Металловедение для сварщиков (сварка сталей)

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Металловедение для сварщиков (сварка сталей)

В книге даны основные положения металловедения, их значение для сварки металлов и свойств получаемых соединений. При рассмотрении некоторых прикладных вопросов металловедения сварки основное внимание уделено сталям, как материалам, наиболее широко применяемым в различных отраслях народного хозяйства.
...
Основные промышленные способы сварки связаны с нагревом металлов в широком интервале температур и последующим охлаждением нагретых зон с разными скоростями. Такому тепловому воздействию на металл при сварке часто сопутствует влияние внешних усилий или сварочных напряжений. Эти факторы в зонах сварных соединений металлов определяют протекание сложных структурных и фазовых изменений, имеющих определяющее значение для различных свойств: прочности, пластичности, вязкости, жаропрочности, коррозионной стойкости и др_..;Структурные и фазовые превращения наряду с диффузионными процессами при сварке часто являются более сложными, чем при термической обработке металлов. В связи с этим металловедение, рассматривающее закономерности изменения состояния и свойств металлических сплавов разной природы и состава при различных условиях влияния внешних факторов — температуры, усилий, среды и др., — является одной из основ сварки.
...
Металл шва образуется при кристаллизации из жидкого состояния расплавленного присадочного металла и оплавленного по кромкам свариваемого металла.
...
Сварной шов имеет строение литого металла с соответствующими кристаллизационными зонами. Кристаллическое строение металла шва зависит от условий плавления и кристаллизации расплавленного металла при сварочном цикле (гл. II), от химического состава и тяпа диаграммы состояния сплава в металле шва (гл. II), от диффузионых процессов в жидком и твердом состоянии (гл. III), от структурных и фазовых превращений при охлаждении в твердом состоянии (гл. VI), а также от напряжений и деформаций, возникающих при сварке (гл. IV).
...
Характер участка сплавления имеет большое значение для свойств и работоспособности сварных соединений, особенно при сварке разнородных металлов и различных по составу и структурному классу сталей. На состав и структурное состояние металла
...
Основные промышленные способы сварки связаны с нагревом металлов в широком интервале температур и последующим охлаждением нагретых зон с разными скоростями. Такому тепловому воздействию на металл при сварке часто сопутствует влияние внешних усилий или сварочных напряжений. Эти факторы в зонах сварных соединений металлов определяют протекание сложных структурных и фазовых изменений, имеющих определяющее значение для различных свойств: прочности, пластичности, вязкости, жаропрочности, коррозионной стойкости и др_..;Структурные и фазовые превращения наряду с диффузионными процессами при сварке часто являются более сложными, чем при термической обработке металлов. В связи с этим металловедение, рассматривающее закономерности изменения состояния и свойств металлических сплавов разной природы и состава при различных условиях влияния внешних факторов — температуры, усилий, среды и др., — является одной из основ сварки.
...
Металл шва образуется при кристаллизации из жидкого состояния расплавленного присадочного металла и оплавленного по кромкам свариваемого металла.
...
Сварной шов имеет строение литого металла с соответствующими кристаллизационными зонами. Кристаллическое строение металла шва зависит от условий плавления и кристаллизации расплавленного металла при сварочном цикле (гл. II), от химического состава и тяпа диаграммы состояния сплава в металле шва (гл. II), от диффузионых процессов в жидком и твердом состоянии (гл. III), от структурных и фазовых превращений при охлаждении в твердом состоянии (гл. VI), а также от напряжений и деформаций, возникающих при сварке (гл. IV).
...
в участке сплавления влияют условия проилавлепня свариваемой стали, фазовое и структурное состояние образующихся сплавов промежуточного состава и диффузионные процессы на границе раздела (гл. III, IV, VI, XI).
...
Строение и свойства зоны теплового влияния сталей зависят от природы свариваемого металла, наличия и характера полиморфных, фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении (гл. V, VI, VII, VIII) и от термодеформационного цикла сварки (гл. IV, VIII). В этих зонах помимо процессов фазовых и структурных превращений могут протекать процессы рекристаллизации и полигонизации (гл. IV).
...
При сварке давлением соединение металлов происходит в твердой фазе. В этом случае основными зонами сварного соединения являются контактная зона соединения и зоны теплового влияния на свариваемых сталях. При этом виде сварки увеличивается роль и значение упругой и пластической деформации, создаваемой внешним усилием сдавливания свариваемых металлов (гл. IV). Контактная зона сварного соединения формируется в сложных условиях, и для ее строения и свойств имеют значение установление металлической связи (гл. I), рекристаллизация и диффузия (гл. III и IV), характер образующихся при диффузии прослоек (гл. III, XI).
...
Особое значение все приведенные факторы имеют для сварных соединений легированных и высоколегированных сталей (гл. VIII—XII).
...
Отдельные вопросы металловедения сварки излагались ранее в работах С. В. Лашко и Н. Ф. Лашко, В. Н. Земзина, А. М. Макары, Б. А. Мовчаиа, Н. Н. Прохорова, М. X. Шоршорова и др.
...
В настоящей книге сделана попытка общего систематизированного рассмотрения основных закономерностей металловедения в связи со значением их для технологии сварки, свариваемости, строения и свойств сварных соединений.
...
в участке сплавления влияют условия проилавлепня свариваемой стали, фазовое и структурное состояние образующихся сплавов промежуточного состава и диффузионные процессы на границе раздела (гл. III, IV, VI, XI).
...
Строение и свойства зоны теплового влияния сталей зависят от природы свариваемого металла, наличия и характера полиморфных, фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении (гл. V, VI, VII, VIII) и от термодеформационного цикла сварки (гл. IV, VIII). В этих зонах помимо процессов фазовых и структурных превращений могут протекать процессы рекристаллизации и полигонизации (гл. IV).
...
При сварке давлением соединение металлов происходит в твердой фазе. В этом случае основными зонами сварного соединения являются контактная зона соединения и зоны теплового влияния на свариваемых сталях. При этом виде сварки увеличивается роль и значение упругой и пластической деформации, создаваемой внешним усилием сдавливания свариваемых металлов (гл. IV). Контактная зона сварного соединения формируется в сложных условиях, и для ее строения и свойств имеют значение установление металлической связи (гл. I), рекристаллизация и диффузия (гл. III и IV), характер образующихся при диффузии прослоек (гл. III, XI).
...
Особое значение все приведенные факторы имеют для сварных соединений легированных и высоколегированных сталей (гл. VIII—XII).
...
Отдельные вопросы металловедения сварки излагались ранее в работах С. В. Лашко и Н. Ф. Лашко, В. Н. Земзина, А. М. Макары, Б. А. Мовчаиа, Н. Н. Прохорова, М. X. Шоршорова и др.
...
В настоящей книге сделана попытка общего систематизированного рассмотрения основных закономерностей металловедения в связи со значением их для технологии сварки, свариваемости, строения и свойств сварных соединений.
...
в участке сплавления влияют условия проилавлепня свариваемой стали, фазовое и структурное состояние образующихся сплавов промежуточного состава и диффузионные процессы на границе раздела (гл. III, IV, VI, XI).
...
Многообразие свойств металлов, в и том числе различие поведения их при сварке, обусловлено во многом разницей в строении их атомов, тех элементарных комплексов, из которых построено каждое вещество. Различия в строении, энергетическом состоянии и свойствах атомов определяют разницу в характере образуемых ими элементарных агрегатов — кристаллических решеток металлов, в которых свойства оказываются уже более определенными. Колонии таких агрегатов — элементарных кристаллических ячеек образуют кристаллы и поликристаллы, являющиеся теми металлами, с которыми мы имеем дело при практическом их использовании и свойства которых нам знакомы. Эти поликристаллические металлы имеют различные массу, пластичность и прочность, по-разному ведут себя при нагревах и охлаждениях, при сварке. При этом в последнее время приобрела значение сварка не только частей одного и того же металла, но сварка металлов с различными по построению элементарными кристаллическими ячейками и атомами, отличающимися по строению и энергетическому состоянию. Для выяснения причин различия в свойствах металлов кратко рассмотрим основы их физического строения, в основном по тем характеристикам, которые могут иметь значение для сварки.
...
Элементарной комплексной основой элементов, и в том числе металлов, является атом, состоящий из электрически положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся на разном расстоянии от ядра. Сумма отрицательных зарядов* всех электронов данного атома равна положительному заряду ядра. Таким образом, в целом атом электрически нейтрален, а числовая величина заряда ядра составляет Ze, где е — элементарный заряд электрона, 1
...
физических свойств элементов, и в том числе способность атомов к соединению друг с другом с образованием связи той или иной степени прочности, определяется разницей в электронном строении.
...
Электроны в атомах находятся на разном расстоянии от ядра; это определяет их энергетический уровень и прочность связи с ядром. Естественно, что чем ближе находятся противоположно заряженные ядро и электроны, тем сильнее они притягиваются друг к другу. Кроме разного расстояния электронных оболочек от ядра, состояние электронов определяется теми орбитами, по которым они вращаются. Эти орбиты могут быть круговыми с ядром в центре и эллиптическими с разной степенью эллиптичности. Да и сама ориентировка орбит в пространстве может быть различной. Наряду с этим сам электрон вращается вокруг своей оси и направление этого вращения может быть у разных электронов противоположным.
...
Состояние электронов в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами. Главное квантовое число п
...
Четвертое — спиновое квантовое число характеризует собственное вращение электрона вокруг своей оси. Вращение может происходить либо в одну, либо в другую сторону, и спиновое число та
...
Свойства атома, и в том числе энергетические показатели связи между электронами и ядром, а также связь между собой атомов одних и тех же элементов и атомов различных элементов (что важ-
...
НО Для соединения их сваркой) зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням, от степени заполнения (или, наоборот, от незаполненности) того или иного электронного уровня или подуровня, общего числа электронных уровней, от состояния последнего внешнего электронного уровня, от того, являются ли спины соседних электронов данного подуровня, и особенно электронов внешней оболочки, взаимно уравновешивающими или нет.
...
Число внешних электронов атома, т. е. электронов, находящихся на внешней оболочке (наивысшем энергетическом уровне) может быть от 1 до 8. Внешние электроны наименее прочно связаны с ядром, поэтому они легче всего отделяются или отдаляются от атома. Именно эти электроны в основном ответственны за создание межатомной связи, которая определяется стремлением атома к получению завершенной электронной оболочки. Поэтому по числу внешних электронов атома определяется его валентность и по степени достроенности внешней оболочки — его активность или способность вступать в соединение с другими атомами. Там, где внешняя оболочка полностью достроена (у гелия — это два электрона, у остальных элементов — не менее восьми электронов), атом вещества оказывается практически пассивным к образованию связей. К таким элементам относятся инертные газы. Валентность элемента (максимальная) в периодической системе определяется группой, в которой находится элемент, что соответствует числу электронов на внешнем уровне.
...
Соединение отдельных атомов между собой и образование атомных комплексов обусловливает создание молекул химических соединений, образование атомных агрегатов металлов и других веществ. Способность атомов одного и того же вещества или различных веществ соединяться друг с другом в прочный агрегат — образовывать неразъемное соединение является важнейшим фактором при сварке металлов, и в особенности при сварке давлением в твердом состоянии. При сварке давлением свариваемые поверхности сжимаются до сближения на расстояние, на котором могут проявиться силы атомного взаимодействия между свариваемыми поверхностями. Установление атомной связи между этими поверхностями — необходимое условие получения сварного соединения.
...
В настоящее, время между собой сваривают металлы одни и те же (сталь—сталь, медь—медь и т. д.) и различные (сталь— никель, меДь—никель и др.). Сваривают и металлы с неметаллами — керамиками. Номенклатура материалов, свариваемых между собой, непрерывно расширяется.
...
Рассмотрение природы связи между атомами имеет первостепенное значение как для понимания условий образования различных соединений, и в том числе сварных, так и для разработки новых процессов и новых видов сварных соединений.
...
НО Для соединения их сваркой) зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням, от степени заполнения (или, наоборот, от незаполненности) того или иного электронного уровня или подуровня, общего числа электронных уровней, от состояния последнего внешнего электронного уровня, от того, являются ли спины соседних электронов данного подуровня, и особенно электронов внешней оболочки, взаимно уравновешивающими или нет.
...
Число внешних электронов атома, т. е. электронов, находящихся на внешней оболочке (наивысшем энергетическом уровне) может быть от 1 до 8. Внешние электроны наименее прочно связаны с ядром, поэтому они легче всего отделяются или отдаляются от атома. Именно эти электроны в основном ответственны за создание межатомной связи, которая определяется стремлением атома к получению завершенной электронной оболочки. Поэтому по числу внешних электронов атома определяется его валентность и по степени достроенности внешней оболочки — его активность или способность вступать в соединение с другими атомами. Там, где внешняя оболочка полностью достроена (у гелия — это два электрона, у остальных элементов — не менее восьми электронов), атом вещества оказывается практически пассивным к образованию связей. К таким элементам относятся инертные газы. Валентность элемента (максимальная) в периодической системе определяется группой, в которой находится элемент, что соответствует числу электронов на внешнем уровне.
...
Соединение отдельных атомов между собой и образование атомных комплексов обусловливает создание молекул химических соединений, образование атомных агрегатов металлов и других веществ. Способность атомов одного и того же вещества или различных веществ соединяться друг с другом в прочный агрегат — образовывать неразъемное соединение является важнейшим фактором при сварке металлов, и в особенности при сварке давлением в твердом состоянии. При сварке давлением свариваемые поверхности сжимаются до сближения на расстояние, на котором могут проявиться силы атомного взаимодействия между свариваемыми поверхностями. Установление атомной связи между этими поверхностями — необходимое условие получения сварного соединения.
...
В настоящее, время между собой сваривают металлы одни и те же (сталь—сталь, медь—медь и т. д.) и различные (сталь— никель, меДь—никель и др.). Сваривают и металлы с неметаллами — керамиками. Номенклатура материалов, свариваемых между собой, непрерывно расширяется.
...
Рассмотрение природы связи между атомами имеет первостепенное значение как для понимания условий образования различных соединений, и в том числе сварных, так и для разработки новых процессов и новых видов сварных соединений.
...
расположены электроны. При этом, если рассматривать какой-либо данный атом, то чем выше[энергетический уровень (чем больше главное квантовое число) электронной оболочки, тем дальше электроны находятся от ядра, тем выше свободная энергия электронов, тем менее прочно они связаны с ядром.
...
Имеет значение не только увеличение расстояния этих электронов от ядра и уменьшение силы взаимодействия между электроном и ядром, но и экранирующее влияние промежуточных электронных оболочек. Поэтому электроны внешних оболочек в атоме слабее связаны с атомом, чем все остальные электроны. Они могут при соответствующих условиях отдаляться от атома, могут вообще его покидать, переходя, например, к другому атому, у которого внешняя оболочка имеет более низкий энергетический уровень и свободное место (недостроена). Таким образом, одним из факторов, определяющих соединение атомов, является энергетическое состояние электронов на внешней оболочке — валентных электронов: чем слабее они связаны с атомом, тем легче они переходят к образованию связи с другим атомом.
...
Прочность связи внешних электронов с атомом определяется помимо перечисленных и другими факторами. Большое значение имеет степень заполненности внешней оболочки. Максимальное число электронов на внешней оболочке — восемь. Пример с инертными газами, имеющими полностью застроенные внешние оболочки и не образующими соединений с атомами других веществ, свидетельствует о том, что чем полнее застроена внешняя оболочка, тем прочнее закреплены на ней электроны. Поэтому атомы с одним электроном на внешней оболочке легче всего его отдают.
...
На прочность закрепления внешнего электрона у своего атома также влияет компенсация или вернее образование замкнутых магнитных полей, создаваемых спинами электронов (вращением электронов вокруг своей оси). Если у атома имеются два внешних электрона с антипараллельными спинами (вращающимися в разные стороны), т. е. имеющих четвертое квантовое число у одного — 1/2, у другого то магнитные поля, создаваемые при вращении заряда электрона, образуют более замкнутое магнитное поле, способствующее удержанию каждого из электронов. Естественно, если на внешней орбите имеется только один электрон и нет электрона с антипараллельным спином, то этот электрон удерживается слабее, чем два электрона с противоположными спинами. Однако бывают и случаи, когда имеются пары электронов с параллельными спинами. Это обстоятельство не должно способствовать их удержанию. -
...
Если рассматривать соединение двух различных атомов (сварку различных металлов), то наличие на внешних оболочках атомов с противоположными спинами должно обусловливать образование уравновешенных магнитных полей и улучшениесвариваемости.
...
расположены электроны. При этом, если рассматривать какой-либо данный атом, то чем выше[энергетический уровень (чем больше главное квантовое число) электронной оболочки, тем дальше электроны находятся от ядра, тем выше свободная энергия электронов, тем менее прочно они связаны с ядром.
...
Имеет значение не только увеличение расстояния этих электронов от ядра и уменьшение силы взаимодействия между электроном и ядром, но и экранирующее влияние промежуточных электронных оболочек. Поэтому электроны внешних оболочек в атоме слабее связаны с атомом, чем все остальные электроны. Они могут при соответствующих условиях отдаляться от атома, могут вообще его покидать, переходя, например, к другому атому, у которого внешняя оболочка имеет более низкий энергетический уровень и свободное место (недостроена). Таким образом, одним из факторов, определяющих соединение атомов, является энергетическое состояние электронов на внешней оболочке — валентных электронов: чем слабее они связаны с атомом, тем легче они переходят к образованию связи с другим атомом.
...
Прочность связи внешних электронов с атомом определяется помимо перечисленных и другими факторами. Большое значение имеет степень заполненности внешней оболочки. Максимальное число электронов на внешней оболочке — восемь. Пример с инертными газами, имеющими полностью застроенные внешние оболочки и не образующими соединений с атомами других веществ, свидетельствует о том, что чем полнее застроена внешняя оболочка, тем прочнее закреплены на ней электроны. Поэтому атомы с одним электроном на внешней оболочке легче всего его отдают.
...
На прочность закрепления внешнего электрона у своего атома также влияет компенсация или вернее образование замкнутых магнитных полей, создаваемых спинами электронов (вращением электронов вокруг своей оси). Если у атома имеются два внешних электрона с антипараллельными спинами (вращающимися в разные стороны), т. е. имеющих четвертое квантовое число у одного — 1/2, у другого то магнитные поля, создаваемые при вращении заряда электрона, образуют более замкнутое магнитное поле, способствующее удержанию каждого из электронов. Естественно, если на внешней орбите имеется только один электрон и нет электрона с антипараллельным спином, то этот электрон удерживается слабее, чем два электрона с противоположными спинами. Однако бывают и случаи, когда имеются пары электронов с параллельными спинами. Это обстоятельство не должно способствовать их удержанию. -
...
Если рассматривать соединение двух различных атомов (сварку различных металлов), то наличие на внешних оболочках атомов с противоположными спинами должно обусловливать образование уравновешенных магнитных полей и улучшениесвариваемости.
...
ным потенциалом— напряжением, которое необходимо приложить, чтобы оторвать электрон и сделать атом положительно заряженным ионом. У атома может быть несколько ионизационных потенциалов в соответствии с тем, сколько у него электронов на внешней оболочке и какой по счету электрон отрывается.
...
Значения первых ионизационных потенциалов различных элементов (отрыв первого электрона с внешней орбиты) — важный показатель способности атомов к установлению межатомных связей — приведены в табл. 1. Из таблицы видна периодичность изменения данной характеристики. Наиболее высокие потенциалы ионизации имеют элементы с полностью завстрееной внешней оболочкой (инертные газы). По мере уменьшения степени заполнения внешнего уровня потенциал, как правило, падает. Наинизшие потенциалы имеют элементы с наименее заостренными оболочками. По мере увеличения атомного номера элемента сказывается экранирующее влияние внутренних электронных уровней.
...
Ионизационные потенциалы в определенной степени, по-видимому, могут служить энергетическим показателем способности к соединению отдельных частей тех или иных металлов. При условии, что произошло сближение соединяемых частей на расстояния сил атомного взаимодействия и соединяемые поверхности чисты, для установления соответствующей атомной связи нужна какая-то энергия для активации атомов соединяемых частей. Чем ниже потенциал ионизации атома, тем легче его сделать активным для установления связи. С этой точки зрения среди интересующих технику металлов легче всего должен свариваться в твердом или пластичном состоянии между собой алюминий (ионизационный потенциал 5,98 эВ), несколько труднее — титан (6,82 эВ), затем — ниобий (6,88 эВ), молибден (7,1 эВ), свинец (7,42 эВ), серебро (7,57 эВ), никель (7,63 эВ), магний (7,64 эВ), медь (7,72 эВ), железо (7,8 эВ), вольфрам (7,98 эВ). Конечно, не только потенциал ионизации имеет значение для сварки давлением (в твердом состоянии). Важны и некоторые другие характеристики (в частности, возможность сближения при деформации), о чем речь будет идти дальше. Это определяет возможность отклонения от приведенного порядка.
...
Основой межатомной связи и, следовательно, образования неразъемных соединений является взаимодействие электронов, а движущей силой этого взаимодействия — стремление атомов к получению завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов по уровням и подуровням. В результате различных взаимодействий между атомами может образовываться несколько типов наиболее устойчивых электронных
...
ным потенциалом— напряжением, которое необходимо приложить, чтобы оторвать электрон и сделать атом положительно заряженным ионом. У атома может быть несколько ионизационных потенциалов в соответствии с тем, сколько у него электронов на внешней оболочке и какой по счету электрон отрывается.
...
Значения первых ионизационных потенциалов различных элементов (отрыв первого электрона с внешней орбиты) — важный показатель способности атомов к установлению межатомных связей — приведены в табл. 1. Из таблицы видна периодичность изменения данной характеристики. Наиболее высокие потенциалы ионизации имеют элементы с полностью завстрееной внешней оболочкой (инертные газы). По мере уменьшения степени заполнения внешнего уровня потенциал, как правило, падает. Наинизшие потенциалы имеют элементы с наименее заостренными оболочками. По мере увеличения атомного номера элемента сказывается экранирующее влияние внутренних электронных уровней.
...
Ионизационные потенциалы в определенной степени, по-видимому, могут служить энергетическим показателем способности к соединению отдельных частей тех или иных металлов. При условии, что произошло сближение соединяемых частей на расстояния сил атомного взаимодействия и соединяемые поверхности чисты, для установления соответствующей атомной связи нужна какая-то энергия для активации атомов соединяемых частей. Чем ниже потенциал ионизации атома, тем легче его сделать активным для установления связи. С этой точки зрения среди интересующих технику металлов легче всего должен свариваться в твердом или пластичном состоянии между собой алюминий (ионизационный потенциал 5,98 эВ), несколько труднее — титан (6,82 эВ), затем — ниобий (6,88 эВ), молибден (7,1 эВ), свинец (7,42 эВ), серебро (7,57 эВ), никель (7,63 эВ), магний (7,64 эВ), медь (7,72 эВ), железо (7,8 эВ), вольфрам (7,98 эВ). Конечно, не только потенциал ионизации имеет значение для сварки давлением (в твердом состоянии). Важны и некоторые другие характеристики (в частности, возможность сближения при деформации), о чем речь будет идти дальше. Это определяет возможность отклонения от приведенного порядка.
...
Основой межатомной связи и, следовательно, образования неразъемных соединений является взаимодействие электронов, а движущей силой этого взаимодействия — стремление атомов к получению завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов по уровням и подуровням. В результате различных взаимодействий между атомами может образовываться несколько типов наиболее устойчивых электронных
...
структур. Ими оказываются структуры инертных газов и структуры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким образом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображе ! е склонности атомов различных элементов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигурации по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфигурации, как правило, путем отдачи электронов.
...
Возможность отдачи электронов одними атомами и присоединение их другими создает положительно и отрицательно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 2, а) и естественно возможна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возни-
...
структур. Ими оказываются структуры инертных газов и структуры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким образом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображе ! е склонности атомов различных элементов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигурации по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфигурации, как правило, путем отдачи электронов.
...
Возможность отдачи электронов одними атомами и присоединение их другими создает положительно и отрицательно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 2, а) и естественно возможна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возни-
...
структур. Ими оказываются структуры инертных газов и структуры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким образом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображе ! е склонности атомов различных элементов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигурации по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфигурации, как правило, путем отдачи электронов.
...
Возможность отдачи электронов одними атомами и присоединение их другими создает положительно и отрицательно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 2, а) и естественно возможна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возни-
...
кает между различно заряженными атомами. Примером такого ионного соединения может быть поваренная соль. В ней атом натрия отдает электрон и становится положительным ионом, а атом хлора приобретает электрон и становится отрицательным ионом.
...
Другим видом связи атомов в твердых телах является ковалентная или гомеополярная, иногда ее называют атомной связью (рис. 2, б).
...
Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) характерна для атомов с относительно легко деформируемыми электронными оболочками и для объединившихся в молекулы атомов, также способных к деформации внешних объединенных оболочек.
...
Взаимовлияние магнитных полей большого числа атомов или молекул приводит к тому, что в некоторых^ из них возникает заметно выраженная поляризация — облако отрицательно заряженных электронов смещается в одну сторону, а положительно заряженные ядра — в другую. Образующиеся таким образом диполи способствуют поляризации соседних атомов или молекул, в результате чего вся дипольная система ориентируется таким образом, что друг с другом контактируют противоположные заряды, между которыми действуют силы притяжения, определяющие связь (рис. 2, в).
...
Прочность молекулярной связи определяется действием двух сил. С одной стороны, между двумя частицами действуют силы притяжения, обусловленные поляризацией зарядов, с другой — при сильном приближении друг к другу частиц начинают действовать силы отталкивания, обусловленные взаимодействием внешних электронных слоев (рис. 3). С увеличением расстояния между частицами силы отталкивания уменьшаются гораздо резче, чем силы притяжения. Это обусловливает при определенном расстоянии установление равновесия (рис. 3). Расстояние с10
...
Металлы имеют особый тип связи между атомами, названный поэтому металлической связью. Особенность металлической связи обусловлена некоторыми характерными признаками строения внешних оболочек металлических атомов. Как правило, у атомов этих элементов на внешней оболочке имеется только один или два электрона. Это определяет то, что связь электронов с атомом оказывается не сильной и электроны сравнительно легко могут отделяться от атома. Об этом свидетельствуют невысокие потенциалы ионизации атомов металлов (табл. 1). В связи с особенностями строения металлических атомов — слабой связью внешнего электрона, металлические свойства оказываются ярче всего выраженными у элементов, находящихся в левой (первые группы с малым числом валентных электронов) нижней (большее число экранирующих электронных оболочек) части периодической таблицы.
...
Слабая связь внешнего электрона приводит к тому, что в атомном агрегате эти электроны отрываются и беспорядочно блуждают между образовавшимися (оставшимися) положительными ионами (рис. 2, г).
...
ванных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Таким'образом, в каждый данный момент атомный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, какое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный электронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложении внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.
...
Связь между отдельными атомами в таком атомном металлическом агрегате обусловлена взаимодействием каркаса из положительных ионов и отрицательно заряженным электронным газом. Определенное значение для связи имеют и те обмены, которые происходят между электронным газом и нейтральными атомами. Металлическая связь в целом достаточно прочна и эластична в связи с наличием первичного электронного газа как несущего элемента этой связи.
...
Природа металлической связи слишком сложна, чтобы^можно было четко перечислить все факторы и характер их влияния на прочность связи между атомами в металлах и на значение их при сварке. Об относительной прочности этих связей у разных металлов можно судить по косвенным признакам — теплоте плавления и теплоте испарения, поскольку и в том и в другом случае тепловая энергия затрачивается на преодоление, разрушение атомных связей. При плавлении, по-видимому, происходит первая стадия разрушения кристаллического комплекса металлов. Однако отдельные агрегаты кристаллитов могут сохраняться у металлов и в расплавленном состоянии. Полное разрушение кристаллов и нарушение связей происходит при испарении. Поэтому по скрытой теплоте испарения, а еще лучше по сумме теплоты испарения и теплоты плавления, можно приближенно судить о сравнительной прочности атомной связи у различных металлов и соответственно о прочности соединения, в том числе и сварного.
...
Табл. 2 позволяет считать, что при достаточном сближении и активации чистых металлических поверхностей прочность связи в образующемся сварном соединении должна возрастать от магния к вольфраму.
...
Если сопоставить данные табл. 2 с величинами потенциалов ионизации (см. табл. 1), то можно полагать, что на основании учета только этих двух факторов лучше всего в твердом состоянии должны свариваться титан и ниобий (при достаточной деформации и сближении), так как у них при низких потенциалах ионизации и соответственной низкой энергии активации атомов оказывается наиболее прочной связь в образующемся соединении. Хуже всего, по тем же признакам, должен свариваться магний (высокий потенциал ионизации и невысокая прочность связи). Неплохо должен свариваться алюминий. Медь и железо по рассматриваемым прин-
...
ванных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Таким'образом, в каждый данный момент атомный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, какое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный электронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложении внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.
...
Связь между отдельными атомами в таком атомном металлическом агрегате обусловлена взаимодействием каркаса из положительных ионов и отрицательно заряженным электронным газом. Определенное значение для связи имеют и те обмены, которые происходят между электронным газом и нейтральными атомами. Металлическая связь в целом достаточно прочна и эластична в связи с наличием первичного электронного газа как несущего элемента этой связи.
...
Природа металлической связи слишком сложна, чтобы^можно было четко перечислить все факторы и характер их влияния на прочность связи между атомами в металлах и на значение их при сварке. Об относительной прочности этих связей у разных металлов можно судить по косвенным признакам — теплоте плавления и теплоте испарения, поскольку и в том и в другом случае тепловая энергия затрачивается на преодоление, разрушение атомных связей. При плавлении, по-видимому, происходит первая стадия разрушения кристаллического комплекса металлов. Однако отдельные агрегаты кристаллитов могут сохраняться у металлов и в расплавленном состоянии. Полное разрушение кристаллов и нарушение связей происходит при испарении. Поэтому по скрытой теплоте испарения, а еще лучше по сумме теплоты испарения и теплоты плавления, можно приближенно судить о сравнительной прочности атомной связи у различных металлов и соответственно о прочности соединения, в том числе и сварного.
...
Табл. 2 позволяет считать, что при достаточном сближении и активации чистых металлических поверхностей прочность связи в образующемся сварном соединении должна возрастать от магния к вольфраму.
...
Если сопоставить данные табл. 2 с величинами потенциалов ионизации (см. табл. 1), то можно полагать, что на основании учета только этих двух факторов лучше всего в твердом состоянии должны свариваться титан и ниобий (при достаточной деформации и сближении), так как у них при низких потенциалах ионизации и соответственной низкой энергии активации атомов оказывается наиболее прочной связь в образующемся соединении. Хуже всего, по тем же признакам, должен свариваться магний (высокий потенциал ионизации и невысокая прочность связи). Неплохо должен свариваться алюминий. Медь и железо по рассматриваемым прин-
...
ванных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Таким'образом, в каждый данный момент атомный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, какое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный электронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложении внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.
...
Для гексагональной характерно расположение в виде шестигранника (рис. 4). Многократное повторение такого элемента построения (элементарной ячейки) создает кристалл того или иного металла (элемента или вещества). Атомы в таких решетках расположены не на произвольно больших расстояниях, как изображают схему элементарной ячейки или решетки, а на расстояниях, определяемых равнодействующими сил взаимодействия между положительными зарядами ионов (избыточные заряды ядер), отрицательными зарядами оставшихся оболочек и взаимодействия положительных зарядов ионов с отрицательно заряженным электронным газом. Таким образом это прилегающие друг к другу упругие шары. Расстояние между центрами атомов, естественно, будет зависеть от закономерности их расположения, т. е. с изменением типа решетки одного и того же вещества расстояние между центрами атомов будет меняться (в силу упругости шаров).
...
У многих металлов наблюдается так называемый полиморфизм т. е. изменение типа кристаллической решетки с изменением температуры. Так, например, у железа имеются две основные полиморфные формы: кубическая объемно-центрированная и кубическая гранецентрированная. Изменение кристаллического строения одного и того же металла с изменением температуры объясняется изменением энергетического состояния атомов и, соответственно, взаимодействия оболочек.
...
Таким образом, кристаллическую решетку помимо ее типа характеризуют атомный диаметр и параметр (постоянная) решетки. Атомный диаметр — это расстояние (соответственно атомный
...
радиус — половина расстояния) между центрами двух ближайших (контактирующих) атомов. В соответствии с изложенным атомный диаметр — в определенной мере условная величина, зависящая для одного и того же элемента от типа решетки. Параметр решетки характеризуется размерами ребер элементарной кристаллической ячейки. Для кубической решетки имеется один параметр а
...
Однако при некоторых обстоятельствах, о чем речь будет идти дальше, кубическая решетка может искажаться, и одна из ее граней при этом становится больше другой. Такая тетрагональность решетки характеризуется двумя параметрами: а я с
...
Помимо указанных характеристик кристаллическая решетка характеризуется также координационным числом, плотностью упаковки или степенью заполнения, индексами атомных плоскостей.
...
Координационное число характеризует условия взаимодействия атомов и принцип построения решетки. Оно определяется числом атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии отданного атома. Так, например, у простой кубической решетки, имеющей только по атому в вершине куба, координационное число равно шести (К =
...
нения атомами объема элементарной ячейки, определяемая числом атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки того или иного типа. В простой кубической решетке каждый из восьми атомов, находящихся в вершине куба, принадлежит одновременно восьми ячейкам. Таким образом, одна ячейка содержит только один атом. В объемно-центрированной кубической решетке к этому одному атому добавляется один атом в центре куба, т. е. элементарная ячейка объемно-центрированной решетки состоит из двух атомов.
...
Аналогичным образом определяется, что ячейка гранецентри-рованной решетки состоит из четырех атомов. Зная число атомов, приходящихся на одну ячейку, можно определить степень заполнения решетки. Для объемно-центрированной кубической решетки с параметром а
...
будут кристаллографическими координатными осями, а масштаб выразится в осевых единицах. Индексами той или иной плоскости будут три целых числа, обратно пропорциональные числу осевых единиц, отсекаемых плоскостью на соответствующих координатных осях. Например, для кубической решетки (рис. 6, а)
...
Важная характеристика различных атомных плоскостей, густота заполнения ее атомами, по существу, определяет прочность связи на этой плоскости. В кубической объемно-центрированной решетке на плоскости (100)
...
Характеристики кристаллического строения некоторых металлов
...
Для соединения двух металлов, помимо прочего, должно иметь значение соответствие их кристаллического строения и размеров атомов. Лучшие условия для совмещения атомов и установления общности кристаллического строения соединяемых металлов, т. е. для их сварки, будут в том случае, если у них будут одинаковыми кристаллические решетки, близкими параметры однотипных решеток и размеры атомов.
...
Высказанное соображение позволяет из приведенных в табл. 3 металлов выделить три группы с одинаковыми по типу кристаллическими решетками (табл. 4). Из табл. 4 видно, что очень близки друг к другу по типу решетки, ее параметру и межатомному расстоянию никель, медь и серебро, а при температуре выше полиморфного превращения и железо. Никель, медь и серебро должны поэтому хорошо соединяться между собой методами сварки давлением в твердом состоянии. При температуре выше а —> у-превра-щения к указанным элементам добавляется и железо. При том же типе кубической гранецентрированной решетки алюминий несколько отличается от перечисленных элементов параметром и диаметром атома. Это отличие составляет —12%, и, по-видимому, алюминий соединить с никелем, медью и серебром труднее. Еще труднее по этому признаку должен привариваться к перечисленным элементам свинец.
...

Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки
Иллюстрации к началам курса «Основы материаловедения»
Необычные свойства обычных металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Металловедение для сварщиков (сварка сталей)