Файл: Биметаллические трубы..pdf

металлов с физическими процессами, протекающими на границе ме­ таллов.

При видимой простоте процесса механизм образования сварного соединения при пластическом деформировании в действительности достаточно сложен.

Длительное время природа образования прочных связей между двумя ранее разобщенными поверхностями была предметом присталь­ ного внимания ученых, причиной долгих споров. Этот вопрос и до настоящего времени остается недостаточно ясным.

Был высказан ряд гипотез, которые с различной степенью досто­ верности описывают процесс и механизм образования соединения в твердой фазе. В основу одной из гипотез, так называемой пленочной J26 ф, положено предположение, что для возникновения сил взаимо­ действия между сближенными поверхностями двух тел необходимо очистить эти поверхности от окисных и жировых пленок, адсорби­ рованных на них, и что соединение чистых поверхностей тел происхо­ дит в результате течения поверхностных слоев металла при совмест­ ном пластическом деформировании.

Основой рекристаллизационной гипотезы [271 является представ­ ление о рекристаллизации как об основном факторе, определяющем образование соединения в твердой фазе. По этой гипотезе деформация и сопутствующий ей наклеп металла при одновременном воздействии относительно высоких температур приводят к перестройке атомов в кристаллических решетках соединяемых тел и к образованию на их границах новых зерен, одновременно принадлежащих обоим телам.

В соответствии с диффузионной гипотезой в основе образования связей между контактирующими поверхностями лежат процессы взаимного диффузионного перемещения атомов в глубь соединяемых тел 1281;

Энергетическая гипотеза [29] предполагает способность к схва­ тыванию реального поликристаллического металла, атомы которого обладают энергией выше энергетического порога схватывания, ха­ рактерного для данного металла. Активизация атомов поверхност­ ных слоев металла происходит за счет сообщения им дополнительной энергии в тепловой, механической или других_фо^шах.,

Современная физика рассматривает любой металл как совокуп­ ность положительно заряженных ионов и большого числа свободных электронов, находящихся в постоянном взаимодействии одновре­ менно со многими ионами. Это взаимодействие «облака» коллективи­ зированных электронов с ионами решетки и определяет цельность металлического тела.

При определенных условиях такие же силы могут возникнуть и между поверхностями двух соединяемых металлических тел. При их сближении на очень малые расстояния, соизмеримые с парамет­ рами кристаллической решетки, тела начинают обмениваться свобод­ ными электронами, которые при этом пролетают через поверхность раздела. В результате такого обмена образуется общее облако коллек­

60

тепловые колебания с большей или меньшей амплитудой, атомы могут не вернуться к своим прежним центрам колебаний. Такое пере­ мещение атомов, превышающее средние межатомные расстояния, называют диффузией. При повышении температуры диффузия уско­ ряется вследствие увеличения амплитуды колебания атомов кристал­ лической решетки.

Так как границы зерен имеют большое количество несовершенств кристаллической решетки, диффузия по границам зерен происходит с большей скоростью. В поверхностном слое металлов наблюдается большая плотность искажений, что обусловливает протекание по­ верхностной диффузии, скорость которой больше скорости гранич­ ной диффузии.

Существует несколько схем, объясняющих механизм диффузии. Наибольшее совпадение теоретических и экспериментальных данных получено для механизма, основанного на принципе последователь­ ного замещения вакантных узлов в решетке. Это представление выдвинуто А. Ф. Иоффе [ЗОІи успешно развито Я- И. Френкелем [31 ]. При вакансионном механизме диффузии атом, находящийся в узле кристаллической решетки, может перейти в соседний узел при усло­ вии, что это место свободно (вакантно). Для этого диффундирующему атому в результате термической активации необходимо преодолеть потенциальный барьер между узлами. Энергию активации диффузии Q рассматривают как сумму энергий активации образования Qo6 и

в кристаллической решетке вакансий. Реальные металлы содержат большое количество линейных несовершенств — дислокаций. Ско­ рость диффузии по дислокационному ядру зависит от величины век­ тора Бюргерса. Дислокации, генерируемые внутри металлов, яв­ ляются термодинамически неустойчивыми дефектами и стремятся выйти на свободную поверхность. Выход дислокации на поверхность сопровождается появлением ступеньки сдвига. С увеличением внеш­ ней нагрузки количество дислокаций, вышедших на поверхность, растет, одновременно увеличивается высота ступеньки сдвига на обеих контактирующих поверхностях. Границы зерен также имеют значительное количество несовершенств кристаллического строения. Поэтому энергия активации диффузии по границам зерен и поверх­ ностной миграции атомов значительно ниже энергии активации объемной диффузии.

Таким образом, в отношении ускорения диффузионных процессов значительный интерес представляет создание неравновесных дефек­ тов в структуре при пластической деформации.

В процессе пластической деформации создается избыточная кон­ центрация вакансий, ускоряющая диффузию. Для получения соеди­ нения двух идеальных образцов необходимо сблизить свариваемые поверхности на расстояние, достаточное для установления металли­ ческих связей.

61

Однако идеальных поверхностей не существует, а реальные ме­ таллические поверхности никогда не бывают гладкими и всегда по­ крыты пленками окислов и адсорбированных газов. Поверхность любого, даже тщательно отполированного твердого тела всегда волниста, шероховата и покрыта множеством микроскопических выступов. Горяче- и холоднодеформированные трубы имеют еще продольную волнистость, располагающуюся по винту с большим и малым шагом, овальность сечения и разностенность поперечную

ипродольную. Кроме них, на поверхности труб имеются дефекты

ввиде вмятин, рисок, обусловленных способом производства. Все эти искажения являются макронеровностями.

Вместе с тем на поверхности труб, как и на поверхности 'любого металла, находится значительное количество микронеровностей.

Даже при механической обработке поверхностей, вплоть до поли­ ровки, высота выступов превышает 10 нм (100 Â). Поэтому при сбли­ жении таких поверхностей их начальное соприкосновение происхо­ дит по отдельным точкам, расположенным на гребнях волнистости (рис. 12). Контакт при этом имеет прерывистый характер. Площадь касания невелика, диаметр пятна касания микровыступов достигает 30—50 мкм и зависит от свойств металла, чистоты обработки, уси­ лия нагружения и др.

Обычно различают номинальную площадь касания 'F„, очерчен­ ную внешними границами соприкасающихся поверхностей, контур­ ную площадь соприкосновения FK, являющуюся суммой площадок, расположенных на гребнях волнистостей, на которых находятся точки физического контакта поверхностей (микровыступы) и, нако­ нец, физическую площадь контакта представляющую собой сово­ купность элементарных площадок касания вошедших в контакт микровыступов.

Таким образом, даже при значительном числе одновременно вошедших в контакт микровыступов суммарная фактическая площадь

62

При этом, если даже возникнут локальные очаги схватывания с до­ статочной прочностью, прочность всего соединения в целом будет намного меньше прочности исходных материалов. Прочность изде­ лия, достаточная для эксплуатации, может быть достигнута в том случае, когда по всей номинальной площади произойдет сварка, т. е.

сварка есть сумма схватываний при 5 >FH. В пределе прочность сварки стремится к прочности менее прочного металла композиции при одинаковых условиях испытаний.

Установлено [32, 33], что по мере увеличения нагрузки растет общее количество пятен контакта и размер каждого из них. Размер отдельного пятна увеличивается лишь в области малых нагрузок, а при повышении нагрузки площадь касания возрастает в основном за счет увеличения числа пятен при сохранении их размера, т. е. начинают входить в контакт выпуклости и вогнутости, связанные

собщей волнистостью поверхности. Образование площади контакта связано с пластической деформацией выступов.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что для получения прочной сварки двух металлов необходима тщатель­ ная очистка контактных поверхностей от адсорбированных ими ве­ ществ и окисных пленок и обеспечение контакта этих поверхностей

смаксимальным увеличением площади фактического контакта, т. е. до величины его номинальной площади.

Первое условие может быть выполнено применением различных видов обработки (механической, химической, электрохимической) контактных поверхностей труб в процессе их подготовки к состав­ лению в пары.

Второе — путем проведения операции сочленения (волочение,, проталкивание, раздача, холодная прокатка, запрессовка), в про­ цессе которой воздух вытесняется из межслойного зазора. После приведения поверхностей в соприкосновение между ними возникают

усилия, под действием которых микровыступы, вошедшие первыми в контакт, сминаются, в контакт вступают новые микровыступы, находящиеся на большем расстоянии и т. д. По мере смятия ранее вступивших в контакт выступов поверхности будут продолжать сближаться, последовательно проходя через очаг деформации. Вой­ дут в соприкосновение макровыступы (волнистость), образуя совмест­ ную границу слоев по всей длине и периметру (рис. 13). При этом величина совместной деформации должна быть больше суммы иска­ жений канала труб макро- и микроскопического характера. Однако обеспечение простого прилегания поверхностей может оказаться недостаточным, поэтому в ряде случаев для разрушения пленок окис­ лов и удаления адсорбированных пленок необходимо обеспечить пла­ стическое течение макрообъемов металлов по поверхности касания. При этом будет происходить относительное перемещение сопрягае­ мых поверхностей с одновременным их «притиранием» и взаимным внедрением металлов.

Возможны два случая, определяемые наличием оборудования для проведения операции сочленения. Первый и основной — это пласти­ ческое деформирование (волочение или раздача) двух металлов с при­

63