Бондаренко. Брянский государственный технический университет
 Скачать 7.13 Mb.
|
|
3.5. Влияние легирующих элементов на плавление и кристаллизацию металлов и сплавов Металл при данной температуре имеет определенное, энергетически наиболее устойчивое состояние (строение) с минимумом свободной энергии F (рис. 10). С изменением Т изменяются условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке и свободная энергия F.
Чтобы достигнуть полного жидкого состояния необходим перегрев (Тп). Чем больше Тп и чем больше Т, тем меньше по размеру атомные группировки и меньше их устойчивость. Чем больше этих центров, тем более мелкозернистым окажется металл при затвердевании, то есть условия плавления оказывают влияние на последующую кристаллизацию и свойства металла. Кристаллизация – процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании – происходит лишь при Т < Тпл, т. е. при переохлаждении Тк. Температура, при которой практически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации Тфк. Степенью переохлаждения называют T = Тпл–Тфк. Чем меньше Тк, тем ближе к Тпл протекает процесс и тем менее устойчивы образующиеся центры кристаллизации (ЦК). С увеличением Тк создаются условия для образования большего числа ЦК. Кристаллизация расплавленного металла состоит из двух элементарных одновременно протекающих процессов: – образование зародышей (центров кристаллизации); – рост кристаллитов из этих центров. Основными элементами литого строения является дендрит и кристаллит. Дендрит – древовидные кристаллы со стволом и ветвями. Его рост зависит от активности теплоотвода и идет в направлении перпендикулярно плоскости теплоотвода. При столкновении твердых поверхностей растущих осей разных порядков завершается постройка кристаллита. Потерявшие свою форму разориентированные дендриты и кристаллы называются кристаллитами. 3.5.1. Особенности кристаллизации сварочной ванны В результате воздействия сварочного источника тепла металл расплавляется и образует сварочную ванну – металл, ограниченный изотермической поверхностью Т = Тпл. Размер и форма ее зависят от параметров режима и вида сварки. В процессе сварки дуга перемешается вдоль свариваемых кромок и образует подвижную сварочную ванну (рис. 11), в передней части (abc) которой происходит плавление основного и присадочного металла, а в хвостовой части (dkn) – кристаллизация металла. Средняя температура ванны составляет 1700...1850 С – для АДС и 1600...2000 °С – для РДС.
На кристаллизацию металла сварочной ванны оказывают влияние следующие факторы: 1. Наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен оплавившегося основного металла на границе сплавления, карбидов и неметаллических включений. 2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочную ванну движущимся источником тепла, скорость движения которого определяет скорость перемещения фронта кристаллизации. 3. Малый объем и непродолжительное существование расплав-ленной сварочной ванны (1...2 мин), большие средние скорости роста кристаллов. 4. Значительный градиент температур и перегрев металла в центре сварочной ванны. 5. Интенсивное перемешивание металла. 6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки. В процессе кристаллизации металла шва формируется его первичная структура, определяемая формой, размерами, взаимным расположением кристаллитов, характером дендритных образований и фазовых выделений. В результате кристаллизации освобождается некоторая энергия – теплота кристаллизации, численно равная скрытой теплоте плавления. Эта теплота отводится через границу раздела твердой и жидкой фаз в более холодное тело, что обусловливает прерывистый характер кристаллизации. Рост кристаллитов в сварочном шве происходит нормально к фронту кристаллизации, т. е. к изотермической поверхности кристаллизации (ИПК), соответствующей Тпл (рис. 12). Скорость роста кристаллитов Vкр зависит от скорости сварки V (рис. 13).
Вектор скорости кристаллизации направлен по нормам к изотерме кристаллизации. Vкр = AB/t, где АВ – длина закристаллизовавшегося участка; t – время кристаллизации. Рассмотрим фигуру ABC. Так как размеры бесконечно малы, можно считать ее прямоугольным треугольником и принять АС = x. Тогда АВ = АСcos = хcos и Vкр = (x/t)cos; так как V = х/t – скорость сварки, то Vкр = Vcos. Тип первичной структуры сплава зависит от формы роста кристаллов и условий охлаждения. Различают 3 типа первичной структуры (рис. 14): ячеистую (а), ячеисто-дендритную (б) и дендритную (в).  Рис. 14. Типы первичной структуры Первичную структуру сварного шва можно регулировать, используя различные металлургические и технологические приемы. Подавление столбчатой структуры с целью получения равноосных кристаллов в швах осуществляется: а) введением элементов-модификаторов 1-го рода (Ti, V, Nb, Zr и др.); б) введением модификаторов 2-го рода поверхностно-активных примесей; в) введением элементов, образующих избыточные фазы в твердых растворах (–фазы, первичные карбиды и др.); г) воздействием на сварочную ванну ультразвуковых колебаний или вибраций, электромагнитного перемешивания металла ванны; д) термической и термомеханической обработкой, прокаткой сварных швов. Вторичная структура образуется в результате физико-химических процессов и структурных превращений в твердом состоянии. Важную роль в этом играют полиморфные превращения – переход одного вида кристаллической решетки в другую (). После кристаллизации из жидкого состояния вторичная кристаллизация (перекристаллизация) в твердом состоянии изменяет картину кристаллического строения – возникают и растут новые зерна, появляются новые границы. Процесс вторичной кристаллизации для сварных швов металлов с полиморфными превращениями имеет несколько аспектов: 1. В процессе охлаждения после сварки нарушается неблагоприятное строение кристаллов и возникает новая, более мелкозернистая структура. 2. Перегретую после сварки ЗТВ можно вновь сделать мелкозернистой за счет нагрева выше Т полиморфных превращений с последующим охлаждением с необходимой скоростью. 3. При сварке давлением при перекристаллизации в твердом состоянии происходит прорастание новых зерен через бывшую границу раздела и повышение качества сварных соединений. 3.6. Химическая неоднородность сварного соединения Формирование сварного соединения сопровождается сложными диффузионными процессами в жидкой и твердой фазах, которые приводят к изменению химического состава в различных зонах, выделению или перераспределению примесей и ЛЭ. Состав кристаллизирующейся твердой фазы будет отличаться от состава исходного расплава, т. к. сначала затвердевают более чистые материалы, а расплав будет постоянно изменять химический состав. Неоднородность по химическому составу, наблюдаемая в отливках и сварных швах в результате особенностей кристаллизации, называется ликвацией, а участки с выраженным увеличением содержания примесей – ликвационными зонами, или просто ликвациями. Распределение примеси или ЛЭ при постоянной скорости кристаллизации выражают через коэффициент распределения К – отношение концентраций элементов в твердой и жидкой фазах, Ств/Сж. Для большинства сплавов К < 1, т.е. растворимость элемента в твердой фазе меньше, чем в жидкой. В металле шва наблюдаются преимущественно два вида ликвации: дендритная (микрохимическая неоднородность) (МХН) и зональная. В свою очередь, дендритная ликвация может быть внутри - и межкристаллической (рис. 15). Внутрикристаллическая химическая неоднородность (ВХН) проявляется как различное содержание примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита (1, 2, 3, 4). На рис. 16 показано распределение примесей. В центральной части шва в зоне встречи двух противоположных фронтов кристаллизации обычно количество примесей невелико, во всяком случае, не больше, чем в пограничных областях между соединениями ячейками или осями дендритов, так как большая часть примесей захватывается боковыми гранями или ветвями.
Заметное влияние на формирование МХН оказывает прерывистость процесса кристаллизации, которая характеризуется микроскопическими изменениями средней скорости кристаллизации: замедлением, остановкой и ускорением (рис. 17). Все это является причиной "слоистости" сварного шва. При нерегулярном характере изменений Vкр на поверхности шва появляются геометрические нарушения, наблюдаемые как "чешуйчатость" шва.
Межкристаллитная МХН образуется путем отвода растворенных примесей от вершины к подножию выступов при их росте в зоне концентрационного уплотнения. При ячеистом и дендритном типах кристаллизации в результате прямого и бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые пространства. Распределение примесей, формируемое в процессе кристаллизации шва, может существенно отличаться от распределения примесей в конечной структуре шва. Это связано с процессами выравнивающей диффузии, скоростью охлаждения и другими факторами. 3.7. Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва Химическая неоднородность (ХН) может быть следствием недостаточной технологической культуры выполнения работ или физической природы процесса формирования сварного соединения и свойств свариваемого металла. В первом случае существует макронеоднородность химического состава по длине шва (отдельных его участках), вызванная колебаниями в составе свариваемых материалов (покрытии, флюсе), а также нестабильностью режима сварки и технологическими нарушениями. Основное влияние на ХН оказывают химический состав сплава и режим сварки, главным образом скорость охлаждения и кристаллизации сварного шва. При этом возможны: 1. Зональная, или линейная ликвация, наблюдаемая при малых скоростях охлаждения. Она обусловлена неодновременной кристаллизацией периферийной и центральной частей шва, в результате чего остающаяся жидкость оттесняется в центральную часть шва. Наиболее вероятные места её появления – ось шва, продольные границы, образованные встречей фронтов кристаллизации. В этом случае возможно ослабление оси шва, понижаются пластические и прочностные характеристики шва. 2. Межкристаллитная, или межзеренная ликвация, характеризуемая скоплением примеси у межзеренных границ (рис. 18).
Такой механизм образования ликвационных зон может вызвать явление обратной ликвации, т. е. повышение концентрации примеси в первых кристаллизующихся слоях по сравнению со средним его соединением. Такой вид ХН проявляется при высоких Vкр только у сплавов, имеющих большую усадку. Расплав, заключенный в объемах 1, 2, 3, может значительное время находиться в жидком состоянии. Рост дендритов приводит к "закрытию" этих объемов. 3. Внутрикристаллитная ликвация, обусловленная различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах. Чем больше коэффициент распределения отличается от единицы, тем сильнее будет различаться состав кристаллитов, затвердевших первыми, от последующих. Рассмотренные процессы возникновения ХН характерны в основном для малых скоростей охлаждения при сварке на "мягких" режимах. Скорости охлаждения кристаллизующегося металла шва при сварке с большими g/v обусловливают достаточно интенсивное протекание диффузионных процессов, что приводит к выравниванию состава и снижает внутрикристаллическую ликвацию (рис. 19).
Уменьшению ХН способствует оптимальное соотношение между шириной и глубиной шва, измельчение первичной структуры и соблюдение технологической дисциплины сварочных работ. При сварке легированных сталей, представляющих многокомпонентные сплавы, опасность возникновения ХН существенно выше, чем у углеродистых сталей. Контрольные вопросы к главе 3 1. Как распределяются легирующие элементы между ферритом и карбидами? 2. Как влияют легирующие элементы на положение критических точек? 3. Как влияют легирующие элементы на положение С-образной кривой изотермического распада аустенита? 4. Как влияют легирующие элементы на физические свойства сталей? 5. Дайте определение критической температуры хрупкости. 6. Что влияет на кристаллизацию металла сварочной ванны? 7. Как можно регулировать первичную структуру сварного шва? 8. Как влияет режим сварки на степень внутрикристаллической ликвации? |
