МЕТАЛЛА

Сварка давлением всегда сопровождается пластической дефор­мацией, условия протекания которой связаны с характером и ко­личеством дислокаций, а при повышенных температурах — и с про­зо

Нпчом диффузии, облегчающимся с увеличением в металле числа MUH/HICIlil.

Илошость дислокаций и концентрация вакансий в металле пицц ит от предшествующей его обработки и могут отличаться в по­ні |»Хпостных и глубинных слоях.

В сильно деформированном металле плотность дислокаций р к ют до 1011 1смъ. В результате наклепа повышается свободная «нс и ни металла, например, для меди до 5 • 10~4*Ю11 =*=

!)• Ю7 эрг! см3 или около 10 калі моль, где 5-Ю-4 эрг/см —энер - I пи краевой дислокации длиной I см [83]. Такому увеличению перши соответствует нагрев металла всего на 2—3° С. Только не шачительная часть общей энергии деформирования (табл. 6) (мм меньшая, чем больше степень деформации) накапливается п мпалле, остальная энергия переходит в тепло.

Часть узлов кристаллической решетки, даже в условиях равно­весия системы, всегда остается не занятой. Равновесная концен­трация вакансий определяется из условия минимальной свобод­ной эцергиц системы по уравнению

_f? L

niN =е kT, (7)

где п — число вакансий в единице объема;

N — общее число атомов в том же объеме;

Es — энергия, необходимая для перемещения атома из кри­сталла на его поверхность (что эквивалентно перемеще­нию одной вакансии с поверхности в глубь кристалла); k — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура в °К.

Например, для меди при Т — 1000° К n/iV= 10'5 [157]. При комнатной температуре в меди n/N понижается до 10"и.

Зі

Фактическая концентрация вакансий может существенно отли­чаться от равновесной. Например, при закалке в решетке фикси­руется повышенное количество вакансий, приближающееся к их равновесной концентрации для температуры нагрева. Точечные дефекты и, в частности, вакансии могут образовываться и при плас­тической деформации [82]. Соотношение между числом созданных вакансий С и степенью деформации е еще не установлено. По имею­щимся оценкам С = (1(Г4-ь10-6) є. Таким образом, уже для є = 0,1 количество вакансий, возникающих при пластической деформации, может на несколько порядков превышать их равновесную кон­центрацию при нормальной температуре (для меди ~Ы0-11).

Число вакансий в поверхностных слоях выше, чем в глубине кристалла [22], даже в случае их равновесной концентрации и от­сутствия фрагментирования и искажения кристаллической струк­туры механической обработкой. Это объясняется, в частности, тем, что упругие искажения решетки, вызываемые вакансиями, вблизи поверхности меньше из-за отсутствия упругой среды по одну сторону поверхности.

В приповерхностных слоях возможны отклонения от нормаль­ного периода решетки. Поэтому можно ожидать, что концентрация примесей и растворенных элементов у поверхности окажется выше средней (например, установлена диффузия меди к поверхности серебра чистотой 99,98%; в сплавах Pb—Ві поверхностные слои обогащаются висмутом).

Влияние прокатки на кристаллическое строение металла и его поверхностного слоя зависит от температуры и степени деформа­ции. Наклеп при холодной, а иногда и при горячей прокатке, за­вершаемой примерно при температуре рекристаллизации, приводит к повышению свободной энергии металла. Некоторое влияние на условия сварки давлением, возможно, оказывает текстура ка­таных металлов.

Механическая обработка существенно искажает структуру при­поверхностного слоя. Степень и глубина распространения этих искажений зависят от вида обработки. Обработка резцом сопро­вождается измельчением зерен в приповерхностном слое, накле­пом (и связанными с ним дефектами кристаллического строения) и появлением остаточных напряжений, Например, при точении стали 45 наклеп повышает твердость зерен феррита до 380 кПмм2- Наклеп распространяется на глубину 30—Ъй мкм, а по ферриту —- до 150 мкм. В зависимости от режима точения остаточные напряже­ния на поверхности могут быть растягивающими или сжимающими. Максимальные напряжения (всегда растягивающие) достигают при точении конструкционной стали 40 кГ/мм2, их пик находится на расстоянии 20—40 мкм от поверхности [69].

При шлифовании приповерхностный слой искажается значи­тельно сильнее. При шлифовании меди и железа этот слой пласти­чески деформируется с образованием очень мелких взаимно дезо­

риентированных фрагментов. При послойном стравливании вы­яснилось, что толщина слоя, искажаемого при шлифовании, со­ставляет несколько микрон. Искажения приповерхностного слоя могут заметно влиять на кинетику сглаживания микронеровностей при нагреве. Устойчивость дислокаций в этой области кристалла растет с увеличением их плотности, и в непосредственной близости к дефекту дислокации устойчивы до высоких температур. Я. Е. Ге - гузин отмечает, что возможной причиной тепловой устойчи­вости приповерхностного слоя является частичная разобщенность элементов дисперсной структуры, связанная со скоплением вакан­сий по границам этих элементов или с наличием там же тонких оксидных включений (поскольку шлифование, а также полирова­ние могут сопровождаться частичным окислением приповерхност­ного слоя) [27].

При полировании наблюдается еще большее диспергирование структуры приповерхностного слоя, чем при шлифовании. Это позволило говорить об образовании аморфного слоя (слоя Бейлби) на полированной поверхности.

Важным фактором, могущим непосредственно влиять на ход некоторых процессов сварки давлением, является ускорение диф­фузии и самодиффузии на поверхности и в приповерхностных слоях по сравнению с их скоростью в толще кристалла. Поверхностная диффузия происходит путем перескока атома из одного положения на поверхности металла в другое; при этом диффундирующий атом должен оторваться от поверхности металла (что эквивалентно акту сублимации), а затем как бы конденсироваться на ней в новом положении. Поверхностная диффузия является структурно не­чувствительным свойством металла, зависящим только от проч­ности связи атомов в кристаллической решетке. Энергия активации поверхностной самодиффузии Qlloe приблизительно вдвое меньше, чем объемной диффузии — Qo6 [169].

Например, для серебра Qo6 — 45,9^-49,5 ккаліг-атом при Qnoe — — 20,2 ккаліг-атом, а для а — Ёе соответственно 53,7—77,2 и 30—35 ккал/г-атом.

Таким образом, скорость диффузии, быстро растущая с умень­шением энергии активации, значительно ниже в объеме кристалла, чем на его поверхности.

Так как процессы самодиффузии металлов и, в большинстве случаев, процессы диффузии в них (за исключением диффузии в твердых растворах внедрения, например диффузии углерода в железе) осуществляются по вакансиокному механизму (путем обмена местами атомов с соседними вакансиями), повышенное количество вакансий в приповерхностных слоях металла должно ускорять в них объемную диффузию. Диффузия в приповерхност­ном слое может идти как по зерну, так и по границам зерен. Ее скорость зависит от структуры слоя и связана таким образом, со способом предшествующей обработки поверхности.

З А. С. Гельман

С целью исследования процесса самодиффузии никеля в при­поверхностном слое нихрома на образец с различным состоянием поверхности наносили слой радиоактивного никеля толщиной 1 мкм, дающего мягкое р-излучение [17]. Скорость диффузии оценивали по изменению активности образца после выдержки при темпера­туре 600° С (30—35 ч) или. при 700 и 800° С (20—25 ч). В результате малой проникающей способности p-излучения диффузия радио­активного никеля в глубь металла (по приповерхностному слою) привела к заметному падению активности образца. Энергия акти­вации самодиффузии никеля в приповерхностном слое оказалась значительно ниже, чем в глубине кристалла, причем она суще­ственно зависела от способа обработки поверхности. В условиях опыта в электрополированном образце самодиффузия шла в основ ном по границам зерен, а в шлифованном — практически равно­мерно. Энергия активации самодиффузии никеля в приповерхност­ном слое в зависимости от способа обработки поверхности в кал! г х X атом приведена ниже [17]:

Нормальная объемная диффузия............................................... 65 000

Электрополирование....................... . . 47 000

Отжиг (после электрополирования) 44 600

Шлифование................................................................................ 39 900

Пескоструйная обработка... 38 100

На шлифованном образце толщина слоя с высоким коэффициен­том самодиффузии (соответственно малой энергией активации) не превышала 1—2 мкм. В других опытах [27] толщина приповерх­ностного-слоя с облегченной диффузией, определенная на поли­кристаллах железа, оказалась —0,025—0,25 мкм.

Ускорению диффузии в приповерхностных слоях металла может способствовать наличие остаточных напряжений и в особенности пластическая деформация. Например, энергия активации самодиф­фузии железа при растягивающем напряжении а — 0,3 кГ/мм2 и удлинении 10% снизилась с 69 900 до 46 300 каліг-атом [17].