Практически любой современный человек, знает, что такое сварка, даже может в двух словах рассказать физику процесса:
- соединяемые детали (место стыка) расплавляются, расплав перемешивается, может добавляться дополнительный присадочный материал, все застывает - детали соединены.
Многие слышали про кузнечную сварку:
но объяснить проистекающие в ней процессы уже сложнее. Кузнечную сварку можно отнести, как разновидность, к более общему типу диффузной сварки. Суть процесса в том, что соединяемые детали сильно сжимаются и нагреваются. Но нагрев не до температуры плавления, а несколько (или значительно) ниже - 0,5-0,7 температуры плавления.
При таких условиях - давлении и температуре, а так же отсутствии окисной пленки на поверхности материалов происходит взаимная диффузия атомов материалов, они перескакивают "энергетический барьер" и детали соединяются.
Диффузная сварка может осуществляться в среде защитного газа, что бы не образовывалась окисная пленка, а может - в вакууме. У вакуума есть дополнительное преимущество - окисная пленка на поверхности материала, а так же остатки масел, других органических веществ. которые препятствуют сварке, постепенно испаряются или разрушаются, и качество соединения улучшается.
Диффузно-вакуумной сваркой соединяются детали и материалы, не соединяемые другими видами сварки. Очень тонкие, практически фольга встык, имеющие сильно различающиеся температуры плавления и даже металл с неметаллом.
При диффузной сварке время и температура часто компенсируют или дополняют друг друга. Так как перескакивание атома через "энергетический барьер" есть процесс вероятностный, зависящий от активности теплового движения атома, то меньшая температура требует более длительного нахождения материалов в таких условиях, что бы произошла диффузия.
Порошковая металлургия и детали из спеченного порошка - это то же использование диффузной сварки. Одно из первых применения - работа с платиной. Ввиду высокой тугоплавкости и сложности достижения таких температур (почти 1800 Ц) в 19 веке применяли способ первичного химического получения порошка платины и последующего прессования и спекания.
В процессе освоения космического пространства столкнулись с диффузной сваркой там, где ее не хотели бы видеть - во всяких подвижных соединениях, вращающихся узлах, действующих в вакууме.
В этом случае температуры относительно невысокие - определяются нагревом прямыми лучами Солнца. Но на это накладывается трение в подвижном узле, которое нагревает место контакта и разрушает окисную пленку, если она до этого не пострадала, достаточно высокий вакуум и длительное время воздействия этих факторов. Большинство смазок, используемых в земных условиях, в вакууме испаряются. Неиспаряющиеся смазки, например на основе дисульфида молибдена, имеют весьма слабые смазочные свойства, то есть при их использовании коэффициент трения скольжения достаточно высокий.
При решении проблем, созданных эффектом "паразитной" диффузной сварки был "случайно" разработан волновой редуктор
ныне широко применяемый в различных областях техники. Это примерно та же история, что и с тефлоновыми сковородками.
Возвращается к лунному грунту, а точнее реголиту.
Еще до первых космических полетов астрономы знали, что поверхность Луны постоянно подвергается метеоритной бомбардировке. В общем потоке космического вещества, падающего на Луну (так же как и на Землю) крупных тел немного, преобладают частицы малых и микроскопических размеров. Постоянная бомбардировка непрерывно разрушает поверхностный слой Луны, что дополнительно усугубляется большим перепадом температур. Были даже предположения, что поверхностный слой Луны представляет собой многометровый слой пыли, прилуняясь на который, космический аппарат может в нем просто утонуть. Этот вопрос, еще до первых полетов, "закрыл" Сергей Павлович
Предвидение его оказалось верным. Что не является чем то удивительным - процесс диффузной сварки в вакууме открыл еще в 1953 году Н. Ф. Казаков.
Ввиду малых размеров падающих на поверхность Луны частиц их воздействие распространяется на небольшую глубину. Для примера:
Несмотря на высокую скорость, из за малых размеров падающих частиц они разрушаются сами, разрушают поверхность соударения, порождают разлет вторичных частиц в стороны и вверх и последующее падение на поверхность.
Тот слой, до которого не дошло воздействие, находится в относительном покое. Вакуум и нагрев солнцем. а так же давление слоев под действием силы тяжести создают условия для диффузной сварки. За обычное время -дни, недели, и даже годы никакая сварка не произойдет. Да и материалы - оливин, ильменит, анортит - не очень то "расположены" к сварке. Но Луна - это мир покоя. Подповерхностные слои реголита неподвижны и не потревожены миллионы лет. Постепенно отдельные зерна материала "склеиваются" между собой, порождая пористую структуру, отличную от сыпучего поверхностного слоя.
В очередной статье про колеса лунного ровера (колеса лунного ровера, продолжение 1) я упомянул строение лунного грунта согласно офф версии:
"На поверхности Луны слой реголита в среднем имеет толщину от 5 до 70 см, причем рыхлым является только самый верхний слой толщиной 1-2 см, а ниже он плотный и его частицы связаны между собой диффузионной «вакуумной сваркой»."
В статье 1. Лунный грунт я изобразил примерную схему строения лунного грунта и его земных аналогов.
В земных условиях есть много материалов, которые изначально были сыпучими или не сплошными, но со временем благодаря ряду процессов стали монолитными, или не монолитными, но приобрели способность держать форму - то есть получили прочность, жесткость.
Это ракушечник
Это песчаник
Известняк
и многие другие.
Условия их образования радикально отличаются от тех условий, в которых находится реголит, да и связывание отдельных частиц в монолит происходит в основном благодаря минерализации.
Тем интереснее рассмотреть и проанализировать свойства реголита, находящегося в подповерхностном слое.
Продолжим в следующей части.
