СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

ОБРАЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО КОНТАКТА ПРИ СВАРКЕ НИКЕЛЯ

Возможность использования построенной модели образования фи­зического контакта для определения оптимальных параметров сварки зависит от того, насколько близки оказываются рассчи­танные и экспериментально наблюдаемые значения.

Площадь физического контакта при различных сочетаниях параметров сварки может быть рассчитана по уравнению (56), если определены значения п, Ек, т). Для этого необходимо иметь данные ползучести соединяемых металлов.

Экспериментальные исследования ползучести никеля НВК (Ni — 99,9%; С — 0,04%; Мп — 0,001 %; Si — 0,003%; А1 — 0,006%, Fe — 0,01%; Си — 0,01%) выполняли на установке А 306.08 (рис. 11) в диапазоне Т — 800ч-1200°С (0,62 ч-0,85Тпл) н р = 0,5 ч-2,0 кгс/мм2 с интервалом 0,25 кгс/мм2 в вакууме —105 мм рт. ст. [108]. Перед испытанием цилиндрические образцы диаметром 18 мм и высотой 25 мм подвергали отжигу при температуре 850г С в течение 45 мин. После отжига исходные образцы имели однородную струк­туру со средним размером зерна 0,15—0,25 мм. Ана­логичный предваритель­ный отжиг никеля выпол­няли при всех последую­щих экспериментах на нем.

Измерение деформации образцов производили по методу ускоренных испы­таний на ползучесть, опи­санному в работе [109].

Схема приспособления Для измерения деформа­ции ползучести приведена иа рис. 12 [110]. Радиа­ционный нагрев образ­цов 6 обеспечивался мо­либденовым экраном 4.

^ целью уменьшения V Рис. 11. Общий вид установки А 306.08

теплоотвода и обеспечения равномерного нагрева по сечению обра­зец изолировали от опорной стойки 3 и фиксатора 9 керамиче­скими втулками 8, молибденовыми стержнями 7 и слюдяными про­кладками 5.

Перемещением подвижного штока 2 гидроцилиндра 1 при на­греве образца создавали зазор между крышкой 10 и неподвижным штоком камеры 13. Крышка от стакана 12, свободно скользящего

по неподвижному штоку камеры, была изолирована керамиче­скими шайбами 11. При этом электрическая цепь, состоящая из сигнальной лампы 15 и источника питания 16, была разомкнута. При достижении заданной температуры к иссле­дуемому образцу прикладывали нагрузку. При перемещении подвижного штока вверх в мо­мент касания крышки дна не­подвижного штока камеры элек­трическая цепь замыкалась, загоралась сигнальная лампоч - Рис. ы. Схема приспособлении и форма ка. Начало отсчета деформации

элементарных микровыступов ДЛЯ ИССЛЄДО - Л 1 А

вания кинетики образования контакта фИКСИрОВЯЛИ ПО ИНДИКЯТОру 14.

Для исключения возможной ошибки за счет деформации фиксатора опорная подставка и крышка были выполнены из молибдена.

Температуру нагрева образца измеряли милливольтметром М-254 класса 0,5 и платино-платинородиевой термопарой, горячий спай которой приваривали к торцу образца. Регулирование тем­пературы осуществляли терморегулятором установки А 306.08. Колебания температуры не превышали ±4° С.

Серия экспериментальных кривых ползучести никеля НВК при сжатии приведена на рис. 13. Коэффициент п, определенный с помощью уравнений (71) и (74) как тангенс угла наклона пря­мых lg є — lg t к оси lg t, при исследуемых температурах и давле­ниях составляет в среднем 0,2. Зная численное значение п в урав­нении (69), можно оценить £к. Для этого необходимо иметь экс­периментальные значения FK(t) при различных значениях темпе­ратуры и давления сварки.

Экспериментальные исследования кинетики образования кон­такта выполняли в диапазоне температур и давлений, который был использован при исследовании ползучести никеля. Для этого два образца, каждый из которых имитировал элементарный микро­выступ (отношение DJhH = 20, что соответствует классу чистоты обработки поверхности V6), в специальном приспособлении (рис. 14) помещали в рабочую камеру, создавали в ней разреже­ние, нагревали до заданной температуры, выдерживали при этой температуре в течение 10 мин и прикладывали расчетное давление Рр, которое определяли как отношение усилия сжатия к F„ (см. рис. 9, б). Момент приложения давления принимали за ноль от­счета длительности процесса. Через фиксированные длительности процесса давление снимали, а нагрев отключали. Охлажденный в вакуумной камере до комнатной температуры образец извлекали

Рнс. 15. Кинетика образования контакта при деформации элементарных микровыступов иикеля НВК: а — Рр = 0,5 кгс/ммг; б — 1,0; в — 1,5; г — 2,0; / — Т — = 1100° С; 2 — 1050; 3 — 1000; 4 — 950; 5 — 900; 6 — 850

и определяли диаметр контакта DK, а после испытания на растя­жение на машине УМР-5 со скоростью 120 мм мин под микроско­пом УИМ-21 определяли площадь контакта. Каждый эксперимент повторяли три раза так, что при определении площади контакта пользовались средним из шести значений, три из которых опреде­ляли непосредственным измерением площади, а три других рассчи­тывали по данным DK.

Результаты экспериментальных исследований показаны на рис. 15.

Для определения значений Ек по уравнению (69) при различ­ных значениях Рр и Рк строили зависимости Т (і) (рис. 16) и находили Т (t0), а значения РК(Р0) определяли по уравнению (65) в предположении, что £к const для достаточно малого Л/. Найденные таким образом значения Ек при различных Рр, но фиксированных Рк в зависимости от времени показаны на рис. 17. Анализ полученных зависимостей показывает, что при любых фик­сированных значениях Рь, £к не зависит от времени. Однако £ь существенно зависит от Рк, и если Рь меняется при изменении 1, то £к [Рк (/)] также будет меняться.

На рис. 18 по данным рис. 17 показан характер зависимости £к(^) при различных Рр в предположении, что Рк — независи-

Т,°С 1100

1000 900 800 700

Зная зависимость ЕК(Р), можно теперь определить зависимость ejp т где Р = Р (/), т. е. зависимость, учитывающую изме­нение энергии активации образования контакта Ек при одновре­менном изменении t и Р (рис. 20). Эти зависимости отражают энергетические условия реального процесса смятия двух элемен­тарных микровыступов при принятых допущениях.

Для объяснения получен­ных результатов целесообразно рассмотреть некоторые особен­ности поведения никеля при ползучести в условиях высо­ких температур. Согласно пред­ставлениям Д. Дорна и Д. Моута [87 ], считают, что при высокотемпературной пластиче­ской деформации чистых метал­лов механизмы с низкой энер­гией активации, такие как про­цесс Пайрлса, пересечение дис­локаций и поперечное сколь­жение (особенно в металлах с высокой энергией дефектов упаковки) протекают без за­держки.

Ж - Фридель [99] для энер­гетических оценок поперечного скольжения г. ц. к. металлов,

с — Р = 0,5 кгс/мма; 6 — 1,0; в — 1,5; г — 2,0; / — 800° С; 2 — 900; 3 — 1000; 4 — 1100; 5 — 1200

имеющих различную энергию дефектов упаковки, предлагает использовать зависимость Стро [111]

р Gb*d і. d у/2 /100.

*** Гб— ТГ / ’ (132)

где G — модуль сдвига;

Ь — модуль вектора Бюргерса; d — ширина дислокации;

Е0 — энергия активации поперечного скольжения при отсут­ствии напряжения.

Оценки по уравнению (132) показывают, что Е0 для меди (энер­гия дефектов упаковки у = 40 эрг/см2; dlb — 10) составляет боль­шую величину, т. е. поперечное скольжение возможно при очень высоких температурах и напряжениях. Для алюминия (у = = 170 эрг/см2; dlb = 1,5), наоборот, Е0 составляет небольшую величину и поперечное скольжение должно протекать даже при комнатной температуре. Экспериментальные исследования под-

6 Э. С. Каракозов 81

тверждают это [112, 113]. Для никеля (v = 150 эрг/см2; d/b =

= 4) при Т ^-800° С (G = 4,95-105 кгс'см2) оценки дают зна­чение £0 — 35 ккал/моль. При росте приложенного в плоскости поперечного скольжения напряжения кажущаяся энергия акти­вации поперечного скольжения линейно уменьшается по закону [76, 771:

£к = £„ — КДЯ, (133)

где V — активационный объем;

ДР — разность между приложенным напряжением и встреч­ным внутренним напряжением.

С учетом возможного уменьшения £0 можно предположить, что представления Д. Дорна и Д. Моута [87 ] о быстром протека­нии поперечного скольжения на этапе первоначального деформи­рования никеля при высоких температурах являются правдопо­добными.

Однако В. И. Шалаев с сотрудниками [1141, исследуя влияние энергии дефектов упаковки на ползучесть металлов с г. ц. к. ре­шеткой, нашли, что никель при ползучести ведет себя так, как металлы с низкой энергией дефектов упаковки. В частности, по­казано, что при Т > 360’ С для никеля у 40 эрг/см2. Это под­тверждают выводы работ, в которых теоретически 1115] и экспе­риментально [115, 116] показано, что при переходе через точку Кюри (выше 360° С) никель должен иметь низкую энергию де­фектов упаковки. Кроме того, в никеле (как и в меди) при отжиге выше 500° С наблюдается много двойников отжига [117, 118]. Поскольку энергия дефектов упаковки пропорциональна удвоен­ной энергии границы двойника, то для никеля при высоких темпе­ратурах она должна быть ниже, чем обычно измеряемая при ком натной температуре, и близка к величине энергии дефектов упа­ковки меди. С учетом этого (у 40 эрг/см2, dib 10) при Т = 800гС (G 4,95 • 10s кгс/см2) расчет по уравнению (70) дает значение £0 73,7 ккал/моль. Заметим, что величина £0 близка

к энергии активации самодиффузии никеля £с, которая различ­ными исследователями [119, 120] оценивается в пределах 63- 70 ккал/моль. Г. Шоск [121 ], анализируя многочисленные данные по ползучести г. ц. к. металлов при высоких температурах (>0,5£,„), приходит к выводу о том, что образование полигональ­ной структуры в металлах при Т > 0,5ТПЛ происходит в резуль­тате переползания дислокаций из их плоскостей скольжения так, что происходит образование границ с малыми углами. Таким обра­зом, доказывается, что возврат при Т > 0,5£пл осуществляется диффузионным путем. По-видимому, для металлов с высокой энергией дефектов упаковки, когда £0 4С £с> предположение о том, что основным механизмом возврата является переползание, вполне приемлемо. Однако у меди вследствие большой ширины дефектов упаковки энергия активации поперечного скольжения суще­ственно выше энергии активации самодиффузии. Поэтому процесс
поперечного скольжения будет определять скорость ползучести до более высоких температур.

Тот факт, что для никеля £0 ^ Ес не позволяет однозначно определить механизм возврата при деформации на стадии неуста­новившейся ползучести. Однако зависимость Ек от Р (см. рис. 18) позволяет предположить, что возврат осуществляется путем по­перечного скольжения- Согласно теории деформационного упроч­нения А. Зегера, основным требованием динамического отдыха (осуществляемого поперечным скольжением) является то, что энергия активации должна существенно зависеть от напряжения.

Образование полигональной структуры на ранних стадиях высокотемпературной ползучести поликристаллического никеля наблюдал П. Гард [1221. А. Зегер [77] считает, что образование такой структуры возможно в результате термически активируе­мого поперечного скольжения.

Таким образом, при деформации элементарных мнкровысту - пов никеля (£0 ^ £0) энергия активации образования контакта по мере развития процесса (при увеличении t) растет ввиду того, что £к уменьшается. При этом температура определяет скорость роста £к, поскольку она же определяет скорость уменьшения Рк. По-видимому, при некоторых значениях t = /0 (в зависимости от значений Т) значения £к достигают максимума, как это следует из уравнения (133) при Р — const. Данный вывод справедлив для металлов, у которых энергия активации поперечного скольжения близка к энергии активации самодиффузии. В тех случаях, когда £0 < £s, энергия активации пластической деформации £к при постоянном напряжении Р по мере развития процесса деформи­рования может увеличиваться ввиду смены механизмов, контро­лирующих пластическую деформацию.

При использовании уравнения (56) необходимо иметь в виду, что оно не учитывает той части площади физического контакта, которая образуется в период активной деформации соединяемых материалов. Кроме того, значение £к в уравнении (56) предста­вляет собой максимальное значение, поскольку при смятии эле­ментарных мнкровыступов давление в контакте уменьшается от некоторой большой величины до расчетного давления сварки £р. Известно, что в период активной деформации срабатывают все низкоэнергетические механизмы пластической деформации. По­этому с момента приложения давления сварки и до момента обра­зования полного физического контакта величина £к непрерывно увеличивается и достигает максимального значения, которое соот­ветствует величине энергии активации ползучести при давлении Ер - Чтобы учесть это обстоятельство, в уравнения (56) и (57) необходимо ввести коэффициент, который уменьшал бы значение Ек. Тогда уравнение (56) примет вид

(134)

где коэффициент к < 1 должен быть определен путем сопоставле­ния величины энергии активации ползучести при давлении Рр с величиной энергии активации процесса, контролирующего обра­зование 80—90% физического контакта. Для этого необходимо выполнить эксперимент по смятию двух элементарных микро­выступов.

Оценки показывают, что при Рр 1,5 кгс/мм2 и Т — 1000° С энергия активации процесса, контролирующего образование 80% физического контакта, составляет 29,5 ккал/моль, а энергия акти­вации ползучести при том же давлении составляет 36,0 ккал/моль. Значение и, следовательно, составляет 0,82. (Значения п и i|, найденные методом наименьших квадратов по данным ползучести, составляют 0,2 и 140 соответственно.) Зная п, т), к и £к, найдем по уравнению (57) расчетные значения длительности /р образова­ния 80% физическою контакта и сопоставим их с эксперименталь­ными значениями t3, которые определим по данным рис. 15. Эти данные приведены в табл. 5.

Анализ этих данных показывает удовлетворительное соответ­ствие экспериментальных и расчетных значений t. Поэтому урав­нение (134) можно использовать на практике для инженерных рас­четов при разработке технологии сварки конкретных изделий. Все неизвестные параметры в уравнении (134) определяются по данным ползучести (кроме х), поэтому появляется возможность существенно снизить объем поисковых экспериментальных иссле­дований и удешевить процесс разработки технологии сварки.

На рис. 21 показаны зависимости £к(е), которые получены на основе экспериментальных зависимостей е (t) и FK(f) (см. рис. 13 и 15).

Анализ этих зависимостей показывает, что в температурном диапазоне 900—1100°С характер ее не зависит от температуры и определяется в основном величиной расчетного давления сварки.

т. e. эффективность использования пластической деформации для достижения фиксированной площади контакта при повышении расчетного давления уменьшается. Объясняется это, по-видимому, тем, что при фиксированных значениях температуры и давления сварки скорость возврата в приконтактном объеме и в теле образца одинакова. Однако скорость деформационного упрочнения в при­контактном объеме существенно выше, чем в теле образца, ввиду того, что в приконтактном объеме выше скорость пластической деформации (выше контактное напряжение). При увеличении рас­четного давления сварки скорость пластической деформации в при­контактном объеме повышается более существенно, чем в объеме образца, поэтому разница между скоростью деформационного упрочнения и скоростью возврата растет. По этой причине эффек­тивность использования пластической деформации с увеличением давления сварки уменьшается.