Глава 1. Физические основы и классификация сварочных процессов

1. Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях

Монолитность сварных соединений. В технике широко ис­пользуют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными, т. е. сплошными, и немонолитными (например, заклепочные соединения). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием.

Сварку и пайку используют для соединения между собой твер­дых тел: металлов и неметаллов. Монолитность сварных соедине­ний обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей ме­жду частицами соединяемых твердых тел.

Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находя­щихся во взаимодействии. Физико-химические и прочностные свойства твердого тела зависят от типа связи между атомами и характера их взаимного расположения, поэтому прежде чем рас­сматривать природу сварного соединения, следует вспомнить не­которые сведения из физики твердого тела.

Элементарные связи в твердых телах. Характер и значение энергии элементарных связей в твердых телах зависят от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела.

Наличие ряда кристаллических структур, разнообразие физи­ческих свойств (сжимаемость, точка плавления, электрические, оптические свойства и др.), а также различные химические свойст­ва указывают на существование разных типов связи атомов в твер­дых телах. Силы межатомного взаимодействия имеют электриче­ское происхождение.

В первом приближении можно считать, что в образовании межатомных (химических) связей принимают участие в основном электроны валентных оболочек. Их вклад в энергию образования тела из атомов намного больше, чем вклад внутренних электронов. Химические связи по своей природе электромагнитные и действуют на расстояниях порядка 10^-10м.

Принято считать, что между частицами твердого тела кроме электромагнитного взаимодействия существуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или сильные, действующие на расстоя­ниях менее 10 м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм их мож­но не учитывать); слабые, обусловливающие (3-распад (они слабее электромагнитных в 10 раз); гравитационные, которые в 10 раз слабее электромагнитных.

Понятие химической связи относится к взаимодействию атомов с энергией -10... 100 кДж. Столь широкий интервал энергий может быть реализован различными взаимодействиями, которые традици­онно классифицируют как типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Эта классификация не является четко определенной. Ковалентная связь представляет собой универ­сальный тип химической связи. Ионную связь можно рассматривать как частный (предельный) случай ковалентной связи между атома­ми, резко отличающимися друг от друга по своей электроотрица­тельности. Понятия металлической и водородной связей отражают скорее специфику химических объектов, нежели действующих сил. Наиболее типичны ковалентная и ионная химические связи.

Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами. Она может образоваться взаимодействием или спариванием валентных электронов. Если атомы одинаковы, например в молекулах водорода Н₂, щелочных металлов в газообразном состоянии Li₂, К₂, Na₂, галогенов Cl₂, Вг₂, азота N₂, - то связь неполярная, при взаимодействии разных атомов, например НСl, - связь полярная. В предельном случае, когда элек­троны связи полностью смещены к одному из ядер, имеет место ионная связь. В природе сравнительно немного тел с ковалентными связями. Однако они имеют большое практическое значение благодаря высокой температуре плавления и твердости (напри­мер, алмаз С, кремний Si, германий Ge и карбид кремния SiC - кар­борунд). Главной чертой ковалентных связей является наличие обобщенных электронов и четкая пространственная ориентация.

При изучении сварочных процессов важно иметь в виду, что прочные ковалентные связи устанавливаются не только в кри­сталлах металлов, но и при соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками или интерметаллидами, обладающими полупроводниковыми свойствами.

Ионная, или гетерополярная связь, типична для молекул и кри­сталлов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Ти­пичным представителем ионных кристаллов является поваренная соль NaCl. Образование катиона - это результат потери атомом электрона. Мерой прочности связи электрона в атоме может слу­жить потенциал ионизации атома. Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство к элек­трону. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщае­мости и пространственной направленности. В природе очень много тел, имеющих ионные связи. Однако они имеют незначительное применение в машиностроении, потому что у них нет свойств, по­зволяющих использовать их как конструкционный материал.

Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в зна­чительной степени идеализированы. Обычно встречаются проме­жуточные случаи. Если при ионной связи один атом отдает элек­трон другому, а при ковалентной - каждый электрон принадлежит в равной степени обоим связанным атомам, то в промежуточных слу­чаях возможны связи с любым «процентом ионности».

Водородная связь, называемая также протонной связью, пред­ставляет собой связь специфического типа, которая может быть как внутримолекулярной связью, так и межмолекулярной. Воз­никновение связей такого типа индуцируется ядром водорода (или протоном), которое благодаря своему малому размеру, может про­никать в глубь электронной оболочки, обладающей сильной элек­троотрицательностью. Водородная связь занимает промежуточное положение между атомной и ионной связями и часто встречается в органических и некоторых неорганических соединениях. Ассоциа­ции молекул воды, спирта, кислот и др. определяются водородны­ми связями.

Металлические связи характерны для металлов. Металличе­ское тело можно считать одной макромолекулой, потому что ме­таллические связи имеют место не только между двумя или не­сколькими атомами металла. Высокие значения тепло- и электро­проводности металлов непосредственно связаны с их атомной структурой. Атомы металлов имеют мало электронов во внешней оболочке, и эти электроны сравнительно слабо связаны с осталь­ной частью атома («остовом» атома). Слабая связь внешних элек­тронов приводит к тому, что металлы имеют небольшие потенциа­лы ионизации. Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов. Следствием этого является большая компакт­ность кристаллических структур металлов. Энергия металлической связи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, поэтому большинство металлов по сравнению с ковалентными кристалла­ми имеют более низкие модуль упругости, температуры плавления и испарения, но более высокий температурный коэффициент ли­нейного расширения.

Поскольку в металле существует как бы облако обобществлен­ных электронов, металлическая связь допускает большее смеще­ние атомов, чем другие типы связей. Этим обусловливается высо­кая пластичность металлических кристаллов по сравнению с кова­лентными или ионными кристаллами.

Между молекулами имеется специфическое взаимодействие, вызываемое межмолекулярными силами, или силами Ван-дер-Ваальса. Механизм такой связи присущ всем твердым телам. Силы Ван-дер-Ваальса действуют между молекулами газообразных и жидких веществ, а также между молекулами в кристаллических решетках. Однако эта связь имеет существенное значение только при отсутствии других связей. Силы Ван-дер-Ваальса сильнее дей­ствуют в кристаллах и жидкостях, слабее в газах, потому что они тем больше, чем ближе друг к другу находятся молекулы.

Все описанные выше типы связей и межмолекулярных взаимо­действий могут быть рассмотрены как силы сцепления, или когезионные силы, в результате действия которых из отдельных ато­мов и молекул образуются тела в разном агрегатном состоянии и с разными свойствами. Чем больше энергия связи, тем сильнее когезия в теле и тем труднее его измельчить, расплавить или привести в газообразное состояние (табл. 1.1).

Все рассмотренные связи в кристаллах редко проявляются в чистом виде. Как правило, сочетания различных связей существу­ют одновременно. Следует также отметить, что поверхности твер­дых тел в атмосферных условиях обычно инертны, так как валент­ности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. Примером такого насыщения может служить окисление веществ в атмосфере. На поверхности могут также протекать процессы типа физической адсорбции, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса.