Ищемої рим несколько идеализированных случаев; в первом в > пич дна монокристалла (Л и В) одного и того же вещества, без цч|іемон кристаллического строения, с одинаково ориентирован­ными іфіісіаллографическими осями и с абсолютно ровными и чи ' іымп поверхностями CD и EF (рис. 5, а) сближаются в вакууме мк, что атомы :>а этих поверхностях располагаются точно друг

против друга.

В твердом теле, так же как в жидкости, имеется поверхностное натяжение, вызываемое тем, что атомы, находящиеся на поверхно­сти, окружены меньшим числом соседей, чем атомы, лежащие вну­три тела. Поэтому поверхностные

•и N

в) Рис. 5. Идеализированные схемы схва­тывания:

а — монокристаллов одинакового вещества с полной когерентностью поверх пости; б — то же, со смещением кристаллографи­ческих осей на величину Л; в—разноимен­ных веществ с образованием полукоге - рентвой границы

атомы обладают некоторым избытком свободной энергии, которая составляет на единицу поверхности величину Fn, зависящую ь от рода вещества, температуры и окружающей среды.

Вернемся к монокристаллам А и В. Сначала допустим, что на их поверхности нет так называемых активных центров [113, 122]. Это значит, что поверхностные атомы, так же как атомы, рас­положенные внутри тела, не возбуждены. При сближении таких монокристаллов между ними возникнут силы межмолекулярного притяжения Р„р — силы Ван дер Ваальса (рис. 6, а), и дальней­шее их сближение под действием этих сил пойдет самопроизвольно. На некотором расстоянии начнется перекрытие стабильных элек­тронных оболочек поверхностных атомов и появятся быстрорасту­щие силы отталкивания (Рот). При г > а (а — период решетки) результирующая сила Рв = РПр — Рот станет равной нулю. По­тенциальная энергия системы изменяется по кривой I (рис. 6, б). Ее минимум соответствует г — гв, а величина Ев равна энергии вандерваальсовской связи, которая, как отмечалось выше, неве­лика. Всегда Ев < 2Еп. При г = гв образуется физический кон­такт между сближаемыми поверхностями.

Предположим теперь, что тем или иным способом (см. § 3) на поверхностях CD и EF созданы активные центры. Для этого по­требуется энергия активации Еа (см. рис. 6, б). При сближении таких монокристаллов в условиях, обеспечивающих сохранение активных центров, на расстояние, соизмеримое с периодом ре­шетки а, будут действовать значительные силы межатомного при­тяжения, вызываемые обменными процессами между внешними электронами возбужденных поверхностных атомов. В результате такого взаимодействия (химического по природе) образуются энер­гетически устойчивые конфигурации электронов, присущие невоз­бужденным атомам внутри тела. При г — а граница раздела между А и В исчезает и два монокристалла объединяются в один — про­исходит их схватывание (сварка), а потенциальная энергия си­стемы достигает минимума £mln (см. кривую II на рис. 6, б). Этот минимум соответствует равновесию системы, которая термодина­мически всегда стремится к состоянию с минимальной свободной энергией. Энергия Етin равна свободной энергии 2Fn двух исче­зающих поверхностей раздела. Высвобождаемая энергия 2Fn мо­жет частично пойти на нагрев поверхностных атомов, а частично распространиться внутрь кристалла в виде упругой волны, энер­гия которой быстро рассеивается в объеме тела без заметного ло­кального повышения температуры. Распределение энергии 2Fn между поверхностными и глубинными слоями неизвестно.

Если создание активных центров на поверхности сближаемых тел идет одновременно с процессом их сближения до физического контакта, то при г > г0 потенциальная энергия изменяется по кривой I (см. рнс. 6, б), а при г <[ г0 — по кривой II и образова­ние активных центров потребует энергии активации Еа < Еа. 12

Что произойдет в результате сближения двух идеальных моно - |рпс галлов, но с узлами решетки, взаимно смещенными на вели­чину А (см. рис. 5, б)? При относительно большом расстоянии г (п и.'шдсрваальсовской области) результирующая сила Рв (см. рік. (», я) не будет зависеть от смещения А. При активированной пппорхпостн и дальнейшем уменьшении г принципиально воз­можны дни случая: если преобладают ненаправленные связи со фсричіткоГі симметрией, то поля поверхностных атомов (напря­мі р, (»' и //) ш рекроются вне зависимости от А и для осуществления ( к ни і І. НС. НІ ни не потребуется какой-либо подстройки атомов на кои пік і пруюіцих поверхностях. В результате схватывания сме - Щічіиис монокристаллы объединятся с образованием границы, на коїорой правильное кристаллическое строение нарушится. Созда - ПІН і. жоп границы потребует затраты энергии Fep, связанной і упругим искажением решетки. Однако величина Егр значи - itvii по мепыпе, чем 2F„, и процесс схватывания термодинамически ш'роиіеп, так как он ведет к уменьшению свободной энергии на "" пічниу

І їли же н кристалле преобладают направленные ковалентные ними (как, например, во многих переходных металлах [143]), то ноля поверхностных атомов К и L перекроются только при их смен и пни в положения К.' и L' на рас-

міянш из равновесного состояния. Но поіребует дополнительной энергии лк і пнации Еа, по-видимому, меньшей, чем основная энергия активации поверх­ности Еа. Энергия Еа относительно ма - ли потому, что смещение р. трмов на - g-

мс связано с актами диффузии или раз­рыва существующих связей в кристал­лической решетке.

Перейдем теперь к анализу термо­динамических условий для идеализиро­ванного случая схватывания двух поли­кристаллов одного и того же вещества с ровными (в пределах, допустимых рас­положением поверхностных атомов в узлах решетки) и атомночистыми по­верхностями.

В процессе соединения, для чего тре­буется образование активных центре®, а при жестко направленных связях — и взаимная подстройка атомов на кон­
тактирующих поверх­ностях, исчезнут две поверхности раздела с высвобождением энергии 2Fn и образо­ванием границы меж­ду зернами с различ­но ориентированными кристаллографиче­скими осями. Вблизи такой границы, как правило, имеются уп­ругие искажения ре­шетки в узкой при­граничной области шириной в несколько атомных слоев, свя­занные с затратой энергии 77,,,. Термоди­намически схватывание (сварка) поликристаллов возможно в том случае, если оно приведет к уменьшению свободной энергии си­стемы, т. е.

(рис. 7) с шагом D = - Ц - (а — период решетки).

Энергия малоугольной границы изменяется почти пропорцио­нально числу дислокаций на единицу ее длины, и, как следствие,

0

она растет с увеличением отношения б— (рис. 8), где 0max coot-

ветствует максимуму Fep, равному для олова 12,2°, для свинца 25,7° и для кремнистого железа 26, 6—29,8е [102].

Образование малоугольной границы между идеальными кри­сталлами не связано с массопереносом и поэтому не требует допол­нительной энергии активации (по сравнению с рассмотренными выше случаями соединения монокристаллов с направленными и ненаправленными связями, но при 0 = 0).

Нет общепризнанной теории строения большеугольной гра­ницы зерна [ 102]. Моттом высказано предположение, что на такой границе заштрихованные когерентные участки (участки со строгой

ІІІ. ІІІМНОЙ ориентировкой уз­лов решетки по обе стороны пт границы) чередуются с не - мн орентными (рис. 9,а). Мож­но представить себе границу с двухмерным строением (рис. У, б), при котором струк- lyplILH несоответствие между двум»! кристаллами оказы - п пі і си минимальным. По Ь Чалмерсу, такую границу нгеїди можно провести так,

•но межатомные расстояния не будут сильно отличаться III величины, ТИПИЧНОЙ для дислокации [157] Энергия ее обрактппня практически нс Иннин г от степени рторнси | іпровкії, ЧТО ІІОДПіерЖДНеТСЯ

їли болыних ЧШЧСНІІІіО ІКС - шріїмеїпалі. по (см, рис. 8).

U ыбл. 2 принедеиы дан­ные по свободной энергии попер хвое in F, і, границы зер­на / п при большой разори - ініпровке ІМ7І и вычислен - ш, и по ним шачепия AF = 2Fn—Fep. Для металлов (вероятно, и дли любых поликристаллических материалов) Fep - Д 2Fn. Для мемллов Fep ^ (0,12^-0,20) 2F„, вследствие чего схватывание (спарка) поликристалловодноименных металлов всегда сопровож­дается значительным уменьшением свободной энергии системы и является экзотермическим процессом, выгодным в термодинами­ческом отношении. Образование сложной двухмерной границы юриа связано с перегруппировкой атомов в поверхностных слоях. Этот процесс требует некоторой энергии активации.

Таблица 2 Свободная энергия поверхности и границы зерна в эрг/см2 Металл Температура в °С Поверхность Граница Fгр дВ = 2К„_Вгр Си 850 1650 650 2650 а—Fe 1100 1950 790 3110 у—Fe Т 1100 — 850 — Sn 213 685 160 1210 Ag 750 1310 460 2160 Аи 850 1480 370 2590 15

Как изменятся термодинамические условия схватывания (свар­ки) при переходе от соединения идеальных кристаллов одного и того же вещества к соединению таких же кристаллов разноимен­ных веществ? Следует иметь в виду, что термодинамические сообра­жения определяют лишь направление возможных процессов, но не позволяют оценить их скорость (кинетику), зависящую от необ­ходимой энергии активации (см. § 3). Рассмотрим только факторы, влияющие на соотношение величин в уравнении (1). Начнем с ана­лиза размерного фактора, т. е. несоответствия периодов кристал­лической решетки. Пусть в простейшем случае два идеальных, одинаково ориентированных монокристалла металлов М и N с пе­риодами решетки ах и а2 сблизятся до расстояния г

(см. рис. 5, в) при одновременном создании на контактирующих поверхностях активных центров. Если произойдет схватывание, то между этими кристаллами образуется так называемая полуко- герентная граница, на которой возникнут краевые дислокации s с шагом

Энергия упруюго искажения решетки дислокацией длиной 1 см равна [83]

(3)

где р, — модуль упругости;

у — коэффициент Пуассона;

Ь — вектор Бюргерса '^в рассматриваемом случае Ь ^

^ ai - f - fls

~~ 2 )'

г і — радиус распространения упругой деформации (гг =

— ci-°2 .

2(02 — at) ) ’

г0 — радиус центра дислокации.

Количество дислокаций на 1 см длины границы

(4)

а энергия, на 1 см2 границы, вызванная дислокациями,

Для границы меди (at = 3,61 А) и алюминия (a2 = 4.04А) при а2 ^ 1,12 аг АРгр ^ 100 эрг/см2. С увеличением размерного не­соответствия растет л, но вследствие одновременного уменьше­ния г 1 энергия AF гр изменяется мало. Полученное значение AFsp невелико по сравнению с 2Fn (для меди 3300 эрг! см2) и существенно 16

Ч> ' сЧ 1 гочкн зрения термодинамики способность к схватыванию, (нырке) разноименных металлов должна увеличиваться, если они (при гемнературе опыта) взаимно растворимы или дают устойчи - ньн* химические соединения, так как образование твердых раство­рим н новых фаз всегда сопровождается уменьшением свободной •мері ни системы, а следовательно, увеличением AF в уравнении (1). 11рн этом можно предположить, что степень взаимной раствори­мости металлов мало влияет на процесс схватывания, так как при «нырке без расплавления взаимное растворение ограничивается приповерхностными слоями атомов, в которых в результате повы­шенного количества дефектов кристаллического строения, осо - бенно вакансий, создаются более благоприятные условия для растворения инородных атомов, чем внутри тела. Сварка давлением разноименных металлов облегчается с по­нижением статистического веса и энергетической устойчивости стабильных электронных конфигураций атомов соединяемых ме­таллов, а также при увеличении вероятности образования ста­бильных конфигураций и их энергетической устойчивости в ре­зультате сварки [124]. Если при схватывании разноименных мате­риалов в результате электронного обмена между атомами соеди­няемых металлов повышаются статистический вес и устойчивость электронных конфигураций, то такой процесс идет с выигрышем энергии и его реализация термодинамически наиболее вероятна. Поясним это на примере сварш^ехадла-с его нитридами,

По Г. В. Самсонову и др., изолированный атом азота, имеющий конфигурацию валентных электронов s2p3, благодаря s —» р-пере - ходу может приобретать в твердом теле «реконфигурацию, которая в нитриде переходных металлов преобразуется в очень стабильную «реконфигурацию с передачей одного электрона в коллективизиро­ванное состояние [124]. Поэтому при образовании нитрида переходного металла статистический вес нелокализованных элек­тродов повышается, а стабильных конфигураций, образуемых ло­кализованными электронами, относительно уменьшается. При кон­такте металла с его нитридом процессы схватывания (и последую­щей диффузии) должны привести к электронным обменам, по­вышающим статистический вес стабильных конфигураций и умень­шающим свободную энергию системы.

Например, все атомы карбонитрида бора (BNC) имеют высокий статистический вес стабильных «реконфигураций, поэтому до­биться его соединения с металлом, по-видимому, невозможно, так как любой электронный обмен между BNC и металлом приведет только к понижению статистического веса стабильных электрон­ных конфигураций. В BNC атом азота sp4 приобретает «реконфи­гурацию, отдавая один электрон бору с доведением его конфигу­рации из sp2 до sp3, а углерод с конфигурацией свободного ато­ма s2p2 приобретает в кристалле «реконфигурацию благодаря s —» р-переходу.

Уменьшение свободной энергии системы при схватывании за счет высвобождения поверхностной энергии 2Fn, вероятно, может перекрыть некоторое повышение энергии приграничных атомных слоев, вступивших в химическое взаимодействие. Трудности, встре­тившиеся при попытке сварки BNC с металлами [124], могут быть связаны и с тем, что даже при температуре, близкой к Тплав ме­талла, не удается создать активные центры на поверхности исклю­чительно тугоплавкого карбонитрида бора.

Из изложенного следует, что по крайней мере для металлов процесс схватывания, как правило, сопровождается уменьшением свободной энергии системы и термодинамически выгоден. Однако принципиальная возможность схватывания тех или иных металлов еще не означает, что всегда можно получить их работоспособное сварное соединение. Из-за недостаточной технологической проч­ности, связанной с большими остаточными напряжениями, хруп­костью и другими причинами, соединение, полученное в резуль­тате схватывания, после изменения внешних условий (остывания, снятия давления) может разрушиться. Поэтому целесообразно разграничить два понятия — схватывание как процесс образова­ния связи между твердыми телами, т. е. первичный акт сварки, и сварка как процесс получения прочного соединения.

Следует подчеркнуть, что для сварки в твердом состоянии ме­таллов, кроме теории, исходящей из необходимости создания на соединяемых поверхностях активных центров, развиваемой 18

II. Н. Рыкалиным, М. X. Шоршоровым, Ю. Л. Красулиным и др. [122] и поддерживаемой Г. Д. Никифоровым, В. В. Дьяченко, Б. Д. Орловым и др. [109], существует и точка зрения, по которой атомы металла, расположенные на идеально чистой поверхности, всегда обладают достаточной активностью для образования новых связей. По этим представлениям, поддерживаемым С. Б. Айнбин - дером [2], Ю. В. Грдиной и В. В. Неверовым [52] и ранее — автором [28], при сближении идеальных монокристаллов метал­лов с атомночистыми поверхностями и одинаковой ориентировкой кристаллографических осей (см. рис. 5, а) силы Ван дер Ваальса монотонно перейдут в межатомное притяжение. При этом сварка осуществится спонтанно и не потребует энергии активации. Од­нако при несовпадении кристаллографических осей и неровной поверхности, что соответствует реальным условиям, для осуще­ствления сварки необходима некоторая активация поверхностных атомов, обеспечивающая взаимную их подстройку (см. рис. 5,6)

■ ' обрыва существующих связей.

Таким образом, обе теории (первая, требующая и для металлов со «Дания активных центров с частичным обрывом связей, и вторая, допускающая в идеальном случае возможность образования новой межатомной связи без дополнительной активации), несмотря на принципиальное отличие их исходных положений, в конечном счете дают близкие результаты. В дальнейшем мы будем исходить н і теории, предусматривающей необходимость создания активных центров, как более общей и распространяющейся на сварку в твер­дой фазе любых кристаллических тел. [1]

стадии химического взаимодействия. В реальных процессах сварки давлением образование физического контакта и химическое взаимо­действие во времени строго не разграничены и частично перекры­ваются, так как еще задолго до завершения процесса образования контакта по всей соединяемой поверхности на отдельных уже сбли­женных ее участках становится возможным химическое взаимо­действие.

Скорость образования связей в основном зависит от скорости создания активных центров на сближаемых поверхностях. При наличии активных центров на металле время их непосредственного химического взаимодействия (образования связи) мало и практи­ческого значения не имеет [76]. Таким образом, если атомы уже сближены до расстояния, равного периоду решетки (для чего тре­буется преодоление потенциального барьера высотой Еа, см. рис. 6) то образование связи между ними произойдет мгновенно и с выде­лением энергии.

Образование активных центров обусловлено разрывом хотя бы части связей поверхностных атомов с их соседями, нарушающим стабильные электронные конфигурации этих атомов. Разрушение связей возможно: а) механически при удалении с поверхности части самого металла (обнажение так называемых ювенильных поверхностей) или химически связанного с ним инородного веще­ства (например, окислов); при движении дислокаций, сопровожда­ющем пластическую деформацию; б) термически при нагреве, со­провождаемом заметной диффузией и самодиффузией, движением вакансий и другими процессами, изменяющими положение атомов в кристаллической решетке; в) бомбардировкой поверхности ионами или быстродвижущимйся частицами с достаточно высокой энергией.

Если после создания активного центра условия, необходимые для поддержания его в возбужденном состоянии, перестают дей­ствовать (например, прекращается движение дислокации), то в ре­зультате обменного взаимодействия с соседними атомами возбу­жденные атомы возвратятся в нормальное, неактивное состояние — система релаксирует. Продолжительность процесса релаксации различна в зависимости от природы вещества, состояния его по­верхности, температуры и других факторов.

При сварке давлением наибольшее практическое значение имеет образование активных центров при пластической деформации (с на­гревом или без нагрева). Дислокация в А (см. рис. 4) может пере­мещаться при пластической деформации под действием напряже­ний т, а также без приложения внешнего усилия за счет диффу­зионных процессов при достаточном нагреве. Необходимая для этого энергия активации соответствует энергии активации само - диффузии. В месте выхода краевой дислокации на поверхность тела при ее перемещении на величину а один из атомов на поверх­ности отрывается от чцсти своих ближайших соседей и переходит 20

її новое положение. Такой переход сопровождается возбуждением самого атома и группы его близлежащих соседей — создается активный центр. При выходе дислокации на параллельную ей поверхность образуется уступ (см. рис. 4) с созданием вдоль него ряда активных центров.

Плотность дислокаций (их число, приходящееся на 1 см2) в за­висимости от степени наклепа обычно достигает в металлах 106— К)" 1 /см2. При пластической деформации возникают все новые дис­локации.

Роль дислокационного механизма в образовании активных цен - Ч'он и в осуществлении сварки давлением наглядно показана 1> И. Костецким и И. П. Ивженко [811 и подробно исследована Ю Л. Красулиным и др. [88]. В частности, в работе [88] при і пирке давлением (сжатием пуансоном 1 на воздухе) монокристалла кремния 3 с алюминиевой проволокой 2 (рис. 10) было показано, чи* прочное соединение образовывалось там, где в результате по­явления достаточных касательных напряжений т развивалась су - щсстненнан пластическая деформация в приповерхностных слоях, сопровождаемая движением большого числа дислокаций. Стравли­вание алюминиевой проволоки после свар­ки и последующее травление кремния, вы­являющее ямки в местах выхода дислока­ции, показало полное совпадение мест м, юсового выхода дислокаций с участками прочного соединения. В этой же работе уі іаповлено, что дислокации, имевшиеся и мечалле до начала совместной деформа­ция в ходе сварки, не влияли на процесс образования соединения. Это свидетель - ( жует о ранее завершающейся деактива­ции мест выхода этих дислокаций на по­верхность.

В работе [87] после стравливания алю­миния со сваренного образца было уста­новлено, что контуры узлов схватывания (активных центров) на поверхности крем­ния точно соответствуют по форме ямкам травления и имеют в поперечнике около 3 мкм. При плотности дислокаций в крем­нии порядка 107 11см2 в диаметре актив­ного центра 3 мкм общая площадь активных центров достигает 70% площади соедине­ния. В результате обеспечивается высокая степень их совпадения на соединяемых поверхностях, без чего образование проч­ной связи, по-видимому, невозможно. Из этой же работы следует еще один гтринци-

пиально важный вывод. Если бы активными были только атомы, расположенные в центре дислокаций, то при их плотности 1071/слг2 и общем числе атомов на поверхности порядка 1014 11смъ вероят­ность совпадения активных центров на соединяемых поверхностях была бы ничтожной и даже в гипотетическом случае их полного совпадения прочность полученного соединения была бы исчезающе малой. Фактически в реакции взаимодействия участвуют все атомы, расположенные в зоне заметного упругого искажения решетки вокруг центра дислокации. Возможно, что образование связей, начинающееся в центре дислокации, продолжается далее как «цеп­ная реакция» [130], поддерживаемая высвобождаемой поверхно­стной энергией, суммирующейся с энергией упругого искажения. Там, где последняя становится недостаточной (за пределами зоны заметного упругого искажения), процесс приостанавливается.

Совместная деформация при сварке металлов, и в частности металлов с одинаковыми или близкими физико механическими свойствами, сопровождается движением дислокаций одновременно на обеих соединяемых поверхностях, что повышает вероятность «встречи» активных центров на этих поверхностях. Однако и в этом случае трудно объяснить активацию всей или почти всей поверх­ности за счет дислокаций, не прибегая к модели активного центра как достаточно протяженной области упругого искажения решетки. Можно было бы предположить, что повышения энергии поверх­ностного атома уже достаточно для приобретения им необходимой активности. Если бы это было так, то подтвердилось бы представ­ление о том, что при сварке металлов необходима только энергия' активации для «подстройки» взаимодействующих атомов, а обрыв имеющихся связей необязателен.

В любом реальном металле имеются значительные искажения решетки, в частности, вблизи «старых» дислокаций, несмотря на то, что в результате миграции примесных атомов и других причин высокие исходные напряжения здесь существенно снижаются. Как указывалось выше, «старые» дислокации не являются актив­ными центрами [88]. Однако экспериментального доказательства того, что для сварки металлов, тем более при атомночистых по­верхностях, необходима активация с обязательным разрывом су­ществующих связей, пока пет.

Условия образования и релаксации активных центров на де­формируемой поверхности кристаллического тела можно иллю­стрировать эффектом Крамера [199]. При пластической дефор­мации и в течение нескольких часов после ее прекращения наблю­дается облегченная эмиссия электронов (экзоэлектронная эмиссия) с обработанной поверхности, свидетельствующая об ее активации. Нагрев повышает интенсивность такой эмиссии, но ускоряет релак­сацию.

А. Мелека и В. Барр установили связь эффекта Крамера с дис­локациями [204]. Деформированный образец из монокристалла 22

цинка покрывали чувствительной эмульсией, на которой после часовой экспозиции места потемнения, соответствующие участкам экзоэлектронной эмиссии, совпадали с зонами выхода на поверх­ность дислокаций (с линиями скольжения при большой деформа­ции или с ямками травления при малой). Экзоэлектронная эмиссия п характерное для нее последействие, вызываемые пластической деформацией, связываются не с процессами, протекающими в ме­талле, а с изменениями в поверхностных пленках окислов [110].

11ет данных, указывающих на наличие и длительность эффекта Крамера на металле с атомночистой поверхностью, но вряд ли иремя релаксации в этом случае соизмеримо с общей продолжи - п'лыюстью сварочных процессов.

Сваривая кремний с алюминием, Ю. Л. Красулин показал, что ці же при окисной пленке толщиной до 2000 А возможно их соеди­ните. Предполагается, что активация поверхности пленки А1203 сопровождается разрушением одной из связей атома кислорода с алюминием. Перенос (трансляция) освободившейся связи на крем­ний ведет к образованию соединения А1—О — Si через атом кислорода. Дислокации, возникающие в алюминии, пробивают голстую пленку. Механизм этого явления неясен, так как теоре - шчески показано, что твердые пленки отталкивают дислокации, цшжущиеся в мягких металлах (алюминии, цинке) [147].

Кинетика образования связей между сближенными поверх­ностями определяется кинетикой образования активных центров, ывисящей от способа активации. Если это дислокационный про­цесс, идущий под действием внешних сил, то его кинетика будет н основної^ определяться скоростью деформирования. Она может быть очень высокой, достигающей при сварке взрывом скорости шука в металле, и, как следствие, скорость сварки будет также очень велика.

Если же активные центры образуются путем термической ак - твации, то количество связей, создающихся на поверхности 1 смг, подчиняется закону

Е'ЛЕ'а

N = Ctxe~ ** , (6)

где С — постоянная, связанная с частотой колебаний атомов;

Еа -f - Еа — энергия активации, необходимая для возбужде­ния и приведения в требуемое положение атомов на поверхности (при ненаправленных связях Еа 0); k — постоянная Больцмана;

Т — температура в °К; tx — время.

Прочное соединение, по-видимому, уже получается при образовании связи между 70—90% атомов на соединяемых

поверхностях [122]. Необходимое для этого время tx в условиях термической активации быстро растет с понижением темпера­туры и с увеличением энергии активации. Процесс химического взаимодействия можно рассматривать (по Ю. Л. Красулину) как состоящий из двух стадий: зарождения активных центров и рас­пространения связей по всей активной зоне. Общая продолжи­тельность этих стадий равна tx.

Чисто дислокационный механизм активации осуществляется при низких температурах и возможен только для пластичных ме­таллов. При высоких температурах термическая активация может иметь большее или меньшее значение в зависимости от степени и скорости пластической деформации.

Особый интерес представляет сварка разнородных металлов с резко отличающимися свойствами. Для образования связей не­обходимо, чтобы активные центры образовались на поверхности обоих металлов. Представим себе сварку давлением металлов с резко отличающейся жаропрочностью. Под действием внешней силы в контактах между ними возникнут большие напряжения смятия и начнется пластическая деформация, сопровождаемая движением дислокаций, образованием активных центров и связей. По мере увеличения площади контакта напряжения в нем будут падать и деформация более жаропрочного металла может приоста­новиться. Однако вследствие термической активации образование связей будет продолжаться, хотя и с незначительной скоростью. Можно представить себе и такой случай, когда различие в свой­ствах свариваемых металлов будет столь велико, что даже при температуре, близкой к точке плавления менее жаропрочного ме­талла, в более жаропрочном не возникнет заметного количества активных центров. При этом сварка в твердом состоянии может стать практически неосуществимой.