Схватывание поверхностей поликристаллических металлов при одноосном сжатии и одновременном сдвиге

УДК 539.4.019.3

СХВАТЫВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ И ОДНОВРЕМЕННОМ СДВИГЕ

© В.А. Федоров, Т.Н. Плужникова, А.А. Стерелюхин, Л.Г. Кармев

V.A.Fcodorov, T.N.PIuzhnikova. A.A.Sterelukhin, L.G.Karycv. Seizure of polycryslalline metals by one axis compression and simultaneous shift. Influence of one axis compression and simultaneous shift on character of seizure of surfaces of polycryslalline metals is investigated. It is shown, that seizure has site charactcr. Influence of a variable electric current considerably raises quality of splicing of metal surfaces.

Экспериментально обнаружено, что основным препятствием для схватывания в металлах является наличие поверхностной оксидной пленки и рельефа поверхностей. Качество схватывания металлических поверхностей зависит от напряжения сжатия, твердости и химических свойств.

Целью данной работы является исследование качества сращивания поверхностей металлических образцов при одноосном сжатии, воздействии электрического тока и одновременном повороте поверхностей относительно друг друга.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использовали поликристаллы электротехнического алюминия А1, меди Си (технически чистой), сплава свинца и сурьмы (92 % - РВ, 8 % -БЬ). Концентрация примесей в образцах не превышала

0,5 % для А1 и 0,1 % для Си. Температура окружающей среды (воздух) в экспериментах приблизительно 20 °С.

Размеры образцов: алюминиевые пластины

40x20x5 мм, соединяемые с образцами размером 15x10x10 мм; для меди эти размеры 60x20x1 мм и 11x11x10 мм соответственно; для свинца 45x20x3 и шестигранник со стороной 6,3 мм.

Образцы полировались наждачной бумагой (нулевкой) и для удаления пыли протирались бархоткой, применяемой для очистки оптики.

В первой серии опытов полученные таким образом образцы соединялись полированными поверхностями и подвергались воздействию одноосного сжатия и одновременного сдвига на твердомере ТШ-2М.

Во второй серии экспериментов образцы подвергались воздействию одноосного сжатия, сдвига и переменного электрического тока. Величина тока и напряжения составляла 5 А и 20 В для А1, 8 А и 22 В для Си и РЬ, соответственно. Схема электрической цепи приведена на рис. I.

Нагрузка варьировалась в пределах: от 250 кге (1,63-107 Н/м2) до 1500 кге (9,8-107 Н/м2) для А1. от 250 кге (1,7МО7 Н/м2) до 3000 кгс( 19,6-107 Н/м2) для меди и от 17 кге (0,16-107 Н/м2) до 210 кге (1,96-107 Н/м2) для свинца. Время воздействия составляло ~ 30 с. Для удаления поверхностной окисной пленки и образования

Рис. 1. Схема электрической цепи экспериментальной установки

ювенильных поверхностей образцы поворачивали относительно друг друга под нагрузкой на угол до 30°.

Качество залечивания исследовали на разрыв. Для этого использовали крючки, приклеиваемые к пластине эпоксидной смолой, и специальный захват, мало деформирующий зону залечивания, в который помещали другую часть образца.

Экспериментально на поверхностях разрыва определяли площадь залечивания. По полученным значениям силы разрыва и площади залечивания рассчитывали напряжение разрыва, которое потом сравнивали с табличным значением временного напряжения разрыва.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Схватывание поликристаллических металлических поверхностей носит очаговый характер, который, по-видимому, вызван различной ориентацией зерен в месте контакта. Наиболее характерные картины поверхностей разрывов приведены на рис. 2 и 3.

Максимальная прочность залеченных участков достигается на образцах, подвергнутых одноосному сжатию, которое в совокупности с поворотом поверхностей позволяет наиболее эффективно удалить поверхностную пленку, являющуюся серьезным препятствием для схватывания. Установлены наиболее эффективные соотношения напряжения сжатия по отношению к напряжению разрыва, при котором качество залечивания максимально, для первой и второй серий

опытов (рис. 3-5). При дальнейшем увеличении напряжения сжатия на поверхностях возникают задиры, наличие которых, по-видимому, и объясняет уменьшение напряжения разрыва с дальнейшим ростом напряжения сжатия.

Вторая серия опытов показала, что совместное действие одноосного сжатия, взаимного поворота поверхностей и электрического тока обеспечивает значительное увеличение прочности залеченных участков до - 50 % от исходной (табл. 1,2).

Рис. 2. Морфологические особенности поверхности разрыва а) для алюминия; б) для сплава свинца и сурьмы

Рис. 3. График зависимости напряжения разрыва от напряжения сжатия для алюминия:  - первая серия опытов, • - вторая серия опытов

Н 10

о

Рис. 4. График зависимости напряжения разрыва от напряжения сжатия для меди:  - первая серия опытов, • - вторая серия опытов

Рис. 5. График зависимости напряжения разрыва от напряжения сжатия для свинца:  - первая серия опытов, • - вторая серия опытов

Ни специальная полировка, ни особые условия подготовки образцов не могут гарантировать надежно воспроизводимое сращивание металлических образцов.

Анализ полученных данных о восстановлении сплошности различных металлов позволяет говорить о большом влиянии на качество сращивания металлических образцов твердости и химических свойства, которые обусловливают возможность удаления поверхностной пленки и вскрытия ювенильных поверхностей.

Таблица 1

Напряжения сжатия и напряжения разрыва при максимальном значении прочности

Первая серия опытов Вторая серия опытов

Металл Напряже- ние сжати^, х1°7^ Напряже- ние разрыва, х107Т М Напряже- ние сжатия, Напряже- ние разрыва, *,0'1

Алюми- ний 7,1 1,65 8,2 2,6

Медь 10,5 4 12,5 9,3

Свинец 0,88 0,87 1,4 0,95

Таблица 2

Среднее качество восстановления сплошности образцов в исследованном интервале нагрузок от исходной прочности

Металл Первая серия Вторая серия

опытов, % опытов, %

Алюминий 9,5 20

Медь 11 31

Свинец 41 51

При сближении ювенильных поверхностей происходит перекрытие потенциала металлической связи, что обеспечивает восстановление сплошности.

Основным препятствием для схватывания в металлах, является рельеф поверхностей. Несовершенство поверхностей образцов, включающее слабые повреждения, загрязнения, высокую шероховатость, сферичность препятствует формированию непрерывной границы раздела и обусловливает очаговый характер схватывания поверхностей. Присутствующие в зале-

ченных участках трещины и поры значительно ослабляют материал.

ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность сращивания поверхностей полукристаллических металлических кристаллов под действием одноосного сжатия ортогонального плоскости залечивания и переменного электрического тока.

2. Исследована зависимость напряжения разрыва от напряжения сжатия для алюминия, меди и сплава свинца. Установлены наиболее эффективные соотношения напряжений сжатия и напряжений разрыва.

3. Установлен очаговый характер схватывания поверхностей поликристаллических металлов.

4. Совместное действие одноосного сжатия и электрического тока значительно повышает прочность залеченных участков.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 02-01-01173).