f I. ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Техническая поверхность всегда имеет неровности и, как пра­вило, покрыта пленками окислов и других загрязнений. Важно и ні, что кристаллическое строение приповерхностных слоев ме - галла, участвующих в образовании соединения при сварке давле­нием, имеет значительно большее количество дефектов (вакансий, дислокаций и др.), чем глубинные слои.

Величина и характер неровностей на поверхности металли­ческого тела определяются условиями его получения (первичной кристаллизации) и последующей обработки.

Известно, что первичная кристаллизация в зависимости от степени переохлаждения расплава и интенсивности теплоотвода н твердую фазу может сопровождаться или не сопровождаться образованием дендритов. При дендритной кристаллизации поверх­ность тела имеет значительные неровности. Однако и при ее отсут­ствии на поверхности образуются ступеньки высотой в один или несколько атомных слоев с плоскими зародышами нового слоя, отдельными атомами, слабо связанными с кристаллом, и вакан­сиями (рис. 11). Таким образом, естественная поверхность кри­сталла всегда имеет неровности.

Как правило, давлением сваривают детали, сопрягаемые по­верхности которых получены обработкой резанием или давлением (обычно горячей или холодной прокаткой), иногда сопровождае­мой термической обработкой.

Механическая обработка ведет к образованию на поверхности че­редующихся выступов и впадин, высота и шаг которых зависят от способа и режима обработки. Ше­роховатость обработанной поверх­ности характеризуется классом ее чистоты (табл. 5).

Даже на хорошо отполированном теле неровности достигают по высоте 200 атомных слоев, а при чистовой обработке резцом — 40 000 слоев. Шаг канавок, оставляемых резцом, определяется величиной его подачи и геометрически связан с допустимой высотой неровностей. При чистовой обработке резцом этот шаг обычно со­ставляет 150—320 мкм. При царапании поверхности возможны зна­чительно более острые риски.

Геометрия поверхности катаных материалов существенно за­висит от чистоты поверхности прокатных валков. Иногда к чистоте поверхности холоднокатаных материалов предъявляют очень вы­сокие требования, что достигается полированием валков и про­катанных изделий. Обычно поверхность холоднокатаных листов имеет максимальные неровности высотой до 6—10 мкм.

При нагреве кристаллического тела возможно как сглажива­ние имеющихся на нем неровностей, так и образование новых. Дви­жущей силой в этих процессах является поверхностное натяже­ние,’ стремящееся придать телу форму с минимумом свободной энергии поверхности. Из-за анизотропии величины поверхностной энергии (свободная энергия поверхностей, различно ориентиро­ванных по отношению к кристаллографическим осям, неодинакова) ее минимум не совпадаете минимумом поверхности. Поэтому моно­кристалл в форме многогранника с гранями, совпадающими с пло­скостями наиболее плотной упаковки атомов и соответственно ми­нимальной поверхностной энергии, при нагреве (когда атомы при­обретают достаточную диффузионную подвижность) все же не превращается в сферу, имеющую минимальную поверхность при заданном объеме.

Если фактическая поверхность тела не совпадает с одной из плоскостей плотной упаковки атомов, то при достаточном нагреве на ней возможно образование ступенек в один или несколько атом­ных слоев (рис. 12, а). При этом поверхность увеличивается, а ее суммарная свободная энергия, наоборот, уменьшается. Ступеньки на поверхности шлифа (серебро) после нагрева в вакууме видны на рис. 12, б. Стремление к уменьшению свободной энергии СИ - 28

стемы при термическом травлении поликристаллических тел при­водит к образованию канавок вдоль межзеренных границ (рис. 12,г). В результате укорочения границы на величину АВ (рис. 12, е) уменьшается ее свободная энергия в большей степени, чем увели­чивается энергия поверхности при переходе от CAD к CBD. Этот процесс будет идти до тех пор, пока свободная энергия системы не станет минимальной, что произойдет в момент достижения равно­весия сил поверхностного натяжения а10 и о1г. Глубина канавки и угол у определяются отношением энергии границы (Fep) и энер­гии поверхности (Fn).

Поверхность, полученная при первичной кристаллизации, а тем более после механической обработки или прокатки, как пра­вило, имеет неровности, устранение которых ведет к уменьшению свободной энергии. Поэтому при нагреве помимо небольших ис­кажений поверхности происходит ее сглаживание, сопровождаемое уменьшением свободной энергии системы как за счет уменьшения самой поверхности, так и в результате некоторого снижения удель­ной поверхностной энергии. Эти процессы сопровождаются массо - переносом и требуют определенной энергии активации. Их ско­рость быстро растет с повышением температуры.

При мелких частицах чистого металла с сильно развитой по­верхностью сглаживание неровностей может идти с заметной ско­ростью даже при температуре несколько ниже температуры рекри­сталлизации, при которой атомы приобретают значительную диф­фузионную подвижность. Так, Р. И. Гарбер и С. С. Дьяченко по­казали, что дендриты электролитической меди уже при комнатной температуре в вакууме непрерывно изменяют свою форму (рис. 13, а), несмотря на то, что температура рекристаллизации чистой меди близ­ка к 100° С [251.

о)

Рис. 12. Изменение формы поверхности при нагреве в вакууме:

а—образование ступенек; б—ступеньки на серебре после термического травления
(Х500 £157]); в — образование канавки на границе зерна; г —канавка вдоль
межзеренной границы в кремнистом железе

Процесс залечивания царапины иллюстрируется [27 ] на рис. 13, б. Царапину шириной около 1 • 10-4с. м наносили алмазным индентором на полированную поверхность поликристаллической меди. Затем образцы отжигали при температуре 600—950° С в аргоне, водороде или парах меди. Кинетика процесса залечива­ния царапины хорошо согласуется с механизмом массопереноса при поверхностной самсдиффузии.