ПРИ Р, Т,А, t-ПРОЦЕССАХ

Поверхность твердого тела после любой технологической обра­ботки шероховатая (см. § 1, гл. II). Сближение соединяемых по­верхностей до образования между ними физического контакта при сварке с кратковременным нагревом (Р, Т-процессы) дости­гается в основном за счет пластической деформации, которая может идти при любых температуре и скорости (меньшей скорости
распространения звука в металле). При этом выравнивание даже относительно небольших поверхностных выступов невозможно без значительной общей пластической деформации, распространя­ющейся в глубь тела (см. § 3 гл. III). В условиях Р, Т, A, f-npo - цессов, когда стремятся осуществить сварку с минимальной макро - пластической деформацией и в связи с этим применяют низкие давления, выравнивание поверхности может идти в результате двух родственных процессов, протекающих одновременно, но с раз­личными скоростями: ползучести и спекания.

Эти процессы, в частности, обличаются тем, что ползучесть вызывается напряжениями от внешней нагрузки, а спекание воз­можно и без такой нагрузки. Его движущая сила — стремление системы к состоянию с минимальной свободной энергией (за счет уменьшения поверхностной энергии). Роль ползучести и спекания в сглаживании поверхности и образовании соединения может су­щественно зависеть от рода свариваемого металла и от условий сварки (температуры и давления).

Некоторые исследователи исходят из предположения, что вы­равнивание поверхности при диффузионной сварке целиком опре­деляется процессом ползучести, скорость которого резко возра­стает с повышением давления и температуры [1621. При темпера­туре, превышающей температуру начала рекристаллизации, ско­рость ползучести (в установившейся ее стадии).

(52)

где В — постоянная величина;

р — действующее напряжение;

Е — энергия активации ползучести;

пг — показатель степени, обычно равный 4—5.

Предложены [162] две схемы расчета длительности сглажи­вания неровностей исходя из предположения, что оно связано с ползучестью. По первой схеме сглаживание происходит путем выпрямления волны микронеровностей под действием напряже­ния т, развивающегося в контакте (рис. 160, а). Это напряжение связано сложной зависимостью с действующим в контакте нор­мальным напряжением р, которая в работе [162] не раскрыта.

При этом для выступа, который условно принимается треуголь­ной формы (рис. 160, б), средняя скорость сглаживания (скорость относительной деформации растяжения) равна:

неровностей параболического сечения достаточна осадка выступа на величину, меньшую половины его высоты.

Скорость деформации прямоугольного бруска (рис. 160, г) на жестком основании можно, пренебрегая трением, выразить как

_ dx 1

Ve dt h0 — x

Уже отмечалось, что сглаживание выступов за счет пластиче­ской деформации сопровождается значительной общей деформа­цией тела. При этом допущение о жесткости основания (под высту­пами) неприемлемо. Оно вызывает меньшие возражения, когда процесс сглаживания контролируется ползучестью, скорость ко­торой резко падает с уменьшением напряжения р [см. форму­лу (52)]. Действительно, сечение выступа у основания относи­тельно велико, а развивающиеся здесь напряжения малы; поэтому скорость ползучести в основании выступа также очень мала. Так, по данным работы [84], на армко-железе и стали 20 при высоте микровыступов —6 мкм для достижения физического контакта, определяемого прекращением преимущественной деформации в при­поверхностной зоне толщиной 100 мкм, при Т = 1100° С, р — = 1 кГ/мм2 и t ~ 1,5 мин требовалась деформация порядка 7% (т. е. на 7 мкм), а в прилегающих к ней слоях металла всего на 1 %. Однако такой критерий физического контакта даже при отсутствии несплошностей, обнаруживаемых металлографически, вряд ли яв­ляется надежным.

Приравнивание ve и v по формулам (57) и (52) дает

<5«>

где щ — скорость ползучести по формуле (52).

Вводится понятие: коэффициент полноты р — отношение пло­щади параболического микровыступа высотой h0 с основанием 10 к площади соответствующего прямоугольника (h0l0).

h

Время сглаживания параболического выступа до h = -£- будет равно:

й = Ап ехр. (60)

В последнем уравнении р0 — среднее удельное давление, от­несенное к общей площади соединения. Изменение площади факти - 248
чесного контакта и действующего в нем давления по мере сглажи­вания выступов учитывается множителем Ат. Значения р, опре­деленные по профилограммам, рассчитанные по ним величины с, а также расчетные значения Ат при различной чистоте обработки поверхности приведены в табл. 36. Значения А и Ат очень близки; таким образом, оба варианта расчета приводят к приблизительно одинаковым результатам. По-видимому, схема со смятием микро­неровностей лучше отражает физические процессы, протекающие при выравнивании поверхности, тем более, что возможное в кон­такте напряжение т (см. рис. 160, а) не равно приложенному давлению р.

Исходное уравнение (52) справедливо для второй стадии пол­зучести, когда процесс идет с постоянной скоростью, в то время как при начальном смятии макровыступов должна играть суще­ственную роль первая стадия ползучести, скорость которой зна­чительно больше.

Из анализа приведенных формул вытекает, что если сглажива­ние неровностей контролируется ползучестью, будет справедливо следующее:

1. Повышение класса обработки поверхности должно суще­ственно ускорять ее выравнивание (например, переход от точения к грубому шлифованию уже должен сократить время сглажива­ния приблизительно в 4 раза).

2. Увеличение давления р0 должно резко ускорять сглажива­ние — увеличение р0 вдвое уже при m = 4 должно уменьшить /ф в 16 раз, а при m = 5 — в 32 раза.

3. Повышение температуры должно оказывать решающее влия­ние на кинетику сглаживания поверхности.

Рассмотрим выравнивание поверхностных неровностей с учетом процесса спекания. Под действием давления р между нагретыми деталями в отдельных точках образуются более или менее много­численные микроконтакты. Суммарная площадь этих контактов (на 1 см2 поверхности) пропорциональна р и зависит от темпера­туры и механических свойств металла. Очевидно, что с повыше­нием класса чистоты обработки, при одинаковой суммарной пло­щади образующихся контактов, их количество будет увеличи­ваться, а среднее расстояние между соседними контактами умень­шаться. Площадь каждого микроконтакта в процессе спекания будет расти. Одновременно идущий процесс ползучести приведет к появлению дополнительных микроконтактов и, как следствие, новых очагов спекания.

Механизм спекания и его кинетику обычно изучают на простей­ших моделях. Одна из них — модель Кучинского со спеканием про­волоки диаметром 2а с пластинкой (рис. 161, а) — используется для экспериментального определения зависимости Ж = / (/)• Вы­двигался ряд гипотез для объяснения механизма спекания, свя­зывающих этот процесс: а) с вязким или пластическим течением

249

металла (под действием сил поверхностного натяжения, стремя­щихся придать поре между спекаемыми частицами форму с мини­мальной поверхностью); б) с испарением и конденсацией (атомы относительно легко испаряются на выпуклой поверхности частицы и конденсируются в вогнутой «горловине»); в) с поверхностной диффузией в «горловину» и г) с объемной диффузией [47].

На основании анализа данных по энергии активации процессов спекания различных металлов Р. Бернард считает твердо установ­ленным, что главным механизмом спекания является диффузия и в первую очередь объемная, т. е. индивидуальный переход ато­мов из одного положения в другое [169]. Перенос атомов боль­шими группами, сопровождающий вязкое или пластическое тече­ние, по-видимому, не играет существенной роли при спекании.

В «горловине» существует избыточная концентрация вакансий, что способствует диффузии в нее атомов. В опыте А. Кучинского, 250

описанном Дж. Нортоном в работе [207], дано прямое эксперимен­тальное подтверждение этого. В опыте использовали проволоку из сплава, представляющего собой твердый раствор замещения предельной концентрации (при комнатной температуре), в котором растворенный элемент обладает большей скоростью диффузии, чем растворитель. После спекания и охлаждения до комнатной темпера­туры в «горловине» была обнаружена вторая фаза. Диффузия из­быточных вакансий в глубь металла привела к преимущественной диффузии атомов растворенного вещества к поверхности; твердый раствор здесь при комнатной температуре оказался пересыщен­ным, и из него выпала вторая фаза. Очевидно, что любой процесс, связанный с переносом больших объемов металла, не мог привести (< его сегрегации.

Р. Бернард считает, что в первой стадии спекания, когда идут процессы адгезии и увеличения сечения «горловины», решающее значение имеет объемная самодиффузия, а в конечной стадии при устранении изолированных пор (а в условиях диффузионной сварки — микронесплошностей) основная роль принадлежит диф­фузии по границам зерен [169]. Роль границ при спекании под­тверждается, в частности, тем, что как только изолированная пора попадает внутрь зерна и перестает сообщаться с его грани­цей, дальнейшее уменьшение ее размеров резко замедляется или приостанавливается. Тщательное определение энергии активации процесса залечивания поры, пересекаемой границей зерна, пока­зало, что эта энергия соответствует процессу поверхностной диф­фузии. В опытах [165] показано, как медленно перемещающаяся при рекристаллизации граница зерна (рис. 161, б) как бы раство­ряет мелкие поры на своем пути (начальное положение границ показано пунктиром, направление движения — стрелками).

Поскольку кинетика спекания определяется диффузионными процессами, энергия активации которых относительно мало за­висит от давления (во всяком случае при малых давлениях и от­сутствии существенных пластических деформаций), внешнее давле­ние не должно сильно влиять на скорость спекания.

Вернемся к процессу выравнивания неровностей при диффу­зионной сварке. Если исходить из предположения, что этот про­цесс в основном определяется спеканием, а ползучесть имеет зна­чение главным образом при образовании начальных микроконтак­тов, то длительность сглаживания поверхности должна была бы подчиняться следующим зависимостям:

1. Повышение класса обработки поверхности должно ускорять процесс ее выравнивания вследствие некоторого уменьшения сред­него расстояния между отдельными микроконтактами, образую­щимися под действием давления р. Однако в связи с тем, что с улуч­шением качества обработки шаг микронеровностей уменьшается относительно медленно (растет отношение шага к высоте вы­ступа, см. табл. 36), а между числом микроконтактов и шагом

поверхностных неровностей, по-видимому, нет прямой пропор­циональности, это ускорение не может быть особенно резким.

2. Увеличение давления р должно влиять на процесс выравни­вания поверхности в основном в той степени, в какой оно сказы­вается на размерах и особенно на количестве образующихся микро­контактов, являющихся центрами для последующего развития процесса спекания. Если суммарная площадь этих контактов про­порциональна р, то их количество N — А0рк, где k — показатель, меньший единицы, и Л о — постоянная, зависящая от темпера­туры, механических свойств металла и шероховатости поверх­ности. Можно ожидать, что время выравнивания и достижения физического контакта, в том случае если в этом процессе доми­нирующее значение действительно имеет спекание, будет обратно пропорционально р.

Ключ к определению главного механизма выравнивания микро­выступов при диффузионной сварке может дать изучение особен­ностей кинетики образования соединения (см. § 4) и в первую очередь влияния на нее шероховатости поверхности и давления. Энергия активации как процесса ползучести, так и спекания (в его основной стадии) равна энергии активации самодиффузии, и, как следствие, влияние температуры на скорость обоих процессов должно быть практически одинаковым.

В условиях диффузионной сварки разноименных металлов вы­равнивание поверхности и образование физического контакта при преобладающем значении процесса ползучести будет определяться соотношением механических свойств этих металлов и в первую оче­редь их сопротивлением ползучести. В предельном случае, когда в принятом для сварки диапазоне температуры и давления один из соединяемых металлов можно считать абсолютно не деформи­руемым (скорость ползучести V — 0), для достижения физического контакта за счет ползучести мягкий металл должен заполнить все неровности на поверхности более твердого. Если принять, что класс обработки поверхности у обоих металлов был одинако­вым, то условная чистота поверхности для деформируемого мяг­кого металла как бы уменьшится вдвое, а необходимое по расчету время образования физического контакта возрастет в 4 раза (по сравнению с расчетным для двух деталей из одинакового, мяг­кого металла).

Если при сварке разноименных металлов преобладает процесс спекания, то кинетика образования физического контакта может зависеть не только от механических свойств соединяемых метал­лов, но и от их природы. В частности, способность металлов к обра­зованию твердых растворов облегчает их спекание вследствие до­полнительного выигрыша в величине свободной энергии системы, связанного с ее уменьшением при образовании твердого раствора. В то же время спекание готовых твердых растворов, как правило, более затруднено, чем чистых металлов.