5 t,MUH

Рис. 1.7. Снижение разности потенциалов {/дэ, возникшей на контакте после ударного сжатия, во времени

Происходит

Для технологов сварочного изэ,мкв производства отмеченные микроэлектрические эффекты существенны, особенно при изучении контактных сопротивлений. Вероятно, существует прямая связь между явлением экзоэлектронной эмиссии и фактом медленного выравнивания разности потенциалов между различно деформированными объемами металла.

Максимум экзоэлектронного выхода наступает через несколько минут после момента пластической деформации. Падение электрического потенциала от максимума до нуля на холодном контакте во времени от момента контактирования также за минуты (рис. L7).

Механическая деформация шероховатостей - это акт некоторой общей для контакта атомно-электронной активации, которая за несколько минут постепенно угасает, создавая равновесную электрическую структуру. Это и фиксируется, в конечном итоге, нулевой разностью потенциалов на холодном контакте. Получается некоторый физический парадокс: механический контакт при своем возникновении оказывается чисто электрическим. Другое дело, что разности потенциалов на нем измеряются микровольтами, что весьма мало по сравнению с теми, что возникают на контакте при прохождении через него сварочного тока. Тем не менее для объяснения электрического пробоя через поверхностные слои на металлических поверхностях в контакте вряд ли следует пренебрегать явлением его своеобразной электризации путем давления. Наиболее достоверно считать, что в плоскости всякого механического контакта в момент его организации за счет энергии пластической деформации образуется структура плазмы, и плазмы безусловно проводящей, если этой проводимости не мешают большие толщины оксидов.

Оксидная пленка на рис. 1.6 показана схематически и увеличенной толщины. Ее сцепление с металлом происходит через промежуточный разориентированный слой оксидно-металлической эвтектики. Наличие такого слоя в плоскости холодного контакта неизбежно при любой толщине оксидной пленки. Рассматривая профилограмму поверхности на рис. 1.4, можно сопоставить относительные размеры пирамид шероховатости и толщины оксидной, оптически прозрачной пленки на пирамидах. Если высота пирамиды приблизительно 50 мкм, а толщина пленки 0,03 мкм, то из рис. 1.4 можно увидеть, что высота пирамиды в тысячи раз больше толщины оксида на ней. Таким образом, макрошлиф реального

холодного контакта свежезачищенных деталей покажет толщину оксидной пленки, разделяющей детали приблизительно такого же размера, как и толщина межкристаллитных границ. Однако структуры этих двух границ категорически различны, так же как различно строение самой пирамиды и внутреннего зерна металла.

Зерна (кристаллиты) составлены из фрагментов, фрагменты - из блоков. Блоки как группа элементарных кристаллов могут быть разориентированы (а не разделены прослойками) относительно друг друга на доли градуса, фрагменты - на несколько градусов. Внутри зерна никаких оксидных загрязнений нет, но зерна отличаются друг от друга не только ориентацией, они отделяются особыми межкристаллитными границами. Эти границы оказываются насыщенными всеми возможными несовершенствами кристаллических решеток. Тем самым межкристаллитные границы представляют собой концентраторы особой энергии, всегда стремящейся к возможной разрядке. Разрядка может происходить в виде высокой химической активности границ по сравнению с серединой зерна.

Общеизвестное явление повышенной скорости травления меж-зеренных границ для сварщиков-технологов должно быть подчеркнуто особенно. Протравленная межзеренная граница своей чернотой создает впечатление полной разобщенности зерен и тем самым якобы подчеркивает полное отсутствие прочностной связи между ними. В действительности между зернами существует сильнейшая металлическая связь. Зерна посредством больших пластических деформаций могут дробиться на множество более мелких, показывая при травлении свои новые границы. Эти границы при последующей рекристаллизации исчезнут в процессе поглощения одного зерна другим. Новые границы снова будут визуально фиксироваться как черные изолирующие прослойки. Однако эти прослойки никогда не вызывают у исследователя сомнений в прочности металла по межзеренным границам, поскольку известно, что во многих случаях здесь оказывается большая прочность, чем в сердцевине зерна.

Некоторые процессы контактной сварки (особенно микросварки) протекают при температурах ниже точки плавления. При этом достигаются высокие прочностные свойства соединений, но в разрезе соединений на макрошлифах также видна протравленная сплошная чернота по плоскости контакта. Вот эта чернота в сваренном контакте почему-то у многих металловедов вызывает подозрение в непроварах. Можно вполне определенно утверждать, что и по плоскости сваренного контакта визуально заметная граница только потому и оказывается заметной, что здесь в процессе сваривания произошла обильная концентрация микродефектов всех родов. Это вызвало активную химическую реакцию травления, что и зафиксировалось черной прослойкой, видимой на ма-крошлнфе.

1.2* Холодный металлический контакт

Вопросами теории холодных контактов металлических поверхностей задолго до сварщиков занимались технологи машиностроения. В этой области накоплен большой опыт, который и следует позаимствовать для контактной сварки, но если речь идет только о холодном контакте, находящемся под статическим давлением.

Показатели шероховатости после различных видов механической обработки поверхностей представлены в табл. 5 приложения. Здесь же даны значения коэффициентов 6 и v, йведенные в практику Н. Б. Демкиным и И. В. Крагельским 13].

Как было ранее обусловлено, шероховатость моделируется в виде пирамид с квадратным основанием. Моделирование такого рода безусловно идеализировано, но без систематизации размеров и форм шероховатостей невозможны никакие расчеты и даже качественные выводы. На основании конкретных значений шероховатости можно сделать вывод, что при всех видах обработки пирамиды представляют собой сильно сплюснутые геометрические фигуры: размеры основания в десятки или сотни раз превышают высоту пирамид. Такая форма выступов определяет разную деформационную картину в зависимости от программы приложения действующего давления и температуры пирамиды.

Для ударного давления плоской пластиной по холодной пирамиде она получает деформацию по схеме рис. 1.3, б. Нагретая целиком под действием статической или медленно изменяющейся силы пирамида деформируется по схеме рис. 1.3, в. Такого рода деформации характерны только для сил, сдавливающих пирамиду от ее вершины точно по оси симметрии. Однако практически почти при всех способах сварки давлением осевое давление сочетается со сдвиговым в какую-либо сторону. Мало того, и чисто осевое давление в свариваемом контакте как в отдельных микропирамидах, так и по всей плоскости контакта всегда завершается сдвиговым эффектом. Как будет показано в дальнейшем, этот эффект является самым главным фактором формирования сварного соединения вообще.

Для равномерной осевой деформации при полном смятии пирамида превращается в параллелепипед. Частичная деформация создает идеализированную усеченную пирамиду. Единичную площадь контакта смятой пирамиды принято обозначать так:

у = АЛ,. (1.1)

В плоскости реального металлического контакта (рис. 1.8) может образоваться п таких площадок. Если считать всеДЛ, одинаковыми, то в сумме они составят так называемую фактическую площадь контакта

АгпААг. (1.2)

Фактическая площадь контакта - это в значительной мере показатель поверхностной шероховатости, но не только. Чис-