При холодной, ультразвуковой, термокомпрессионной, магнитоимпульсной, диффузионной, взрывной, контактной, т.е. при всех способах сварки в твёрдом состоянии, образование соединений происходит при деформационном и термодеформационном воздействии на соединяемые материалы в зоне контакта. Принципиально природа физико-химических процессов, приводящих к формированию качественных соединений, едина. Отличия процессов вызываются свойствами соединяемых материалов, защитной средой, интенсивностью нагрева и деформации.
Возможно образование неразъемного соединения за счет ликвидации двух поверхностей, если процесс приводит к уменьшению свободной энергии системы, т.е. является энергетически выгодным.
Для однородных поликристаллических материалов термодинамическая вероятность взаимодействия выражается отношением:
ΔF = Fгp – 2Fn < 0,
где ΔF — изменение свободной энергией системы, Fn — свободная энергия поверхности, Fгp — свободная энергия границы зерна.
Для металлов и любых поликристаллических материалов процесс соединения всегда выгоден в термодинамическом отношении в связи с тем, что энергия границы значительно ниже энергии поверхности (например, для меди при T = 1123 К, Fгp = 650, Fn = 1650, ΔF = 2650 эр г/см2).
Для случая соединения разнородных материалов вероятность образования соединения можно оценить как
ΔF = Fгp – (FMe + FHMe) < 0,
где Fгp — свободная энергия границы контакта металл-неметаллический материал (керамика, феррит и т.д.); FMe, FHMe — поверхностная энергия металла и неметаллического материала.
Затруднения, возникающие при использовании приведённых зависимостей, связаны в первую очередь с отсутствием данных о значении Fгр для ряда материалов.
Свободная энергия поверхности твёрдых тел зависит от кристаллической структуры материала, температуры процесса и не зависит от прикладываемого давления. Существенно уменьшают свободную энергию газы и примеси на поверхности. Однако примеси не только уменьшают второй член в правой части уравнений, приведенных выше, но и будут влиять на Fгр, вследствие чего суммарное влияние их на ΔF прогнозировать трудно.
Так, в диффузионно-сварном соединении взаимнонерастворимых меди и молибдена (которые в жидком состоянии образуют две несмешивающиеся жидкости) технической чистоты обнаружен металлографически различимый слой промежуточной фазы, представляющей собой твёрдый раствор примесей в свариваемых металлах.