реферат по квасу

[111] [100] [ПО]

Рис. 1.13. Ідеальна будова металевої поверхні, орієнтованої по

різних площинах г.ц.к. ґратки:

1 - перший шар атомів; 2 - другий шар атомів

Особливим випадком великокутових границь є двійникові грани­ці. При цьому кристалічні ґратки одного зерна є дзеркальним відо­браженням ґраток іншого зерна (рис.1.14,в).

Двійникові границі утворяться як у процесі росту кристала, так і в процесі пластичної деформації при механічній обробці. Поверхнева енергія двійникових границь значно менша поверхневої енергії зви­чайних границь. Двійники дуже стійкі і навіть при високій температу­рі не завжди зникають.

У процесі обробки металів, особливо високотемпературної, гра­ниці зерен змінюються. При цьому можливі процеси рекристалізації, полігонізації та міграції границь. Полігонізація призводить до утво-44

рення ще одного виду поверхневих дефектів - полігонізаційних гра­ниць. Полігонізація супроводжується чітко вираженою зміною струк­тури. Дислокації, які знаходяться в металі, у процесі відпалу перегру­повуються і частково аннигілюють. Надлишкові дислокації під дією власних полів напружень утворюють "стінки" дислокацій одного зна­ку, тобто дислокаційні чи полігонізаційні границі. Таким чином, під полігонізацією розуміють такий перерозподіл дислокацій, при якому утворюються вільні від дислокацій області кристала, які відділені одна від одної полігонізаційними границями. Швидкість полігонізації кон­тролюється процесом переповзання дислокацій шляхом захоплення або виділення вакансій на краю зайвої напівплощини.

Границя

Зерно 2

Зерно 1

Рис. 1.14. Границі зерен, розорієнтованих під великими (а) і малими (б) кутами та двійникові (в)

В інтервалі температур високої дифузійної рухливості атомів металу відбувається міграція границь кристалітів. Механізм термічно активованої міграції границь полягає в переходах окремих атомів або групи атомів через границю з ґратки одного криста­літа (який зменшується) до ґратки іншого кристаліта (який зростає). Швидкість міграції границь зерен при заданій температурі визнача­ється орієнтацією зерен відносно границі між ними, оскільки саме від цього залежить ширина, структура та енергетична стабільність гра­ниць [27]. Існують інші види поверхневих дефектів, наприклад, дефек­ти упакування, коли спостерігається порушення чергування атомів, характерного для ґратки даного кристала.

Роль дифузійних процесів у зміні геометрії кристалів наочно по­казує зміна поверхні металу. На рис. 1.15 зображено поверхню сплаву Fe-Cr після високотемпературної обробки.

Дифузія атомів при нагріванні призводить до утворення на поверхні маленьких граней, які розпізнаються методами електронної мікроскопії (рис. 1.15). При підвищенні температури грані стають ще більшими.

На рис. 1.15 показано будову та зміну ідеальної металевої поверх­ні. Насправді реальна поверхня твердого тіла залежить від багатьох факторів і перш за все - від способів її обробки.

Технічна поверхня металів і сплавів. Поверхня твердих тіл може бути отримана різними видами обробки і характеризується, в основному, двома факторами: геометричним фактором або рельєфом і фізичним станом.

У машинобудуванні прийнято рельєф поверхні визначати її хвиля­стістю і шорсткістю. Хвилястість характеризує геометрію поверхні в макроскопічному, а шорсткість - мікроскопічному масштабах. Шорст­кість поверхні характеризується класом її чистоти. Максимальна висота мікронерівностей складає при чистовій обробці різцем – 10 мкм, шлі­фуванні - 6,3 мкм, поліруванні - 0,4 мкм. Крок канавок, що залишають­ся різцем при чистовій обробці, звичайно складає 150... 320 мкм.

Шорсткість металевих поверхонь визначають по профілограмах. Наприклад, на рис. 1.16 показано профілограми поверхонь алюмінієвої і сталевої деталей безпосередньо після їх обробки точінням (І) і після деформування мікровиступів притисненням до плитки Йогансона (II).

а б

Рис. 1.16. Профілограми поверхонь алюмінієвої (а) і сталевої {б) деталей

Умовно виділяючи макро- і мікрогеометрію поверхні, її можна представити у вигляді двох кривих: кривої макрогеометрії типу хвилі і частотної кривої шорсткостей, що накладається на криву хвилі (рис. 1.17). Хвилястість та шорсткість поверхонь залежать від способу їх обробки. Поверхня моделюється у вигляді конусів, пірамід або сфе­ричних (еліпсоїдальних) виступів.

Фізичний стан поверхонь твердих тіл характеризується наявністю на них різних забруднень. Ідеально чиста металева поверхня, вільна від оксидних плівок і адсорбованих молекул газу чи рідини, може бу­ти створена тільки в особливих умовах, наприклад, у глибокому ваку­умі. Реальна металева поверхня має різні забруднення, схему розта­шування яких показано на рис. 1.18 [51].

Рис. 1.18. Схема розташування різних забруднень на

металевій поверхні:

А - глибинний шар; Б - приповерхневий шар; В - оксидна

плівка; Г - адсорбований шар газових молекул;

Д - адсорбований шар молекул води; Е - адсорбований шар

жирових молекул; Є - іонізовані пилові частки

Безпосередньо до металевої поверхні прилягає оксидний шар, що зберігає на границі з металом негативний потенціал. Зовнішній шар оксиду є електропозитивним і адсорбує гази, особливо негативні іони кисню. Товщина шарів оксидної плівки та адсорбованих часток може бути різною залежно від умов. При збільшенні витримки металів на повітрі товщина оксидної плівки зростає, досягаючи певної величини, якщо плівка щільна. У цьому випадку спочатку окиснювання металу йде швидко, а при певній товщині оксиду практично закінчується. Ріст оксидної плівки може бути описаний параболічною або логарифміч­ною залежностями:

y" = Kt + A; (1.14)

y = ln(Kt), (1.15)

де у - товщина оксидної плівки; К, А — постійні; t - час окиснювання; п - показник степеня, рівний 2 (парабола) чи 3 (кубічна парабола).

Після утворення первинного шару оксиду подальший його ріст визначається дифузією іонів металу і кисню через цей шар. Наведені вище рівняння (1.14), (1.15) справедливі для окиснювання чистих ме­талів і змінюються при наявності домішок інших елементів.

Якщо відношення об'єму оксиду до об'єму металу, з якого утво­рився оксид, менше одиниці (окиснювання лужних і лужноземельних металів), то оксидний шар пористий, не має захисних властивостей і процес окиснювання в часі описується лінійною залежністю

y = Kt + A. (1.16)

Оксидні плівки, що утворюються при окиснюванні, умовно поді­ляються на тонкі (до 400 А), середні (400...5000 А) та товсті (більш 5000 А). При всіх способах зварювання в твердому стані проводиться зачищення поверхонь, і в момент зварювання на них маються тільки тонкі оксидні плівки. Наприклад, на вуглецевих і нержавіючих сталях при витримці їх протягом декількох днів при кімнатній температурі на повітрі товщина оксидної плівки складає 25... 30 А.

Процес окиснювання металів залежить від температури. Із підви­щенням температури швидкість росту оксидної плівки зростає.

Для процесу зварювання істотне значення має не тільки товщина оксидної плівки, але й її термодинамічні і фізико-механічні властивості.

На якість зварювання впливає також товщина шару адсорбованих забруднень. Навіть ретельна обробка розчинниками не дозволяє ціл­ком видалити масляні плівки, тому що між ними і поверхнею існує електричний зв'язок. Органічні забруднення особливо ускладнюють зварювання в твердому стані, якщо воно здійснюється при кімнатній температурі.

Нерівності поверхонь і наявні на них забруднення перешкоджа­ють утворенню з'єднань і повинні видалятися при зварюванні.

Способи усунення цих перешкод різні для різних способів зварю­вання. Ці перешкоди легко усуваються при зварюванні плавленням. При зварюванні без розплавлення для усунення цих перешкод у біль­шості випадків використовується пластична деформація металу в зоні зварювання під дією певних зусиль, що і поєднує різні способи зварю­вання в групу способів "зварювання тиском".