Анализ интерфейса обжимного контакта с помощью просвечивающей электронной микроскопии

Для изучения сцепления металлов на интерфейсе обжимного контакта в данной работе был проведен анализ внутренней структуры интерфейса с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Этот анализ был выполнен на японском просвечивающем электронном микроскопе JEM-2010. Результаты наблюдений показывают, что интерфейс соединения состоит из полосообразных мелких кристаллов, перпендикулярных направлению экструзионной нагрузки, как показано на рисунке 3. Мелкие кристаллы разных направлений, которые были измельчены на интерфейсе, сцеплены друг с другом. Анализ диаграммы дифракционной решетки зоны сцепленных кристаллов на интерфейсе соединения Al-Cu (рисунок 4) показывает, что в зоне дифракции присутствуют кристаллы фазы Al и фазы Cu с различными постоянными решетки.
Морфология соединения интерфейса обжимного контакта
(Al-Al ТЭМ 200 кВ ×12 000)
(а) Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (б) Изображение, полученное с помощью электронной дифракции
(200кВ×80000)(200кВ60см)
Результаты пропускания и дифракции обжимного контактного штифта в области соединения интерфейса (Al-Cu)
2 Анализ и обсуждение
2.1 Диффузия не является неизбежным явлением при склеивании металлов методом холодного прессования.
Хотя два металла могут образовывать сварное соединение при самых разных условиях, не все методы сварки обеспечивают условия для диффузии между двумя фазами металла шва. Процесс горячей штамповки требует определённой температуры и сохранения тепла, что является условием диффузии. Следовательно, границы соединений, полученных оплавлением, сваркой с накоплением энергии и сваркой трением, измеренные в данной статье, обладают различной степенью диффузионного поведения; при холодной штамповке «ни зона сварки не нагревается, ни явное тепло не выделяется в процессе формирования сварного соединения», поэтому условия для диффузии отсутствуют. Неизбежно, что измеренные границы обжима контактных гнезд различных металлических соединений не демонстрируют атомной диффузии. Согласно теории диффузионной сварки металлов, «при различных условиях два разных металла могут образовывать непрерывную металлическую связь, но диффузия необходима в любом случае. Поскольку диффузия возможна только в твёрдом растворе, соединение двух металлов в один возможно только при наличии определённой степени растворимости в твёрдом растворе». Фактически, большое количество экспериментов, проведённых в данной статье, показывает, что металлы, не растворимые в твёрдом растворе, можно сваривать. Например, для стыковой холодной сварки были использованы несмешивающиеся в твёрдой фазе Al-Cd и некогерентные металлы Al-Pb и Zn-Pb, несмешивающиеся как в жидкой, так и в твёрдой фазах. Диффузия атомов между несмешивающимися металлами невозможна. В данной статье представлены различные испытания таких соединений, результаты которых также показывают, что в процессе сварки взаимная диффузия атомов между ними действительно отсутствует.
Эксперименты и анализы показывают, что процесс соединения холоднопрессованных металлов не имеет ничего общего с диффузией.
2.2 Механизм соединения металлов при холодной сварке
При холодной сварке под действием давления ковки свариваемые металлы создают направленную пластическую деформацию на границе раздела. С одной стороны, поверхность, влияющая на физический контакт металлов, может быть устранена, а с другой стороны, металлические зерна на границе раздела непрерывно сжимаются и разрушаются. По мере продолжения процесса экструзии, разрушенные мелкие зерна на границе раздела сжимаются друг с другом, так что мелкие зерна металлов с обеих сторон находятся в тесном контакте. При достижении расстояния атомного притяжения поверхностные атомы мелких зерен образуют силу сцепления, то есть межзеренную связь мелких зерен. Поскольку граница раздела «сжимается», механизм межзеренной связи мелких зерен металла, сжимающихся при холодной сварке, позволяет несовместимым металлам, не обладающим диффузионными свойствами, обеспечивать хорошую свариваемость за счет сцепления границ зерен.
2.3 Свойства холодной сварки металлов различной твердости
В эксперименте этой статьи холодная сварка комбинаций металлов с различной твердостью показывает, что холодная сварка между Al-Cu, Al-Cd и Al-Zn с одинаковой твердостью или небольшой разницей твердости легко достигается соединением. В процессе холодной сварки этих комбинаций металлов обе стороны интерфейса легко дробятся, образуя межзеренную связь из взаимосвязанных мелких зерен, и производительность холодной сварки хорошая. Для комбинаций металлов с большой разницей твердости, таких как Al-Sn, Al-Pb, Zn-Sn и Zn-Pb, две стороны интерфейса показывают различные формы деформации во время процесса холодной сварки. Металл на стороне с высокой твердостью имеет небольшую деформацию на интерфейсе и его трудно дробить и сцеплять с мелкими зернами металла на другой стороне с большой деформацией. Следовательно, при холодной сварке металлов с большой разницей в твёрдости необходимо применять соответствующие технологические меры для координации деформации с обеих сторон, чтобы мелкие зёрна с обеих сторон металла одновременно деформировались и фрагментировались, образуя перекрывающиеся мелкозёренные границы, что повышает их свариваемость. Свариваемость металлов с разной твёрдостью при холодной сварке можно разумно объяснить, применяя описанный выше механизм сцепления металлов при холодной сварке.
3 Заключение
(1) При холодной сварке металлов между атомами не происходит взаимной диффузии.
(2) Механизм сцепления металлов при холодной сварке основан на межкристаллитной связи, образуемой переплетенными мелкими кристаллами на границе раздела. Переплетение мелких кристаллов увеличивает эффективную площадь сцепления металла, что повышает прочность обжима контактного гнезда .
(3) Несмешивающиеся металлы обладают свойствами холодной сварки.
(4) Металлы одного типа или металлы с небольшой разницей в твердости обладают хорошими свойствами холодной сварки; при холодной сварке металлов с большой разницей в твердости необходимо применять технологические меры для улучшения их свойств холодной сварки.