХкр) требует намного большей деформации, тем более что, как показало изучение самих деформаций (см. рис. 37), их характер мало зависит от рода деформируемого материала. Возможно, что в первом случае прочное соединение достигается без полной его физической сплошности.

В кажущемся противоречии с изложенным находятся также некоторые результаты опытов по влиянию легирования. Очевидно, что для высокопластичного металла, для которого е"< в', не­большое легирование, хотя и повышающее в", еще не может из­менить знака неравенства и должно сохраняться соотношение 8mtn = є'. Однако в опытах по сварке медных [130] и алюминие­вых сплавов [1321 не выявлен горизонтальный участок на кривых emm = / (я%) при степени легирования (а%), близкой к нулю. 72

Наличие такого участка обнаружено при обработке данных В. Гофмана и Я. Кирша, полученных при холодной сварке встык серебра с различной присадкой меди (см., рис. 32, б) [190]. До Ы0_3% Си минимальная деформация в плоскости соедине­ния (гст), достаточная для возникновения сварного соединения, оставалась постоянной (30—33%). При <з>1-10_3% величина гст быстро росла и начинала действовать зависимость ест = г". По-видимому, гст = 30% соответствует условиям разрушения окисной пленки на серебре и является минимальной при холодной сварке на воздухе серебра и его сплавов. Экстраполяция кривой ест = / (о) до а = 0 должна определить в точке А минимальное значение ест (—10%) для сварки в вакууме нелегированного серебра с чистой поверхностью. К сожалению, нет эксперимен­тальных данных, подтверждающих это предположение.

Из выдвинутых представлений вытекает одно бесспорное следствие: нельзя установить зависимость свариваемости любых металлов и сплавов (при холодной сварке на воздухе) от какого - либо свойства, единого для всех материалов.

Следует подчеркнуть, что связь условий холодной сварки с хладнохрупкостью материала носит в основном феноменологи­ческий характер и ее следует рассматривать лишь как рабочую гипотезу. Для более полного вскрытия физической природы про­цесса холодной сварки и его зависимости от строения свариваемого металла необходимы дальнейшие исследования.