Сварка

Рис. 36.

Схемы конденсаторной сварки:

а – бестрансформаторная конденсаторная сварка; б – трансформаторная конденсаторная сварка. Т₁ – трансформатор повышающий; Т₂ – трансформатор сварочный; С – конденсаторная батарея; В – выпрямитель переменного тока; П – переключатель; 1, 4 – электроды; 2, 3 – свариваемые заготовки; 5 – пружина; 6 – защелка

Преимущества конденсаторной сварки:

• точная дозировка запасенной энергии;

• независимость от колебаний питающей сети;

• малое время протекания тока (10–3–10–4 с);

• небольшая зона термического влияния;

• низкая потребляемая мощность (0,2–2 кВА);

• высокая степень автоматизации процесса;

• возможность сваривать материалы малых толщин (до нескольких микрон).

Конденсаторная сварка широко применяется в производстве приборов для точной механики (авиационные, часовые, прецизионные), в производстве радиоэлементов и т. п.

Глава 4

Металлы и сплавы. Основные свойства и понятия

Сварщик работает с металлами и их сплавами. Для понимания процессов, происходящих при сварке, необходимо владеть основными понятиями, знать основные свойства металлов и сплавов.

Что такое металлы? Более 200 лет назад великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765) в своем знаменитом труде «Первые основания металлургии или рудных дел», написанном в 1763 году, дал металлам такое определение: «металлы суть ковкие светлые тела». Для того времени краткая формулировка была достаточно верной и точной. Ломоносов назвал шесть основных металлов: золото, серебро, медь, железо, свинец и олово.

Позже Мейер (1897) в своем энциклопедическом словаре дал уже расширенное определение металлам: «элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

С развитием науки происходили открытия все новых элементов. Открытые элементы необходимо было классифицировать какими-то другими определениями.

К чему причислять новые элементы?

Выход из тупика нашел знаменитый русский ученый Д. И. Менделеев (1834–1907). Его таблица и периодическая система элементов получили всемирное признание. Одновременно с Д. И. Менделеевым и независимо от него подобную систему разработал немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895). Права на открытия принадлежат обоим ученым. Однако Менделеев предсказал по своей таблице свойства еще не открытых элементов и определил их свойства теоретически. Это были элементы галлий и германий. В то время было известно 63 элемента, из них около 50 – металлы.

Дальнейшие исследования свойств металлов с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1500 раз), а затем при помощи электронного микроскопа (увеличение 20–100 000 крат) позволили заглянуть внутрь металла.

Русский ученый П. П. Аносов в 1831 году впервые в мировой практике применил оптический микроскоп для исследования микроструктуры металлов, став основоположником изучения металлов методом микро– и макроанализа. Кроме того, он первым в мировой практике обратил внимание, что свойства стали зависят не только от ее химического состава, но и от структуры.

Исследование при помощи оптики показало строение металлов как кристаллических веществ. Электронная металлография позволила наблюдать дефекты в кристаллах в виде различных дислокаций-смещений, перестановок.

Итак, что нам сегодня известно о металлах?

Металлы обладают различными свойствами. Общими свойствами металлов является характер зависимости электропроводности от температуры. Свойства металлов объясняются их строением: распределением и характером движения электронов в атомах; расположением атомов, ионов и молекул в пространстве; размерами, формой и характером кристаллических образований.

Электронное строение металлов определяется периодической системой Д. И. Менделеева. В полном соответствии со сходством в электронном строении элементы одной группы имеют и сходные свойства.

К таким периодически изменяющимся свойствам металлов относятся: твердость, абсолютная температура плавления, средний коэффициент теплового расширения, атомный объем и др.

В природе металлы, за исключением золота, серебра, платины и меди, существуют в составе химических соединений – окислов, сульфатов и прочих, образующих руды. Из руды различными металлургическими способами извлекают металлы: дроблением руды, обогащением и сепарацией и далее выплавкой соответственно чугуна или слитков цветных металлов. Чугун используется собственно и как чугун, как материал для выплавки сталей.

Стальные слитки и слитки цветных металлов в дальнейшем перерабатываются для сортового проката в виде рельсов, балок, прутков, полос, листов, уголков, швеллеров, проволоки и т. п. Соответственно, выпуском чугуна и сталей занимается черная металлургия, а производством цветных металлов – цветная металлургия.

Технически чистые металлы характеризуются низкой прочностью и высокой пластичностью, поэтому в технике применяют различные металлические сплавы. Сплав – вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Элементами сплавов могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплавах, кроме основных элементов, могут содержаться примеси. Примеси могут быть полезными, если они улучшают свойства сплава, или вредными, если они ухудшают свойства сплава. Примеси можно выделить как специальные, которые ввели в сплав для придания ему требуемых свойств, так и случайные, попавшие в сплав случайно при его приготовлении.

Сплавы делятся по следующим признакам:

• черные сплавы на основе железа – это стали и чугуны;

• легкие цветные сплавы с малой плотностью на основе алюминия, магния, титана, бериллия;

• тяжелые цветные сплавы с высокой плотностью на основе меди, свинца, олова и др.;

• легкоплавкие цветные сплавы на основе цинка, кадмия, олова, и др.;

• тугоплавкие цветные сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и пр.

Кристаллическое строение металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояние между атомами называют параметрами кристаллической решетки и измеряют в нанометрах. Типы кристаллических решеток изображены на рисунке 37.

Свойства металлов таковы, что при повышении температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурах изменяют строение своих кристаллических решеток, что всегда приводит к изменению физико-химических свойств металлов.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии, или полиморфизма. Температура при этих фазовых превращениях называется критической, а перестройка кристаллических форм – полиморфными превращениями.

Основоположником изучения термических превращений в сталях (сплавах «железо-углерод») был русский ученый Д. К. Чернов. Им было открыто, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению свойств. Открытие Д. К. Чернова, получившее всемирное признание в 1868 году, показало связь между составом, строением и свойствами стали. Работы Чернова легли в основу учения о термообработке стали. Им были открыты дендритные кристаллы, критические точки термических превращений и теория литья стали и сплавов, изучены процессы кристаллизации слитков металла.

Рис. 37.

Кристаллические решетки металлов:

1 – объемно-центрированного куба (ОЦК); 2 – гранецентрированного куба (ГЦК);

3 – гексагональная плотно упакованная решетка (ГПР)

Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов

Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации.

Компоненты сплава при кристаллизации могут образовывать:

• твердые растворы, когда элементы сплава взаимно растворяются один в другом;

• механическую смесь – при полной взаимной нерастворимости, когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов;

• химическое соединение, при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией. Свойства металлических сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристаллическое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации.

Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в прямой зависимости, т. е. чем выше скорость роста кристаллов и больше число образующихся зародышей, тем быстрее протекает процесс кристаллизации сплава. Внутренняя структура сплава зависит от формы ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения, тугоплавкие примеси. Процесс кристаллизации обычно начинается в направлении, противоположном отводу тепла.

Если процесс роста кристаллов не ограничивается, то образуются кристаллы неограниченной длины, в форме дерева или елочек-дендриты (рис. 38).

Рис. 38.

Схема строения поликристалла (а), и дендритный кристалл (б)

Так как процесс кристаллизации происходит в различных направлениях из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов обычно искажаются, ограничивая при этом рост других кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются зернами, или кристаллитами. В месте соприкосновения кристаллов рост их граней прекращается, и развиваются только отдельные грани. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов влияют на величину зерна и, следовательно, на свойства металлов. При этом особую роль играет скорость охлаждения и переохлаждения расплавленного металла.

Зерна отличаются размером и ориентацией в кристалле. Они обычно повернуты относительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен находится поврежденный переходный слой, порядка нескольких атомных слоев. Свойства и химический состав этого слоя могут сильно отличаться от свойств и состава зерен основного металла или сплава.

Кристаллические решетки могут иметь структурные дефекты: точечные, линейные, поверхностные, возникающие в результате вакансий (перемещения на свободные места) атомов.

При наличии таких дефектов зерно (кристаллит) разделяется на блоки в виде микромозаичной структуры (рис. 38).

При переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит усадка, т. е. уменьшение удельного объема зерен кристаллов. В результате усадки между зернами кристаллов в местах соприкосновения растущих дендритов в междуосных пространствах возникают микропустоты. Пустоты могут заполняться неметаллическими включениями (фосфидами, сульфидами и т. п.) или оставаться в виде раковин, микротрещин, пустот. Такие включения становятся центрами развития трещин, надрывов при приложении нагрузки или нагреве.

Характеристика свойств металлов и сплавов

В настоящее время известно 65 металлов. Но чистые металлы применяют редко, в основном в технике применяются сплавы. Например, сплав железа с углеродом насчитывает более 12 000 железных сплавов, главным образом сталей.

Все металлы и сплавы обладают свойствами, которые разделяют на:

• механические свойства;

• физические свойства;

• химические свойства;

• технологические свойства;

• эксплуатационные свойства.

Механические свойства металлов и сплавов

Основные механические свойства:

• прочность;

• пластичность;

• твердость;

• ударная вязкость.

Приложение внешней нагрузки вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение – это нагрузка (сила), отнесенная к площади сечения материала.

Деформация – это изменение форм и размеров при приложении внешних сил.

Деформация может быть упругой, т. е. исчезающей после снятия нагрузки, или пластической, т. е. остающейся после снятия нагрузки.

Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению при воздействии внешних сил статического или динамического характера. Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов, изготовленных из исследуемого материала.

Пластичность – способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением при разрыве.

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Твердость тесно связана с прочностью.

Ударную вязкость оценивают при динамических испытаниях.

Физические свойства металлов и сплавов

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• температура плавления;

• плотность;

• температурный коэффициент;

• электросопротивление;

• теплопроводность.

Физические свойства металлов и сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические свойства металлов и сплавов