1.2.1. Механизм образования монолитных соединений твердых тел

На первый взгляд кажется, что образование монолитного со­единения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без ввода внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверх­ности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической ре­шетки (порядка долей нанометра). Тогда между сопряженными атома­ми возникнут связи, граница раздела ∆ (рис. 1.1) исчезнет и произойдет сварка.

Такой процесс кажется вероят­ным и не противоречит второму на­чалу термодинамики, так как сво­бодная энергия системы при этом должна уменьшиться на количество энергии двух исчезнувших поверх­ностей раздела. В действительности даже в идеальном случае для соеди­нения поверхностей требуется за­трата энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома w₀. Каждый атом находится как бы в потенциальной яме и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления потенциального барьера (рис. 1.2).

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направ­ленными силами связи. На свобод­ной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны ок­ружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена. Это вызыва­ет повышение энергии поверхност­ного слоя кристалла w_п. Если необ­ходимая атому энергия, для переме­щения внутри тела равна w₀ (см. рис. 1.2), то для выхода в окружаю­щую среду она равна w_п, причем w_{п >} w_0. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требу­ется введение извне деформацион­ной или тепловой энергии, превы­ -шающей граничную энергию w_г.

Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на пре­одоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, воз­никнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболо­чек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при по­вышении температуры, увеличивает вероятность развития кванто­вых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Стадийность процесса сварки. Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно от­нести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), характер­ной только для микроучастков соединяемых поверхностей.

На первой стадии (А) развивается фи­зический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на рас­стояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, ха­рактерным для физической адсорбции (w_п = 0,04...0,4 кДж/моль). На второй стадии (Б) - стадии химического вза­имодействия (схватывания) - заканчива­ется процесс образования прочного соединения. Схватывание - бездиффузи­онный процесс и в принципе может про­исходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформа­ция.

На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свари­ваемые поверхности имеют:

-микронеровности ≈10^-6 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);

-загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела ад-­ сорбируются атомы внешней среды.

Для монолитного соединения материалов при сварке необхо­димо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхно­стей и их активацию.

Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некото­рая энергия, необходимая:

-для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности;

-для повышения энергии поверхностных атомов до уровня по-­ тенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т. е. схватывание.

В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической де­формации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).